WO2017016675A1 - Matroschka-umrichter - Google Patents

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WO2017016675A1
WO2017016675A1 PCT/EP2016/025031 EP2016025031W WO2017016675A1 WO 2017016675 A1 WO2017016675 A1 WO 2017016675A1 EP 2016025031 W EP2016025031 W EP 2016025031W WO 2017016675 A1 WO2017016675 A1 WO 2017016675A1
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WO
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modules
module
switching elements
nesting
embedded
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Application number
PCT/EP2016/025031
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French (fr)
Inventor
Stefan GÖTZ
Original Assignee
Dr. Ing.H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to KR1020187005972A priority patent/KR102048168B1/ko
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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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
    • H02M7/493—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 the static converters being arranged for operation in parallel

Definitions

  • the invention relates to an electrical converter system with nested individual modules.
  • Electric AC motors such as those used in electric vehicles, for example, usually require an inverter, the of a battery
  • DC voltage is converted into an AC voltage.
  • Conventional converters in such vehicles use so-called bridge circuits, which connect output terminals alternately to a positive and a negative pole of the DC voltage source.
  • the inverters select the dwell time in such a way that the required AC voltage is generated on average over time.
  • an AC voltage thus generated has a low quality and distortion.
  • the switching processes cause high energy losses.
  • Other disadvantages occur in the electromagnetic compatibility, since the high-frequency
  • Modular multilevel converters are, inter alia, "A. Lesnicar, R. Marquardt (2003), An innovative modular multilevel converter," IEEE Power Tech Conference Proc, 3: 6ff., “M. Glinka, R. Marquardt (2005), A new AC / AC multilevel converter family, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52: 662-669 "and” SM Goetz, AV Peterchev, Th.
  • Modular multilevel converters allow the output voltage for a load, such as an AC electric motor, to be generated in small stages.
  • a load such as an AC electric motor
  • Modular multilevel converters are individual modules, each having an energy storage and multiple switching elements, electrically interconnected with neighboring modules, wherein during operation, the electrical interconnect is dynamically freely variable, so that the output voltage is generated by dynamically changing serial and parallel connection of the energy storage.
  • the individual modules are hard-wired low-voltage sources that change their voltage and the others
  • Low voltage sources can be electrically connected.
  • the switching elements and the energy storage have been developed.
  • a respective arrangement of energy storage and the switching elements is referred to as microtopology.
  • Macrotopology in which modules are strung together in most inverter technologies, also forces the load current of a converter arm, i. of a string of single modules flowing through all the modules, thereby unnecessarily increasing the ohmic losses of the system.
  • a omission of modules, especially in the parallel circuit, so that even non-adjacent modules can switch their electrical energy storage with each other electrically parallel, without having to include the omitted module with, is not possible in any technology from the prior art, without losing the possible reduced voltage resistance of a large part of the components to give up.
  • Energy stores only differ from the fact that they allow an operating range, either an energy intake or an energy release preferred.
  • a power converter generally refers to an electrical circuit that can transport electrical energy between multiple inputs while providing the ability to transform current and / or voltage parameters. This includes in particular DC-DC converters, inverters and rectifiers.
  • An object which is to be solved by the present invention is i.a. in that a parallel connection of not immediately adjacent modules to allow.
  • M2C Modular Multilevel Converter
  • M2SPC Modular Multilevel Serial-Parallel Converter
  • Switched-Capacitor-Converter use as a basic structure usually a serial chaining of similar sub-circuits, which can be supplemented by other elements, such as serial circuits, for Basic structure parallel
  • circuit elements The at least one repeating part of the circuit, in the The following without limitation of generality "module” or “single module”, does not have to be repeated structurally identical, but has functional similarity. Such a similarity of two modules is usually already given, if both at least two similar so-called circuit functions or
  • Circuit states can represent.
  • an energy store within this microtopology of the individual module is replaced by a further individual module.
  • This allows a multi-level circuit of known individual modules.
  • individual modules are embedded or nested in individual modules.
  • the known module topologies can be used both as an embedding module and as an embedded module.
  • individual modules or modules no longer contain only an energy store with a fixed behavior, but embedded modules, which themselves can be dynamically changed in their properties.
  • the electrical converter system according to the invention has a plurality of nested modules with an arbitrary number of nesting levels.
  • One module of the plurality of modules has at least two ports and one
  • the power train has at least one energy store and / or at least two modules that are at a next lower nest level
  • At least one module of the plurality of modules must comprise at least two modules embedded in the at least one module instead of an energy store in the energy line.
  • At least two modules of a nesting level are interconnected.
  • the modules have a plurality of switching elements which are connected between a plurality Circuit states between the at least two modules of a
  • Circuit states in this sense are, for example, parallel connection, serial connection, bypass circuit and passive circuit with respect to the energy storage of the respective individual modules or modules.
  • Microtopologies or module topologies used by modular inverters such as modular multilevel inverters such as the M2C or M2SPC, and switched-capacitor converters.
  • a macro topology which itself contains at least two modules, for example a string of modules (converter arm, module string), a phase module, or a number of interconnected phase modules.
  • Preferred module types for the embedding inverter are two-quadrant modules of the M2C (hereinafter referred to as M2C-2q),
  • M2C Four-quadrant modules of the M2C (often also referred to as chopper modules, in the following short M2C-4q), short-circuit protected M2C modules (in the following 4q KGM2C)
  • M2SPC Four quadrant modules of the M2SPC-4q
  • M2SPC-2q Two-quadrant modules of the M2SPC (hereafter referred to as M2SPC-2q), Marx converter modules (hereafter MaM for short), and various switched-capacitor modules.
  • embedded lower level nesting module having exactly one electrical connection with a positive bus bar and / or a negative bus bar of a higher nest level module, i. an embedding module electrically connected.
  • the switching speed of the entire system can be provided by the switching elements of the embedded modules.
  • the switching elements of the modules of higher nesting levels can have slower switching speeds than the switching elements of modules of deeper nesting levels.
  • the highest voltage that occurs in a module is essentially the sum of the voltages of all the electrical energy stores of the directly embedded modules embedded deeper over several levels. It follows that in one
  • the switching elements in deeper nesting levels of embedded modules may have a lower dielectric strength, as the switching elements of modules higher nesting levels.
  • Multilevel technology can be used as embedding and / or embedded modules. Different variants can occur.
  • the embedding modules as well as the embedded modules can each have the same topology, wherein the module in the lowest
  • Nesting level is usually a so-called elementary module, which has no additional embedded module string in its energy train, but only at least one energy storage.
  • the embedding modules may also have a topology which is different from the topology of the embedded modules, whereby here too the module in the deepest nesting plane is generally a so-called elementary module which has no additional embedded module string but only at least one
  • Nesting level each have different topologies, in which case the module in the deepest nesting level usually a so-called
  • Elementarmodul is that has no additional embedded module string, but only at least one energy storage. According to the invention, a method for providing an electrical
  • Inverter system proposed in which an electrical circuit is used with at least two nesting levels, wherein at least one embedding module of a first nesting level is used to at least one
  • Forming energy train in which at least two embedded modules of at least a second second nesting level deeper interconnected, so that the modules are embedded in each other, wherein the modules at least two terminals and a plurality of switching elements are used to switch between a plurality of circuit states between at least two Modules of a nesting level can be switched dynamically.
  • switching elements are used in deeper nesting levels, which has a lower
  • non-commutation switching elements are used in higher nesting levels.
  • at least one module is used in which the at least one energy strand has at least one
  • At least one module is used in which the at least one energy strand only has at least one energy store.
  • FIG. 1 a shows a converter circuit from the prior art
  • FIG. 1 b shows an exemplary module string from FIG
  • Figs. 1c and 1d illustrate module topologies of various modularity
  • Fig. Le shows an exemplary interconnection of two modules.
  • Fig. Lf shows an interconnection of several modules to a module string and an interconnection of several module strands with four electrical
  • FIG. 1 g shows an interconnection of several module strings with five
  • Fig. Lh shows a matrix interconnection between six electrical
  • Figures 2a and 2b show exemplary macro topologies for a modular one
  • Fig. 2c shows exemplary types of electrical connections.
  • Fig. 2d shows three exemplary microtopologies for use in
  • Fig. 2e shows an exemplary interconnection of M2SPC modules
  • FIG. 3 shows typical switched capacitor power converter circuits of FIG
  • Fig. 4 shows an embodiment of a module of a
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a module of a
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the invention
  • Inverter system with two interconnected embedding modules.
  • FIGS. 7a and 7b show further embodiments of the invention
  • FIGS. 8a and 8b show further embodiments of the invention
  • Inverter system with embedding and embedded modules.
  • FIGS. 9a and 9b show still further embodiments of the invention
  • Inverter system with embedding and embedded modules.
  • the electrical converter system utilizes a dynamic change in the electrical connection of electrical energy storage devices, such as inductors, capacitors and battery cells or energy sources for generating variable output voltages and / or for the transfer of energy between the mentioned
  • the converter system according to the invention also relates to so-called M2C, M2SPC and switched-capacitor circuits.
  • M2C and M2SPC circuits are modular multilevel converter circuits where M2SPC circuits are a serial and parallel switching variant of the electrical
  • Enable energy storage Said circuits are modular, i. They consist of several interconnected modules, the modules usually include an electrical energy storage and at least one electronic switching element. By suitable activation of the switching elements of the individual modules, the energy stores can be connected to other modules, usually the neighbors, electrically in series and / or electrically parallel and / or electrically separate from other modules. Depending on the embodiment of the modules, this electrical
  • Connection can be made individually for the respective energy storage.
  • FIG. 1 a shows a converter circuit of the prior art whose basic principle is based on the interconnection of similar modules 101, in particular the M2C, the M2SPC, as well as modifications and further developments of these two basic technologies by using alternative modular circuits, so-called microtopologies, which are either sorted or pure combined form a modular inverter.
  • the circuit shown in FIG. 1 a has a plurality of connections 102, 103, 104, on which further circuit components or modules can be connected.
  • a series connection of at least two modules 101 is referred to as module string 105 or converter arm.
  • Module strands 105 are connected to one another via electrical connections 107.
  • Several module strings 105 are referred to as phase module 106.
  • Figure lb shows an enlarged view of a module string 120 with several modules 101 and two terminals 102, 103.
  • a module string consists of at least two individual interconnected via electrical connections 107 modules 101.
  • An upper limit is not set, but usually results from the Requirements of the circuit.
  • FIGS lc and ld show so-called microtopologies.
  • Microtopologies refer to the internal circuits of individual modules.
  • the microtopologies shown represent different M2C variants. In M2C circuits, the electric
  • Energy storage 142, 144, 146 are connected to corresponding electrical energy storage of an adjacent module either in series or taken out of the circuit.
  • the uppermost circuit in the figure lc has the
  • Switching elements 153, 154, 155, 156 each comprising a transistor and a diode, and thus allows a so-called four-quadrant circuit, in which at the terminals 147, 148 can be switched between two polarities.
  • the middle and the lower circuit show so-called two-quadrant circuits, in which by switching the respective switching elements 157, 158 and 159, 160 at the respective terminals 149 and 151 can always be present only one polarity.
  • the microtopologies have, for example, damping elements 141, 143, 145.
  • FIG. 1 d shows a further microtopology of an M2C circuit with two electrical energy stores 172 and a plurality of switching elements 183, 184, 185, 186, 187 and the connections 177, 178.
  • Figure le shows an interconnection of two microtopologies.
  • the respective modules each have a capacitor 192, 193, as well as four attenuation elements 194.
  • the framed by dashed line part of the interconnection is referred to as half bridge 191.
  • the microtopologist shown have diodes 195, 197 and transistors or switching elements 196, 198.
  • Figures lf and lg each show a macro topology.
  • a macro topology designates an interconnection of several modules or module strands 200 with one another.
  • the modules or module strands 200 are connected to one another via electrical connections 210.
  • the macro topology shown in FIG. 1f has four electrical connections a, b, A, B which may, for example, but not exclusively, form two pairs of ports a, b and A, B, of which each pair (a, b), (A , B) can form a DC and / or AC power connection, for example, at least one electrical load, at least one electrical network or at least one electrical machine.
  • the macro topology shown in Figure lg has electrical connections a, b, c, A, B, which can be assigned, for example, a terminal pair A, B and a three-phase terminal a, b, c. Furthermore, more than five electrical connections can be formed.
  • FIG. 1 h shows a matrix interconnection between six electrical connections a, b, c, A, B, C, two of these connections being connected via at least one module strand 200 in each case.
  • the modules or module strands 200 are connected to one another via electrical connections 210.
  • so-called sparse matrix converters some of these connections between respective terminals are saved.
  • FIGS. 2a and 2b show exemplary macro topologies for M2SPC modules, wherein FIG. 2b is an extension of the topology of FIG. 2a.
  • M2SPC modules enable serial connection and parallel connection of respective energy stores of adjacent modules.
  • the macro-topologies have modules 201, 220, wherein a series connection of a plurality of modules 201, 220 forms a module string 207, 208, which can be combined to form a phase module 209. Between each two module strands 207, 208, a respective connection 203, 221, 222, 223, 224 is formed.
  • FIG. 2 c merely shows the types of electrical connections 204, 205, 206 that can be formed.
  • the connection 204 can also be present in the embodiments 205 or 206.
  • FIG. 2d shows three exemplary M2SPC microtopologies of the prior art.
  • the topologies each have an energy store 302, 304, 306 and the switching elements 313 to 328.
  • Each module has on each side in each case two terminals 307, 308, 309, 310 and in each case an exemplary damping element 301, 303, 305.
  • the topologies shown represent state of the art and can be used in an inverter system according to the invention.
  • FIG. 2 e shows an exemplary interconnection of several modules to form a module string.
  • the module string has u.a. the terminals 340, 341, which can be connected to an adjacent module.
  • a module includes an energy storage 330, such as a capacitor, and the switching elements 331 through 338, which enable a four quadrant circuit of the M2SPC module (M2SPC-4q).
  • FIG. 3 illustrates typical prior art switched capacitor converters. These circuits also typically have some modularity by repeating similar subcircuits 350, 355, 360, 365. The ones shown
  • Subcircuits or modules 350, 355, 360, 365 each have at least one energy store 351 and in each case at least two switching elements 352.
  • the microtopologies of the prior art shown in the preceding figures can be used for an electrical converter system according to the invention. Similarly, a microtopology, as described in the patent application of the same
  • FIG. 4 shows an embodiment of an embedding module 400 according to the invention of the converter system according to the invention.
  • the previous one-dimensional module macro topology is extended by at least one level as at least one additional nesting level. This at least one extra
  • Nesting level is formed by the introduction of embedding modules 400 (so-called nesting modules), the same as previously known modules in that they use a plurality of switching elements 408, 409, 410, 411, 412, 413, 414, 415 also occupy module states and connect at least two internal power rails 416, 417 in different alternatives with the external terminals or module terminals 418, 419, and thereby between at least two modules one
  • Switch nesting level dynamically. However, they differ from their respective most similar known modules of the prior art, since they at least one module strand 401 (converter arm) from at least two modules 406 (so-called embedded modules, including nested modules) instead of at least one electrical energy storage itself.
  • Each module 400, 406 can be both a conventional module, the at least one electrical
  • Energy storage includes, or an embedding module 400, which instead of at least one electrical energy storage again contains a module strand 401 and converter arm, be.
  • the number of levels in some or all of the embedding modules 400 may be arbitrarily increased according to the technical requirements.
  • Module module 401 embeds further modules 406 into module 400.
  • the module 400 represents a first, here highest nesting level, while the modules 406 of the module string 401 form a next lower nest level.
  • the module string 401 has a plurality of modules 406, which are connected to one another via at least two electrical connections 407.
  • the embedded modules 406 may in turn comprise the topology of the embedding module 400, with another module strand 401 embedding the further modules 406, so that a further deeper interleaving plane is formed.
  • the module string 401 or a branch with an energy store instead of the module string 401 forms the energy strand of the module 400.
  • at least two electrical connections 407 between the modules 406 are necessary
  • more than two electrical connections 407 may be present.
  • the switching elements 408 to 415 are formed in pairs as half bridges 402 to 405, these half bridges are optional.
  • the diodes in the switching elements 408 to 415 are optional. For example, if only a polarity reversal at the terminals 418, 419 take place in the sense of a two-quadrant circuit, are sufficient for the switching elements 408-415 simple electrical switches, which are not necessarily semiconductor switching elements.
  • each switching element 408 to 415 is limited due to the selected structure of the switching element 408 to 415 upwards and may be correspondingly far below the voltage at the terminals 418, 419 of the inverter. If all of the module switching states of the embedded modules 406 are to be allowed, the highest voltage, and thus the necessary withstand voltage of the semiconductors used in the embodiment shown, for the corresponding embedding module 400 is the sum of the voltages of all electrical energy stores of the directly embedded modules 406 and over several levels lower embedded modules 406. Although the required withstand voltage for switching elements in
  • the embedding converter referred to by the Applicant as a matroshka converter, has the advantage that the switching elements 408 to 415 of the embedding modules 400 or of modules on further higher interleaving levels are operated with low loss with so-called zero-voltage switching or zero-current switching can be. Further, the switching elements 408-415 of the embedding modules 400 may have very slow switching speeds far below those of embedded modules 406 in a deeper nesting plane without affecting the speed of the overall system. Under special conditions, the
  • Switching elements of embedding modules 400 or modules on further higher nesting levels can not be commutated. This applies, for example, to thyristors, which are not able to interrupt a current flow.
  • the switching elements 408-415 of the embedding modules 400 may have a lower switching speed than the switching elements of the embedded modules 406, thereby significantly reducing costs since the switching speed of the entire system may be provided by the switching elements of the embedded modules 406.
  • the necessary switching speed decreases, without losing dynamics in the overall system.
  • the control of such a system accordingly performs all the necessary fast switching operations with embedded modules 406 and their switching elements.
  • the switching elements 408 to 415 of the embedding modules 400 only allow the controller to perform less frequent switching operations. Accordingly, slower levels of nesting can be used
  • Switching elements 408 to 415 such as insulated-gate bipolar transistors (IGBT), gate-turn-off thyristors (GTO) or even mechanical switching elements such as relays be used.
  • IGBT insulated-gate bipolar transistors
  • GTO gate-turn-off thyristors
  • mechanical switching elements such as relays be used.
  • the voltage drop in the forward direction (forward voltage drop) of IGBT, GTO and the like is insignificant, since for embedding modules 400 an upper or outer level even with unfavorable switching states only very few semiconductors in the current path lie in series.
  • the embedded modules 406 can collectively commutate the current of the embedding module 400 so that the non-commutatable switching elements enter the blocking state.
  • the embedding module 400 can assume a new switching state.
  • the total voltage formed by the embedded modules 406 must be from the Control be increased until the current is commutated and therefore goes out. This will typically achieve control by switching embedded modules 406 from a bypass or a parallel state to a serial state.
  • Total voltage can be reduced until the commutation is reached and the current goes out. This is usually done by switching embedded modules 406 from a serial state to a bypass or control
  • non-commutatable switching elements such as thyristors or triacs can be used.
  • the necessary commutation is thus achieved by a kind of reverse voltage of the embedded modules 406, which makes the power go out.
  • Thyristors as monodirectional, that is only in one direction conductive switching elements can be supplemented either with antiparallel thyristors or diodes.
  • Antiparallel thyristors have the advantage that the corresponding switching element is designed to be controllable in both directions.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of an embedding module 500 according to the invention of the converter system according to the invention.
  • the same reference numerals designate the same parts, but compared to the figure 4 increased by 100.
  • the converter system according to the invention has four additional terminals 520, 521, 522, 523.
  • this embodiment represents a general embedding module 500 of the converter system according to the invention, from which by omitting individual elements, all others, possibly still to be shown below
  • Embodiments can be derived.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the converter system according to the invention with two interconnected embedding modules 600a, 600b, which have the topology of the module 500 from FIG.
  • the terminals 619 of the module 600a are with the
  • the terminal 622 of the module 600a is connected to the terminal 623 of the module 600b.
  • FIG. 7 a shows a further embodiment of an embedding module 700 a of the converter system according to the invention, with four module strings 70 1, 70 2, 70 3, 70 4, each consisting of at least two embedded modules 728. Between two module strings 701, 703 and 702, 704 electrical connections 717 and 718 are inserted, each forming a further connection 725 or 726 of the embedding module 700a on one side.
  • the remainder of the topology is similar to the topology of the module 500 of FIG. 5 having eight switching elements 709 to 716, of which a pair forms half bridges 705 to 708 with the terminals 723, 724, respectively Terminals 719 to 722 on the busbars.
  • the number of components is not limited to the numbers shown. For example, it is conceivable to integrate more than the eight switching elements 709 to 716 shown in the circuit. Also, between the embedded modules 728 more than two electrical
  • Connections 727 may be present.
  • FIG. 7b shows a further embedding module 700b according to the invention, which substantially equals the module 700a, but the electrical connections 717 and 718 between in each case two module strands 701, 703 or 702, 704 each have a connection 725a, 725b or 726a, 726b on both sides of the module 700b form.
  • FIG. 8a shows a further embodiment of a device according to the invention
  • Module strand 820 having at least one connection, here with the
  • Terminals 813, 814 each with the positive and / or negative busbar 811, 812 of the modules 801, 831, 841 is connected.
  • module string 820 has in each case three identical embedded modules 810.
  • the embedding modules 801, 831, 841 are of their topology an M2SPC-4q module with eight switching elements 802 to 809.
  • the embedded modules 810 are different from the embedding modules 801 and have an M2SPC-2q module topology with four switching elements each and one Energy strand 821 on.
  • FIG. 8b shows a further embodiment of a device according to the invention
  • the embedding modules 851, 861, 871 are each an M2SPC-4q module as described in FIG. 8a. The respective ones
  • Module strands 830 of the embedding modules 851, 861, 871 are the same in each case.
  • At least one embedded module 815, 817 is configured to be electrically electrical with exactly one electrical terminal 818, 819 having a positive bus bar 811 and / or a negative bus bar 812 of an embedding module 851, 861, 871 connected is.
  • the embedded modules 815, 816, 817 each have at least one energy strand 822.
  • FIG. 9a shows a further embodiment of a device according to the invention
  • the module string 920 in the modules 901, 931 has three similar modules 915, which are each connected identically to one another and each have an energy strand 917.
  • the module string 921 of the module 941 has three similar modules 923, each having an energy strand 927. Likewise, the modules 915, 923 are different from each other.
  • the embedding modules 901, 931, 941 are M2SPC-4q modules, the embedded modules 915, 923 are M2SPC-2q modules.
  • FIG. 9b shows a further embodiment of a device according to the invention
  • the embedding modules 951, 961 have an M2SPC-4q topology and one module strand 955 or 956 with respective modules 952, 953, 954 and 957, 958, 959, respectively.
  • the modules 952, 953, 957, 958 and 954, 959 are different from each other, but essentially have an M2SPC-2q topology.
  • the embedded modules 952, 957 are each provided with two terminals 918 on a bus bar 911
  • Embedded modules 954, 959 are connected to a single bus bar 912 with only one terminal 919.
  • the embedded modules 952, 953, 954, 957, 958, 959 each have a power train.
  • FIGS. 8a, 8b, 9a, 9b use as embedded modules two-quadrant modules, for example M2C-2q or M2SPC-2q, and as embedding modules four-quadrant modules, for example M2C-4q or M2SPC-4q.
  • the total inverter is thus four quadrant capable, but saves almost half of the necessary semiconductors compared to a use exclusively of
  • Matroschka inverter For example, with only one or two nesting levels, it is possible to realize the Matroschka inverter according to the invention with regular embedding structure.
  • a regular structure of replica q embeds one
  • the q embedded modules can be self-embedding modules, each with embedded modules, or elementary modules, which themselves contain energy storage and no other embedded modules.
  • elementary modules and embedding modules can also be mixed.
  • Inverters thus provide the almost highest possible flexibility and each pair of two elementary modules of the converter can, regardless of how far this in the
  • Converter circuit are remote from each other and how many other modules are located in between, are interconnected directly. While for example, the M2SPC is capable of switching only individual modules in parallel with each other, the regular Matroschka converter can also switch any length of series-connected chains of modules, for example, two or more modules in parallel with each other.
  • FIGS. 4 to 9 b The modules and module strands presented in FIGS. 4 to 9 b are used for

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Umrichtersystem mit einer Mehrzahl ineinander verschachtelter Module mit mindestens zwei Verschachtelungsebenen, wobei mindestens ein einbettendes Modul einer ersten Verschachtelungsebene vorgesehen ist, das mindestens zwei elektrische Anschlüsse und einen Energiestrang aufweist, wobei der Energiestrang mindestens zwei miteinander verschaltete eingebettete Module einer mindestens zweiten nächst tieferen Verschachtelungsebene aufweist, sodass die Module ineinander eingebettet sind, wobei die Module jeweils eine Mehrzahl an Schaltelementen zum dynamischen Umschalten zwischen einer Mehrzahl an Schaltungszuständen zwischen mindestens zwei Modulen einer Verschachtelungsebene aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines erfindungsgemäßen elektrischen Umrichtersystems.

Description

Matroschka-Umrichter
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Umrichtersystem mit ineinander verschachtelten Einzelmodulen.
Elektrische Wechselstrommotoren, wie sie bspw. in Elektrofahrzeugen zur Anwendung kommen, benötigen üblicherweise einen Umrichter, der die von einer Batterie
bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. Konventionelle Umrichter in solchen Fahrzeugen verwenden sogenannte Brückenschaltungen, die Ausgangsklemmen abwechselnd mit einem positiven und einem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbinden. In jedem Schaltzustand wählen die Umrichter die Verweildauer so, dass im zeitlichen Mittel die geforderte Wechselspannung entsteht. Eine so erzeugte Wechselspannung weist jedoch eine niedrige Qualität und Verzerrung auf. Zusätzlich treten durch die Schaltvorgänge hohe Energieverluste auf. Weitere Nachteile treten in der elektromagnetischen Verträglichkeit auf, da die hochfrequenten
Schaltflanken, die durch das Umschalten entstehen, hohe Energien elektromagnetisch abstrahlen lassen. Außerdem sind für die Schaltungen teure Bauelemente notwendig, da diese jeweils für die Spitzenspannung ausgelegt werden müssen. Den genannten Problemen lässt sich mit modularen Multilevelumrichtern begegnen. Modulare Multilevelumrichter sind u.a. aus "A. Lesnicar, R. Marquardt (2003), An innovative modular multilevel Converter topology suitable for a wide power ränge, IEEE Power Tech Conference Proc, 3:6ff.", "M. Glinka, R. Marquardt (2005), A new AC/AC multilevel Converter family, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52:662-669" und "S. M. Goetz, A. V. Peterchev, Th. Weyh (2015), Modular multilevel Converter with series and parallel module Connectivity: topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1):203-215" bekannt. Ebenso sind elektrische Umrichtersysteme aus der DE 10 2011 108 920 AI und der DE 10 2010 052 934 AI bekannt. Modulare Multilevelumrichter erlauben die Ausgangsspannung für einen Verbraucher, wie einen elektrischen Wechselstrommotor, in kleinen Stufen zu erzeugen. Bei modularen Multilevelumrichtern werden Einzelmodule, die jeweils einen Energiespeicher und mehrere Schaltelemente aufweisen, mit Nachbarmodulen elektrisch verschaltet, wobei während des Betriebs die elektrische Verschaltung dynamisch frei veränderbar ist, sodass die Ausgangsspannung durch dynamisch wandelnde Seriell- und Parallelschaltung der Energiespeicher erzeugt wird. Die Einzelmodule stellen untereinander fest verdrahtete Kleinspannungsquellen dar, die in ihrer Spannung verändert und mit den anderen
Kleinspannungsquellen elektrisch verbunden werden können. Für die Einzelmodule sind eine Vielzahl an Anordnungen der Schaltelemente und des Energiespeichers entwickelt worden. Eine jeweilige Anordnung von Energiespeicher und den Schaltelementen wird als Mikrotopologie bezeichnet.
Jedoch können bisherige modulare Multilevelumrichter nur Nachbarmodule miteinander dynamisch verschalten. Eine beliebige Parallel- und Seriellschaltung der elektrischen Energiespeicher der Module ist dagegen nicht möglich, wenn der wichtige Vorteil, dass die Auslegungsspannung der einzelnen Bauelemente nur einen Bruchteil der gesamten Ausgangsspannung betragen muss, beibehalten wird. Dadurch entstehen Nachteile im Betrieb und im Verlustverhalten derartiger Schaltungen. Die Kettenstruktur der
Makrotopologie, in der Module bei den meisten Umrichtertechnologien aneinandergereiht werden, erzwingt zudem, dass der Laststrom eines Konverterarms, d.h. eines Strangs von Einzelmodulen, durch alle Module fließt, wodurch die Ohm'schen Verluste des Systems unnötig erhöht werden.
Eine Auslassung von Modulen, insbesondere bei der Parallelschaltung, so dass auch nicht benachbarte Module ihre elektrischen Energiespeicher untereinander elektrisch parallel schalten können, ohne dabei das ausgelassene Modul mit einschließen zu müssen, ist in keiner Technologie aus dem Stand der Technik möglich, ohne dabei die mögliche verminderte Spannungsfestigkeit eines Großteils der Bauelemente aufgeben zu müssen.
Auch können andere Funktionen, wie bspw. ein Energieausgleich nicht unmittelbar benachbarter Module, nicht oder nur mit hohem zusätzlichen Schaltungsaufwand realisiert werden. Des Weiteren wird dafür eine hohe Anzahl an üblicherweise verwendeten Halbleiterelementen benötigt, weil jedes Einzelmodul sämtliche
Schaltzustände bereitstellen muss. Auch die Steuerung großer Umrichter, die eine große Anzahl von Einzelmodulen aufweisen, stellt ein Problem dar, weil alle Module in der Regel von einer zentralen Steuerung angesteuert werden müssen.
Im Folgenden soll der Begriff„elektrischer Energiespeicher" auch elektrische
Energiequellen und Energiesenken einschließen, die sich von elektrischen
Energiespeichern lediglich davon unterscheiden, dass sie einen Betriebsbereich, entweder eine Energieaufnahme oder eine Energieabgabe, bevorzugt ermöglichen.
Ferner müssen die hier bezeichneten elektrischen Energiespeicher nicht
notwendigerweise ideal und daher verlustfrei sein, so dass die entnehmbare Energie geringer als die zuvor zugeführte sein kann.
Ein Stromrichter bezeichnet im Allgemeinen eine elektrische Schaltung, die elektrische Energie zwischen mehreren Eingängen transportieren kann und dabei die Möglichkeit zur Umformung von Strom- und/oder Spannungsparametern bietet. Dies beinhaltet insbesondere Gleichspannungswandler, Wechselrichter und Gleichrichter.
Eine Aufgabe, die von der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht u.a. darin, eine Parallelschaltung von nicht unmittelbar benachbarten Modulen zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit einem elektrischen Umrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
M2C (Modular Multilevel Converter), M2SPC (Modular Multilevel Serial-Parallel Converter) sowie Switched-Capacitor-Converter nutzen als Grundstruktur in der Regel eine serielle Verkettung von ähnlichen Teilschaltungen, die um weitere Elemente ergänzt werden kann, beispielsweise sich seriell anschließende Schaltungen, zur Grundstruktur parallele
Schaltungen oder unterschiedliche Knoten der Grundstruktur verbindende
Schaltungselemente. Der sich mindestens einmal wiederholende Teil der Schaltung, im Folgenden ohne Einschränkung der Allgemeinheit„Modul" bzw.„Einzelmodul" genannt, muss dabei nicht strukturell identisch wiederholt werden, verfügt jedoch über funktionale Ähnlichkeit. Eine solche Ähnlichkeit zweier Module ist in der Regel bereits gegeben, wenn beide mindestens zwei gleichartige sogenannte Schaltungsfunktionen oder
Schaltungszustände darstellen können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einer beliebigen bekannten Mikrotopologie eines Einzelmoduls bzw. Moduls ein Energiespeicher innerhalb dieser Mikrotopologie des Einzelmoduls durch ein weiteres Einzelmodul ersetzt. Dadurch wird eine Mehrebenenschaltung bekannter Einzelmodule ermöglicht. In anderen Worten werden Einzelmodule in Einzelmodule eingebettet bzw. ineinander verschachtelt. Die bekannten Modultopologien können dabei sowohl als einbettendes Modul als auch als eingebettetes Modul verwendet werden. Dadurch enthalten Einzelmodule bzw. Module nicht mehr lediglich einen Energiespeicher mit einem festen Verhalten, sondern eingebettete Module, die selbst dynamisch in ihren Eigenschaften verändert werden können. Dadurch wird eine deutlich höhere Flexibilität in der Verschaltung der
Energiespeicher der Einzelmodule erzeugt, ohne den Schaltungsaufwand bedeutend zu erhöhen. Damit liegt ein mehrdimensionales Umrichtersystem vor, wodurch sich nicht unmittelbar benachbarte Einzelmodule miteinander parallel schalten lassen.
Das erfindungsgemäße elektrische Umrichtersystem weist eine Mehrzahl ineinander verschachtelter Module mit einer beliebigen Anzahl Verschachtelungsebenen auf. Ein Modul der Mehrzahl an Modulen weist mindestens zwei Anschlüsse und einen
Energiestrang auf. Der Energiestrang weist mindestens einen Energiespeicher und/oder mindestens zwei Module auf, die einer nächst tieferen Verschachtelungsebene
angehören. Um eine Verschachtelung realisieren zu können, muss mindestens ein Modul der Mehrzahl an Modulen anstelle eines Energiespeichers im Energiestrang mindestens zwei in das mindestens eine Modul eingebettete Module umfassen. Mindestens zwei Module einer Verschachtelungsebene sind miteinander verschaltet. Dazu weisen die Module eine Mehrzahl an Schaltelementen auf, die zwischen einer Mehrzahl an Schaltungszuständen zwischen den mindestens zwei Modulen einer
Verschachtelungsebene dynamisch umschalten. Schaltungszustände in diesem Sinne sind bspw. Parallelschaltung, Seriellschaltung, Bypass-Schaltung und Passivschaltung bezüglich der Energiespeicher der jeweiligen Einzelmodule bzw. Module.
Als einbettende Module können alle bekannten Modulschaltungen, sogenannte
Mikrotopologien oder Modultopologien, von modularen Umrichtern, beispielsweise modularen Multilevelumrichtern wie dem M2C oder dem M2SPC sowie Switched- Capacitor-Umrichter verwendet werden. Für einbettende Module wird mindestens einer der elektrischen Energiespeicher durch eine Makrotopologie, die selbst mindestens zwei Module enthält, beispielsweise einen Strang von Modulen (Konverterarm, Modulstrang), ein Phasenmodul, oder eine Anzahl von miteinander verschalteten Phasenmodulen, ersetzt. Bevorzugte Modultypen für den einbettenden Umrichter (Matroschka-Umrichter) sind Zweiquadrantenmodule des M2C (im Folgenden kurz M2C-2q genannt),
Vierquadrantenmodule des M2C (oft auch als Chopper-Module bezeichnet, im Folgenden kurz M2C-4q), kurzschlussgesicherte M2C-Module (im folgenden kurz 4q-KGM2C) Vierquadrantenmodule des M2SPC (im Folgenden kurz M2SPC-4q),
Zweiquadrantenmodule des M2SPC (im Folgenden kurz M2SPC-2q), Marx-Umrichter- Module (im Folgenden kurz MaM), sowie diverse Switched-Capacitor-Module.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters ist ein
eingebettetes Modul einer tieferen Verschachtelungsebene mit genau einem elektrischen Anschluss mit einer positiven Stromschiene und/oder einer negativen Stromschiene eines Moduls einer höheren Verschachtelungsebene, d.h. einem einbettenden Modul elektrisch verbunden.
Die Schaltgeschwindigkeit des gesamten Systems kann durch die Schaltelemente der eingebetteten Module bereitgestellt werden. Dadurch können die Schaltelemente der Module höherer Verschachtelungsebenen langsamere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen als die Schaltelemente von Modulen tieferer Verschachtelungsebenen. Die höchste Spannung, die in einem Modul auftritt, beträgt im Wesentlichen die Summe der Spannungen aller elektrischen Energiespeicher der direkt eingebetteten und über mehrere Ebenen tiefer eingebetteten Module. Daraus folgt, dass in einer
Ausführungsform die Schaltelemente in tieferen Verschachtelungsebenen eingebetteter Module eine niedrigere Spannungsfestigkeit aufweisen können, als die Schaltelemente von Modulen höherer Verschachtelungsebenen.
Wie erwähnt können bisher bekannte Modultopologien aus der modularen
Multileveltechnologie als einbettende und/oder eingebettete Module verwendet werden. Dabei können verschiedene Varianten auftreten. So können in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters die einbettenden Module als auch die eingebetteten Module jeweils die gleiche Topologie aufweisen, wobei das Modul in der tiefsten
Verschachtelungsebene in der Regel ein sogenanntes Elementarmodul ist, das in seinem Energiestrang keinen zusätzlichen eingebetteten Modulstrang aufweist, sondern nur mindestens einen Energiespeicher.
Alternativ können in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters auch die einbettenden Module eine Topologie aufweisen, die von der Topologie der eingebetteten Module unterschiedlich ist, wobei auch hier das Modul in der tiefsten Verschachtelungsebene in der Regel ein sogenanntes Elementarmodul ist, das keinen zusätzlichen eingebetteten Modulstrang aufweist, sondern nur mindestens einen
Energiespeicher.
Als weitere Alternative können in einer noch weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Umrichters auch die Module eines Modulstrangs einer
Verschachtelungsebene jeweils unterschiedliche Topologien aufweisen, wobei auch hier das Modul in der tiefsten Verschachtelungsebene in der Regel ein sogenanntes
Elementarmodul ist, das keinen zusätzlichen eingebetteten Modulstrang aufweist, sondern nur mindestens einen Energiespeicher. Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines elektrischen
Umrichtersystems vorgeschlagen, bei dem eine elektrische Schaltung mit mindestens zwei Verschachtelungsebenen verwendet wird, wobei mindestens ein einbettendes Modul einer ersten Verschachtelungsebene dazu verwendet wird, mindestens einen
Energiestrang auszubilden, bei dem mindestens zwei eingebettete Module einer mindestens zweiten nächst tieferen Verschachtelungsebene miteinander verschaltet werden, sodass die Module ineinander eingebettet werden, wobei bei den Modulen mindestens zwei Anschlüsse und eine Mehrzahl an Schaltelementen verwendet werden, um zwischen einer Mehrzahl an Schaltungszuständen zwischen mindestens zwei Modulen einer Verschachtelungsebene dynamisch umgeschaltet werden kann.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in höheren
Verschachtelungsebenen Schaltelemente verwendet, die langsamere
Schaltgeschwindigkeiten aufweisen, als Schaltelemente, die in tieferen
Verschachtelungsebenen verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in tieferen Verschachtelungsebenen Schaltelemente verwendet, die eine niedrigere
Spannungsfestigkeit aufweisen, als Schaltelemente, die in höheren
Verschachtelungsebenen verwendet werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in höheren Verschachtelungsebenen nicht kommutierungsfähige Schaltelemente verwendet. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Modul verwendet, bei dem der mindestens eine Energiestrang mindestens einen
Energiespeicher aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Modul verwendet, bei dem der mindestens eine Energiestrang lediglich mindestens einen Energiespeicher aufweist. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
Fig. la zeigt eine Umrichterschaltung aus dem Stand der Technik, Fig. lb zeigt einen beispielhaften Modulstrang aus dem
Stand der Technik.
Fig. lc und Fig. ld stellen Modultopologien verschiedener modularer
Multileverumrichter-Varianten dar.
Fig. le zeigt eine beispielhafte Verschaltung zweier Module.
Fig. lf zeigt eine Verschaltung mehrerer Module zu einem Modulstrang und eine Verschaltung mehrerer Modulstränge mit vier elektrischen
Anschlüssen.
Fig. lg zeigt eine Verschaltung mehrerer Modulstränge mit fünf
elektrischen Anschlüssen. Fig. lh zeigt eine Matrixverschaltung zwischen sechs elektrischen
Anschlüssen. Fig. 2a und 2b zeigen beispielhafte Makrotopologien für einen modularen
Multilevelumrichter mit serieller und paralleler Schaltvariante. Fig. 2c zeigt beispielhafte Arten von elektrischen Anschlüssen.
Fig. 2d zeigt drei beispielhafte Mikrotopologien für die Anwendung in
einem modularen Multilevelumrichter mit serieller und paralleler Schaltvariante.
Fig. 2e zeigt eine beispielhafte Verschaltung von M2SPC-Modulen zu
einem Konverterarm.
Fig. 3 zeigt typische Switched-Capacitor-Umrichterschaltungen aus dem
Stand der Technik.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Moduls eines
erfindungsgemäßen elektrischen Umrichtersystems. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Moduls eines
erfindungsgemäßen elektrischen Umrichtersystems.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Umrichtersystems mit zwei miteinander verschalteten einbettenden Modulen.
Fig. 7a und 7b zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Umrichtersystems, bei dem ein Modul mehr als einen Modulstrang aufweist. Fig. 8a und 8b zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Umrichtersystems mit einbettenden und eingebetteten Modulen.
Fig. 9a und 9b zeigen noch weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Umrichtersystems mit einbettenden und eingebetteten Modulen.
Das erfindungsgemäße elektrische Umrichtersystem nutzt einen dynamischen Wechsel der elektrischen Verschaltung von elektrischen Energiespeichern, wie beispielsweise Induktivitäten, Kondensatoren und Batteriezellen oder Energiequellen zur Erzeugung variabler Ausgangsspannungen und/oder zum Transfer von Energie zwischen den genannten
elektrischen Energiespeichern oder Energiequellen. Daher betrifft das erfindungsgemäße Umrichtersystem auch sogenannte M2C-, M2SPC- und Switched-Capacitor-Schaltungen. M2C- und M2SPC-Schaltungen sind modulare Multilevelumrichterschaltungen, wobei M2SPC-Schaltungen eine serielle und parallele Schaltvariante der elektrischen
Energiespeicher ermöglichen. Die genannten Schaltungen sind modular ausgelegt, d.h. sie bestehen aus mehreren miteinander verschalteten Modulen, wobei die Module üblicherweise einen elektrischen Energiespeicher und mindestens ein elektronisches Schaltelement umfassen. Durch geeignete Aktivierung der Schaltelemente der einzelnen Module lassen sich die Energiespeicher mit anderen Modulen, in der Regel den Nachbarn, elektrisch in Serie und/oder elektrisch parallel verbinden und/oder von anderen Modulen elektrisch trennen. Je nach Ausführungsform der Module kann diese elektrische
Verbindung individuell für die jeweiligen Energiespeicher vorgenommen werden.
Figur la zeigt eine Umrichterschaltung aus dem Stand der Technik, deren Grundprinzip aus der Verschaltung ähnlicher Module 101 basiert, darunter insbesondere der M2C, der M2SPC, sowie Abwandlungen und Weiterentwicklungen dieser beiden grundlegenden Technologien durch Verwendung von alternativen Modulschaltungen, sogenannten Mikrotopologien, die entweder sortenrein oder miteinander kombiniert einen modularen Umrichter bilden. Die in Figur la gezeigte Schaltung weist mehrere Anschlüsse 102, 103, 104 auf, an denen weitere Schaltungskomponenten oder Module angebunden werden können. Eine Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Modulen 101 wird als Modulstrang 105 bzw. Konverterarm bezeichnet. Die Einzelmodule 101 bzw. die
Modulstränge 105 sind über elektrische Verbindungen 107 miteinander verbunden. Mehrere Modulstränge 105 werden als Phasenmodul 106 bezeichnet.
Figur lb zeigt in vergrößerter Ansicht einen Modulstrang 120 mit mehreren Modulen 101 und zwei Anschlüssen 102, 103. Ein Modulstrang besteht aus mindestens zwei einzelnen über elektrische Verbindungen 107 miteinander verschalteten Modulen 101. Eine obere Grenze ist dabei nicht gesetzt, sondern ergibt sich üblicherweise aus den Anforderungen der Schaltung.
Die Figuren lc und ld zeigen sogenannte Mikrotopologien. Mikrotopologien bezeichnen die internen Schaltungen von einzelnen Modulen. Die gezeigten Mikrotopologien stellen verschiedene M2C Varianten dar. Bei M2C-Schaltungen kann der elektrische
Energiespeicher 142, 144, 146 mit entsprechenden elektrischen Energiespeichern eines benachbarten Moduls entweder in Serie geschaltet werden oder aus der Schaltung heraus genommen werden. Die oberste Schaltung in der Figur lc weist die
Schaltelemente 153, 154, 155, 156 auf, die jeweils einen Transistor und eine Diode umfassen, und ermöglicht somit eine sogenannte Vierquadrantenschaltung, bei der an den Anschlüssen 147, 148 zwischen zwei Polaritäten umgeschaltet werden kann. Die mittlere und die untere Schaltung zeigen sogenannte Zweiquadrantenschaltungen, bei denen durch Umschalten der jeweiligen Schaltelemente 157, 158 bzw. 159, 160 an den jeweiligen Anschlüssen 149 bzw. 151 immer nur eine Polarität anliegen kann. Weiterhin weisen die Mikrotopologien beispielsweise Dämpfungselemente 141 , 143, 145 auf.
Figur ld zeigt eine weitere Mikrotopologie einer M2C-Schaltung mit zwei elektrischen Energiespeichern 172 und mehreren Schaltelementen 183, 184, 185, 186, 187 sowie den Anschlüssen 177, 178. Figur le zeigt eine Verschaltung von zwei Mikrotopologien. Die jeweiligen Module weisen jeweils einen Kondensator 192, 193 auf, sowie jeweils vier Dämpfungselemente 194. Der mit gestrichelter Linie umrahmte Teil der Verschaltung wird dabei als Halbbrücke 191 bezeichnet. Weiterhin weisen die gezeigten Mikrotopologein Dioden 195, 197 und Transistoren bzw. Schaltelemente 196, 198 auf.
Die Figuren lf und lg zeigen jeweils eine Makrotopologie. Eine Makrotopologie bezeichnet eine Verschaltung mehrerer Module bzw. Modulstränge 200 miteinander. Die Module bzw. Modulstränge 200 sind über elektrische Verbindungen 210 miteinander verbunden. Die in Figur lf gezeigte Makrotopologie weist vier elektrische Anschlüsse a, b, A, B auf, die beispielsweise, aber nicht ausschließlich, zwei Anschlusspaare a, b und A, B bilden können, von welchen jedes Paar (a, b), (A, B) einen Gleichstrom- und/oder Wechselstromanschluss, für bspw. mindestens einen elektrischen Verbraucher, mindestens ein elektrisches Netz oder mindestens eine elektrische Maschine bilden kann.
Die in Figur lg gezeigte Makrotopologie weist elektrische Anschlüsse a, b, c, A, B auf, die beispielsweise einem Anschlusspaar A, B und einem Dreiphasenanschluss a, b, c zugeordnet werden können. Ferner können auch mehr als fünf elektrische Anschlüsse gebildet werden.
Figur lh zeigt eine Matrixverschaltung zwischen sechs elektrischen Anschlüssen a, b, c, A, B, C, wobei zwei dieser Anschlüsse über jeweils mindestens einen Modulstrang 200 verbunden sind. Die Module bzw. Modulstränge 200 sind über elektrische Verbindungen 210 miteinander verbunden. In sogenannten Sparse-Matrix-Umrichtern werden einige dieser Verbindungen zwischen jeweiligen Anschlüssen eingespart.
Die Figuren 2a und 2b zeigen beispielhafte Makrotopologien für M2SPC-Module, wobei die Figur 2b eine Erweiterung der Topologie aus der Figur 2a ist. M2SPC-Module ermöglichen eine Seriellschaltung und eine Parallelschaltung jeweiliger Energiespeicher benachbarter Module. Die Makrotoplogien weisen Module 201 , 220 auf, wobei eine Hintereinanderschaltung mehrerer Module 201 , 220 einen Modulstrang 207, 208 bilden, die zu einem Phasenmodul 209 zusammengefasst werden können. Zwischen jeweils zwei Modulsträngen 207, 208 ist jeweils ein Anschluss 203, 221 , 222, 223, 224 gebildet. Die in den Figuren la und lf bis lh gezeigten Makrotopologien können hier ebenfalls eingesetzt werden, wenn die elektrischen Verbindungen 107 bzw. 210 zwischen den Modulen 101 bzw. Modulsträngen 105 bzw. 200 auf zwei elektrische Verbindungen erweitert würden, wie bspw. in der Figur 2b die elektrischen Verbindungen 227, 228 zwischen den M2SPC-Modulen 201. Zusätzlich weist die Makrotopologie der Figur 2b Anschlüsse 225 und 226 auf. Figur 2c zeigt lediglich auf welche Arten elektrische Anschlüsse 204, 205, 206 gebildet werden können. Der Anschluss 204 kann dabei auch in den Ausführungsformen 205 oder 206 vorliegen.
Die Figur 2d zeigt drei beispielhafte M2SPC-Mikrotopologien des Standes der Technik. Die Topologien weisen jeweils einen Energiespeicher 302, 304, 306 auf sowie die Schaltelemente 313 bis 328. Jedes Modul weist auf jeder Seite jeweils zwei Anschlüsse 307, 308, 309, 310 und jeweils ein beispielhaftes Dämpfungselement 301, 303, 305 auf. Die gezeigten Topologien stellen Stand der Technik dar und können in einem erfindungsgemäßen Umrichtersystem eingesetzt werden.
Die Figur 2e zeigt eine beispielhafte Verschaltung von mehreren Modulen zu einem Modulstrang. Der Modulstrang weist u.a. die Anschlüsse 340, 341 auf, die mit einem benachbarten Modul verbunden werden können. Ein Modul weist einen Energiespeicher 330, wie bspw. einen Kondensator, sowie die Schaltelemente 331 bis 338, die eine Vierquadrantenschaltung des M2SPC-Moduls (M2SPC-4q) ermöglichen, auf.
Die Figur 3 stellt typische Switched-Capacitor-Umrichter aus dem Stand der Technik dar. Diese Schaltungen verfügen in der Regel ebenso über eine gewisse Modularität durch Wiederholen ähnlicher Teilschaltungen 350, 355, 360, 365. Die gezeigten
Teilschaltungen bzw. Module 350, 355, 360, 365 weisen jeweils mindestens einen Energiespeicher 351 und jeweils mindestens zwei Schaltelemente 352 auf. Die in den voranstehenden Figuren gezeigten Mikrotopologien des Standes der Technik können für ein erfindungsgemäßes elektrisches Umrichtersystem herangezogen werden. Ebenso kann eine Mikrotopologie, wie sie in der Patentanmeldung der gleichen
Anmelderin mit dem Titel„Einzelmodul, elektrisches Umrichtersystem und
Batteriesystem", die am gleichen Tag eingereicht wurde, vorgestellt wird, für ein erfindungsgemäßes Umrichtersystem herangezogen werden.
In Figur 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen einbettenden Moduls 400 des erfindungsgemäßen Umrichtersystems gezeigt. Die bisherige eindimensionale Modulmakrotopologie wird um mindestens eine Ebene als mindestens eine zusätzliche Verschachtelungsebene erweitert. Diese mindestens eine zusätzliche
Verschachtelungsebene bildet sich durch die Einführung von einbettenden Modulen 400 (sog. nesting modules), die bisher bekannten Modulen insofern gleichen, dass sie mithilfe einer Mehrzahl an Schaltelementen 408, 409, 410, 411 , 412, 413, 414, 415 ebenso Modulzustände einnehmen und mindestens zwei interne Leistungsschienen 416, 417 in unterschiedlichen Alternativen mit den äußeren Anschlüssen bzw. Modulterminals 418, 419 verbinden können, und dadurch zwischen mindestens zwei Modulen einer
Verschachtelungsebene dynamisch umschalten können. Sie unterscheiden sich jedoch von ihren jeweils ähnlichsten bekannten Modulen aus dem Stand der Technik, da sie anstelle mindestens eines elektrischen Energiespeichers selbst mindestens einen Modulstrang 401 (Konverterarm) aus mindestens zwei Modulen 406 (sogenannten eingebetteten Modulen, auch nested modules) beinhalten. Jedes Modul 400, 406 kann dabei sowohl ein konventionelles Modul, das mindestens einen elektrischen
Energiespeicher umfasst, oder ein einbettendes Modul 400, das anstelle mindestens eines elektrischen Energiespeichers erneut einen Modulstrang 401 bzw. Konverterarm enthält, sein. Die Anzahl der Ebenen in einigen oder allen einbettenden Modulen 400 kann entsprechend den technischen Anforderungen beliebig erhöht werden. Durch den Modulstrang 401 werden in das Modul 400 weitere Module 406 eingebettet. Das Modul 400 stellt dabei eine erste, hier höchste Verschachtelungsebene dar, während die Module 406 des Modulstrangs 401 eine nächst tiefere Verschachtelungsebene bilden. Der Modulstrang 401 weist eine Mehrzahl an Modulen 406 auf, die über mindestens zwei elektrische Verbindungen 407 miteinander verbunden sind. Die eingebetteten Module 406 können wiederum die Topologie des einbettenden Moduls 400 aufweisen, mit einem weiteren Modulstrang 401 der weitere Module 406 einbettet, sodass eine weitere tiefere Verschachtelungsebene gebildet wird. Der Modulstrang 401 bzw. ein Zweig mit einem Energiespeicher anstelle des Modulstrangs 401 bildet den Energiestrang des Moduls 400. Um eine Parallelschaltung von Modulen 400, die nicht direkt benachbart sind, zu ermöglichen, sind mindestens zwei elektrische Verbindungen 407 zwischen den Modulen 406 notwendig, wobei jedoch auch mehr als zwei elektrische Verbindungen 407 vorhanden sein können. Die Schaltelemente 408 bis 415 sind paarweise als Halbbrücken 402 bis 405 ausgebildet, wobei diese Halbbrücken optional sind. Auch die Dioden in den Schaltelementen 408 bis 415 sind optional. Soll beispielsweise nur eine Umpolung der Polarität an den Anschlüssen 418, 419 im Sinne einer Zweiquadrantenschaltung stattfinden, sind für die Schaltelemente 408 bis 415 einfache elektrische Schalter, die nicht notwendigerweise Halbleiterschaltelemente sind, ausreichend. Die maximal notwendige Spannungsfestigkeit jedes Schaltelements 408 bis 415 ist aufgrund der gewählten Struktur des Schaltelements 408 bis 415 nach oben beschränkt und kann entsprechend weit unterhalb der Spannung an den Anschlüssen 418, 419 des Umrichters liegen. Wenn alle Modulschaltzustände der eingebetteten Module 406 erlaubt sein sollen, beträgt die höchste Spannung und damit die nötige Spannungsfestigkeit der in der gezeigten Ausführungsform verwendeten Halbleiter für das entsprechende einbettende Modul 400 die Summe der Spannungen aller elektrischen Energiespeicher der direkt eingebetteten Module 406 und über mehrere Ebenen tiefer eingebetteter Module 406. Obwohl die benötigte Spannungsfestigkeit für Schaltelemente in
einbettenden Modulen 400 in der Regel höher sein muss als in den zugehörigen eingebetteten Modulen 406 und die nötige Spannungsfestigkeit folglich steigt, je höher man in den Verschachtelungsebenen nach oben zu den obersten einbettenden Modulen 400 geht, bietet das erfindungsgemäße Umrichtersystem diverse Vorteile, die trotzdem zu niedrigeren Anforderungen an die Halbleiter in einbettenden Modulen 400 und damit im Gesamtsystem zu niedrigeren Halbleiterkosten führen. Der einbettende Umrichter, von der Anmelderin als Matroschka-Umrichter bezeichnet, bietet den Vorteil, dass die Schaltelemente 408 bis 415 der einbettenden Module 400 bzw. von Modulen auf weiteren höheren Verschachtelungsebenen verlustarm mit sogenanntem Zero-Voltage-Switching oder Zero-Current-Switching betrieben werden können. Ferner können die Schaltelemente 408 bis 415 der einbettenden Module 400 sehr langsame Schaltgeschwindigkeiten, weit unter jenen von eingebetteten Modulen 406 in einer tieferen Verschachtelungsebene, aufweisen, ohne die Geschwindigkeit des Gesamtsystems zu beeinträchtigen. Unter besonderen Bedingungen müssen die
Schaltelemente von einbettenden Modulen 400 oder von Modulen auf weiteren höheren Verschachtelungsebenen nicht kommutierungsfähig sein. Dies trifft beispielsweise auf Thyristoren zu, die nicht in der Lage sind, einen Stromfluss zu unterbrechen.
Alle drei Optionen werden durch eine geeignete Ansteuerung der Module 400, 406, insbesondere der jeweiligen eingebetteten Module 406 erreicht. Die Schaltelemente 408 bis 415 der einbettenden Module 400 können eine niedrigere Schaltgeschwindigkeit als die Schaltelemente der eingebetteten Module 406 aufweisen und damit deutlich die Kosten reduzieren, da die Schaltgeschwindigkeit des gesamten Systems durch die Schaltelemente der eingebetteten Module 406 bereitgestellt werden kann. Ebenso wie die notwendige Spannungsfestigkeit von der tiefsten Verschachtelungsebene nach oben bzw. außen hin ansteigt, sinkt die notwendige Schaltgeschwindigkeit, ohne im Ergebnis an Dynamik im Gesamtsystem zu verlieren. Die Steuerung eines solchen Systems führt entsprechend alle notwendigen schnellen Schaltvorgänge mit eingebetteten Modulen 406 und deren Schaltelementen durch. Die Schaltelemente 408 bis 415 der einbettenden Module 400 lassen die Steuerung dagegen lediglich seltenere Schaltvorgänge ausführen. Auf höheren Verschachtelungsebenen können dementsprechend langsame
Schaltelemente 408 bis 415 wie beispielsweise insulated-gate bipolar transistors (IGBT), gate-turn-off thyristors (GTO) oder sogar mechanische Schaltelemente wie Relais eingesetzt werden. Der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung (forward voltage drop) von IGBT, GTO und dergleichen (in der Regel aufgrund deren pn-Übergängen) ist dabei unbedeutend, da für einbettende Module 400 einer oberen bzw. äußeren Ebene selbst bei ungünstigen Schaltzuständen nur sehr wenige Halbleiter im Strompfad in Serie liegen.
So lange der Ladungszustand der eingebetteten Module 406 ausreichend hoch ist, können einbettende Module 400 höherer Verschachtelungsebenen nicht
kommutierungsfähige Schaltelemente verwenden. Die eingebetteten Module 406 können gemeinsam den Strom des einbettenden Moduls 400 kommutieren, sodass die nicht kommutierungsfähigen Schaltelemente in den sperrenden Zustand gelangen.
Anschließend kann das einbettende Modul 400 einen neuen Schaltzustand einnehmen.
Wenn die Stromrichtung zu dem Zeitpunkt, in dem der Schaltzustand des einbettenden Moduls 400 geändert und somit dessen Strom kommutiert werden muss, so gerichtet ist, dass die entsprechenden eingebetteten Module 406 aufgeladen werden, muss die von den eingebetteten Modulen 406 gebildete Gesamtspannung so lange von der Steuerung erhöht werden, bis der Strom kommutiert ist und folglich erlischt. Dies wird die Steuerung in der Regel durch ein Umschalten von eingebetteten Modulen 406 von einem Bypass- oder von einem Parallelzustand in einen Seriellzustand erreichen.
Wenn die Stromrichtung so gerichtet ist, dass die entsprechenden eingebetteten Module 406 entladen werden, muss die von den einbettenden Modulen 400 gebildete
Gesamtspannung so lange verringert werden, bis die Kommutierung erreicht ist und der Strom folglich erlischt. Dies wird die Steuerung in der Regel durch ein Umschalten von eingebetteten Modulen 406 von einem Seriellzustand in einen Bypass- oder
Parallelzustand erreichen.
In Folge einer solchen Regelung können nicht kommutierungsfähige Schaltelemente, wie beispielsweise Thyristoren oder Triacs, verwendet werden. Die nötige Kommutierung wird folglich durch eine Art Gegenspannung der eingebetteten Module 406, die den Strom erlöschen lässt, erreicht. Thyristoren als monodirektionale, das heißt nur in eine Richtung leitende Schaltelemente, können entweder mit antiparallelen Thyristoren oder Dioden ergänzt werden. Antiparallele Thyristoren bieten den Vorteil, dass das entsprechende Schaltelement in beide Richtungen steuerbar gestaltet ist. Beim Einsatz nicht kommutierungsfähiger Schaltelemente in einbettenden Modulen 400 kann es
gegebenenfalls vorteilhaft sein, entsprechende Schaltelemente mit geringem Reverse- Recovery-Effekt zu verwenden. Dadurch wird die Zeit, die gewartet werden muss, bis die Kommutierung erfolgt und der Strom erloschen ist, deutlich verringert.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen einbettenden Moduls 500 des erfindungsgemäßen Umrichtersystems. Dabei bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile, jedoch gegenüber der Figur 4 um 100 erhöht. Zusätzlich weist das erfindungsgemäße Umrichtersystem vier zusätzliche Anschlüsse 520, 521 , 522, 523 auf. Damit stellt diese Ausführungsform ein allgemeines einbettendes Modul 500 des erfindungsgemäßen Umrichtersystem dar, aus dem durch Weglassen von einzelnen Elementen alle anderen, ggf. nachstehend noch zu zeigende
Ausführungsformen, abgeleitet werden können.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichtersystems mit zwei verschalteten einbettenden Modulen 600a, 600b, die die Topologie des Moduls 500 aus der Figur 5 aufweisen. Die Anschlüsse 619 des Moduls 600a sind dabei mit den
Anschlüssen 619 des Moduls 600b verbunden. Der Anschluss 622 des Moduls 600a ist mit dem Anschluss 623 des Moduls 600b verbunden.
Figur 7a zeigt eine weitere Ausführungsform eines einbettenden Moduls 700a des erfindungsgemäßen Umrichtersystems, mit vier Modulsträngen 701 , 702, 703, 704, die jeweils aus mindestens zwei eingebetteten Modulen 728 bestehen. Zwischen zwei Modulsträngen 701 , 703 und 702, 704 sind elektrische Anschlüsse 717 bzw. 718 eingefügt, die jeweils einen weiteren Anschluss 725 bzw. 726 des einbettenden Moduls 700a auf jeweils einer Seite bilden. Die übrige Topologie ist gleich der Topologie des Moduls 500 aus der Figur 5 mit acht Schaltelementen 709 bis 716, wovon ein Paar jeweils Halbbrücken 705 bis 708 mit den Anschlüssen 723, 724 bildet, und den Anschlüssen 719 bis 722 an den Stromschienen. Die Anzahl der Bauelemente ist nicht auf die gezeigten Anzahlen beschränkt. Beispielsweise ist es vorstellbar auch mehr als die gezeigten acht Schaltelemente 709 bis 716 in die Schaltung zu integrieren. Auch können zwischen den eingebetteten Modulen 728 mehr als zwei elektrische
Verbindungen 727 vorhanden sein.
Die Figur 7b zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes einbettendes Modul 700b, das im Wesentlichen dem Modul 700a gleicht, wobei jedoch die elektrischen Anschlüsse 717 und 718 zwischen jeweils zwei Modulsträngen 701 , 703 bzw. 702, 704 jeweils einen Anschluss 725a, 725b bzw. 726a, 726b auf beiden Seiten des Moduls 700b bilden.
Figur 8a zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Umrichtersystems, bei dem drei einbettende Module 801 , 831 , 841 miteinander verschaltet sind, wobei jedes einbettende Modul 801 , 831 , 841 jeweils einen
Modulstrang 820 aufweist, der mit mindestens einem Anschluss, hier mit den
Anschlüssen 813, 814 jeweils mit der positiven und/oder negativen Stromschiene 811 , 812 der Module 801 , 831 , 841 verbunden ist. Der Modulstrang 820 weist in der gezeigten Ausführungsform jeweils drei gleichartige eingebettete Module 810 auf. Die einbettenden Module 801 , 831 , 841 sind von ihrer Topologie her ein M2SPC-4q Modul mit acht Schaltelementen 802 bis 809. Die eingebetteten Module 810 sind von den einbettenden Modulen 801 unterschiedlich und weisen eine M2SPC-2q-Modultopologie mit jeweils vier Schaltelementen und einem Energiestrang 821 auf.
Die Figur 8b zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Umrichtersystems, bei dem der Modulstrang 830 drei voneinander verschiedene eingebettete Module 815, 816, 817 aufweist. Die einbettenden Module 851 , 861 , 871 sind jeweils ein wie in Figur 8a beschriebenes M2SPC-4q Modul. Die jeweiligen
Modulstränge 830 der einbettenden Module 851, 861 , 871 sind jeweils gleich.
Mindestens ein eingebettetes Modul 815, 817 ist so ausgeführt, dass es mit genau einem elektrischen Anschluss 818, 819 mit einer positiven Stromschiene 811 und/oder einer negativen Stromschiene 812 eines einbettenden Moduls 851 , 861 , 871 elektrisch verbunden ist. Die eingebetteten Module 815, 816, 817 weisen jeweils mindestens einen Energiestrang 822 auf.
Die Figur 9a zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Umrichtersystems, bei dem die jeweiligen Modulstränge 920 der einbettenden Module 901 und 931 gleich sind, der Modulstrang 921 des Moduls 941 jedoch davon
unterschiedlich ist. Der Modulstrang 920 in den Modulen 901 , 931 weist drei gleichartige Module 915 auf, die jeweils gleichartig miteinander verbunden sind und jeweils einen Energiestrang 917 aufweisen. Der Modulstrang 921 des Moduls 941 weist drei gleichartige Module 923 auf, die jeweils einen Energiestrang 927 aufweisen. Ebenso sind auch die Module 915, 923 voneinander unterschiedlich. Die einbettenden Module 901 , 931, 941 sind M2SPC-4q Module, die eingebetteten Module 915, 923 sind M2SPC-2q Module. Die Figur 9b zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Umrichtersystems mit zwei miteinander verschalteten einbettenden Modulen 951 , 961. Die einbettenden Module 951 , 961 weisen eine M2SPC-4q Topologie auf und jeweils einen Modulstrang 955 bzw. 956 mit jeweiligen Modulen 952, 953, 954 bzw. 957, 958, 959. Die Module 952, 953, 957, 958 und 954, 959 unterscheiden sich voneinander, weisen jedoch im Wesentlichen eine M2SPC-2q Topologie auf. Die eingebetteten Module 952, 957 sind mit jeweils zwei Anschlüssen 918 an einer Stromschiene 911
angeschlossen. Die eingebetteten Module 954, 959 sind mit nur einem Anschluss 919 an einer anderen Stromschiene 912 angeschlossen. Die eingebetteten Module 952, 953, 954, 957, 958, 959 weisen jeweils einen Energiestrang auf.
Die in den Figuren 8a, 8b, 9a, 9b gezeigten Ausführungsformen verwenden als eingebettete Module Zweiquadrantenmodule, beispielsweise M2C-2q oder M2SPC-2q, und als einbettende Module Vierquadrantenmodule, beispielsweise M2C-4q oder M2SPC- 4q. Der Gesamtumrichter ist damit vierquadrantenfähig, spart jedoch nahezu die Hälfte der notwendigen Halbleiter gegenüber einem Einsatz ausschließlich von
Vierquadrantenmodulen ein. Diese Einsparung ohne Verlust von wichtigen Funktionen ist möglich, da Einbettungen von Vierquadrantenmodulen in Vierquadrantenmodule zusätzlich lediglich eine Invertierung der Polarität auf mehreren Ebenen erlaubt, mehrfache
Invertierung ähnlich einer ganzzahligen Potenz von (-1) jedoch redundant ist und das Ergebnis mit einer einzelnen Polaritätsinvertierungsmöglichkeit erreicht werden kann. Vorzugsweise wird diese Polaritätsinvertierungsmöglichkeit zur Einsparung von
Halbleitern auf der höchsten Ebene der Einbettung bereitgestellt und dort mit
Vierquadrantenmodulen implementiert, da diese Module in geringerer Anzahl vorliegen. Ohne prinzipielle Einschränkung kann die Möglichkeit zu Polaritätswechseln auch in Modulen in einer tieferen Verschachtelungsebene und auch in Elementarmodulen implementiert werden.
Neben einer unregelmäßigen Einbettung mit geringer Verschachtelungstiefe,
beispielsweise mit nur ein oder zwei Verschachtelungsebenen, besteht die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Matroschka-Umrichter mit regelmäßiger Einbettungsstruktur zu realisieren. Eine regelmäßige Struktur der Replizität q bettet beispielsweise eine
Ansammlung von q Modulen in ein übergeordnetes einbettendes Modul ein. Die q eingebetteten Module können sowohl selbst einbettende Module mit je q eingebetteten Modulen sein oder Elementarmodule, die selbst einen Energiespeicher und keine weiteren eingebetteten Module enthalten. Als Sonderfall können auch Elementarmodule und einbettende Module gemischt werden. Die Ordnung r dieses regelmäßigen Matroschka- Umrichters, das bedeutet die maximale Anzahl der Ebenen von der äußersten Ebene bis zu einer innersten Ebene mit einem Elementarmodul, kann gemäß der physikalischen und technischen Anforderungen an Abgabeleistung, Verlustleistung, Ausfallsicherheit u.dgl., gewählt werden. Für q = 2 ergibt sich eine Struktur, in der jedes Elementarmodul mit jedem anderen in den von entweder dem einbettenden oder den eingebetteten
Modultopologien bereitgestellten Schaltzuständen (beispielsweise den Parallelzustand beim M2SPC) elektrisch verbunden geschaltet werden kann. Für q = 2 bietet ein
Umrichter somit die nahezu höchste mögliche Flexibilität an und jedes Paar von zwei Elementarmodulen des Konverters kann, ungeachtet, wie weit diese in der
Umrichterschaltung voneinander entfernt sind und wie viele andere Module sich dazwischen befinden, unmittelbar miteinander verschaltet werden. Während beispielsweise der M2SPC nur Einzelmodule untereinander parallel zu schalten vermag, kann der regelmäßige Matroschka-Umrichter auch jede beliebige Länge von in sich seriell verbundenen Ketten von Modulen, beispielsweise zwei oder mehr Module, miteinander parallel schalten.
Für höhere q schränken sich die Verschaltungsmöglichkeiten geringfügig ein und es kann nicht mehr jedes Elementarmodul mit jedem anderen direkt verschaltet werden.
Die in den Figuren 4 bis 9b vorgestellten Module und Modulstränge dienen der
Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und können alleinstehend oder in Kombination dafür verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Umrichtersystem mit einer Mehrzahl ineinander verschachtelter Module 5 (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 810, 815, 816, 817,
831, 841, 851, 861, 871, 901, 915, 923, 931, 941, 951, 952, 953, 954, 957, 958, 959, 961) mit mindestens zwei Verschachtelungsebenen, wobei mindestens ein einbettendes Modul (400, 500, 600a, 600b, 700a, 700b, 801, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 931, 941, 951, 961) einer ersten Verschachtelungsebene vorgesehen ist, 10 das mindestens zwei elektrische Anschlüsse (418, 419, 518, 519, 520, 521, 522, 523, 618, 619, 620, 621, 622, 623, 719, 720, 721, 722, 723, 724, 725, 725a, 725b, 726, 726a, 726b) und einen Energiestrang (401, 501, 601, 701, 702, 703, 704, 820,
830, 920, 921, 955, 956) aufweist, wobei der Energiestrang (401, 501, 601, 701, 702, 703, 704, 820, 830, 920, 921, 955, 956) mindestens zwei miteinander verschaltete
15 eingebettete Module (406, 506, 606, 728, 810, 815, 816, 817, 915, 923, 952, 953, 954, 957, 958, 959) einer mindestens zweiten nächst tieferen Verschachtelungsebene aufweist, sodass die Module (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 810, 815, 816, 817, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 915, 923, 931, 941, 951, 952, 953, 954, 957, 958, 959, 961) ineinander eingebettet sind, wobei die Module
20 (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 810, 815, 816, 817,
831, 841, 851, 861, 871, 901, 915, 923, 931, 941, 951, 952, 953, 954, 957, 958, 959, 961) jeweils eine Mehrzahl an Schaltelementen (408-415, 508-515, 608-615, 709- 716, 802-809, 902-909) zum dynamischen Umschalten zwischen einer Mehrzahl an Schaltungszuständen zwischen mindestens zwei Modulen (400, 406, 500, 506, 600a,
25 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 810, 815, 816, 817, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 915, 923, 931, 941, 951, 952, 953, 954, 957, 958, 959, 961) einer
Verschachtelungsebene aufweisen.
2. Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem die Schaltelemente (408- 30 415, 508-515, 608-615, 709-716, 802-809, 902-909) höherer Verschachtelungsebenen langsamere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen als die Schaltelemente (408-415, 508- 515, 608-615, 709-716, 802-809, 902-909) tieferer Verschachtelungsebenen.
3. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Schaltelemente (408-415, 508-515, 608-615, 709-716, 802-809, 902-909) tieferer Verschachtelungsebenen eine niedrigere Spannungsfestigkeit aufweisen als die
Schaltelemente (408-415, 508-515, 608-615, 709-716, 802-809, 902-909) höherer Verschachtelungsebenen.
4. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
Schaltelemente (408-415, 508-515, 608-615, 709-716, 802-809, 902-909) höherer Verschachtelungsebenen nicht kommutierungsfähige Schaltelemente sind.
5. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
Topologien von Modulen (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801 , 831 , 841 , 851 , 861 , 871, 901 , 931 , 941 , 951 , 961) tieferer
Verschachtelungsebenen unterschiedlich von den Topologien von Modulen (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801 , 831 , 841 , 851 , 861 , 871 , 901, 931 , 941 , 951 , 961) höherer Verschachtelungsebenen sind.
6. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die jeweiligen Topologien der Module (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801 , 831 , 841 , 851 , 861, 871 , 901 , 931 , 941 , 951 , 961) einer
Verschachtelungsebene voneinander unterschiedlich sind.
7. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die jeweiligen Topologien der Module (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801 , 831 , 841 , 851 , 861, 871 , 901 , 931 , 941 , 951 , 961) jeder
Verschachtelungsebene jeweils gleichartig sind.
8. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Modul (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 931, 941, 951, 961) einer tieferen Verschachtelungsebene mit genau einem elektrischen Anschluss (813, 814, 818, 819, 913, 914, 918, 919) mit 5 einer positiven Stromschiene (416, 516, 616, 811, 911) und/oder einer negativen
Stromschiene (417, 517, 617, 812, 912) eines Moduls (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 931, 941, 951, 961) einer höheren Verschachtelungsebene elektrisch verbunden ist.
10 9. Elektrisches Umrichtersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Energiestrang (401, 501, 601, 701, 702, 703, 704, 820, 830, 920, 921, 955, 956) mindestens eines Moduls (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728, 801, 810, 815, 816, 817, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 915, 923, 931, 941, 951, 952, 953, 954, 957, 958, 959, 961) mindestens einen
15 Energiespeicher aufweist.
10. Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 9, bei dem mindestens ein
Energiestrang (401, 501, 601, 701, 702, 703, 704, 820, 830, 920, 921, 955, 956) mindestens eines Moduls (400, 406, 500, 506, 600a, 600b, 606, 700a, 700b, 728,
20 801, 810, 815, 816, 817, 831, 841, 851, 861, 871, 901, 915, 923, 931, 941, 951, 952, 953, 954, 957, 958, 959, 961) lediglich mindestens einen Energiespeicher aufweist.
11. Verfahren zum Bereitstellen eines elektrischen Umrichtersystems nach einem der 25 Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine elektrische Schaltung mit mindestens zwei
Verschachtelungsebenen verwendet wird, wobei mindestens ein einbettendes Modul einer ersten Verschachtelungsebene dazu verwendet wird, mindestens einen Energiestrang auszubilden, bei dem mindestens zwei eingebettete Module einer mindestens zweiten nächst tieferen Verschachtelungsebene miteinander verschaltet werden, sodass die 30 Module ineinander eingebettet werden, wobei bei den Modulen mindestens zwei
Anschlüsse und eine Mehrzahl an Schaltelementen verwendet werden, um zwischen einer Mehrzahl an Schaltungszuständen zwischen mindestens zwei Modulen einer Verschachtelungsebene dynamisch umschalten zu können.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem in höheren Verschachtelungsebenen
5 Schaltelemente verwendet werden, die langsamere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen, als Schaltelemente, die in tieferen Verschachtelungsebenen verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem in tieferen Verschachtelungsebenen Schaltelemente verwendet werden, die eine niedrigere Spannungsfestigkeit aufweisen,
10 als Schaltelemente, die in höheren Verschachtelungsebenen verwendet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem in höheren
Verschachtelungsebenen nicht kommutierungsfähige Schaltelemente verwendet werden.
15 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem mindestens ein Modul verwendet wird, bei dem der mindestens eine Energiestrang mindestens einen
Energiespeicher aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem mindestens ein Modul 20 verwendet wird, bei dem der mindestens eine Energiestrang lediglich mindestens einen Energiespeicher aufweist.
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