WO2017174102A1 - Modul für einen multilevelkonverter - Google Patents

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WO2017174102A1
WO2017174102A1 PCT/EP2016/025177 EP2016025177W WO2017174102A1 WO 2017174102 A1 WO2017174102 A1 WO 2017174102A1 EP 2016025177 W EP2016025177 W EP 2016025177W WO 2017174102 A1 WO2017174102 A1 WO 2017174102A1
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low
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Stefan GÖTZ
Johannes HÖβ
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H.C. F. Porsche
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Definitions

  • the invention relates to a module which is designed as a component of a multilevel converter, a multilevel converter and a method for operating a
  • a multilevel converter is an electrical device that is several similar
  • each module has its own voltage source
  • a plurality of modules are combined with one another, wherein from voltage sources of combined modules a respectively required resulting voltage is to be generated.
  • the document US 2015 0009 734 A1 describes a method for controlling a multilevel half-bridge.
  • the multilevel half-bridge consists of two symmetrically arranged to a center tap branches with any number of switches. These switches are each connected via a capacitor to the corresponding switch of the other branch.
  • Each phase of the AC power source is connected to a low-side converter, a diode and a converter.
  • US 2015 0372 611 A1 describes a modular high-frequency converter with a plurality of submodules, each of which contains a half bridge and a full bridge, these being connected via a DC voltage intermediate circuit. By a voltage measurement at the present in each DC voltage intermediate capacitance, the individual sub-modules can be selectively switched on or off.
  • WO 2015/131931 A1 describes a multilevel converter with a plurality of sub-modules consisting of 5 half-bridges, which are connected either as a half bridge or as a full bridge.
  • Multilevel converter comprising a plurality of modules, and a method for its operation 10 to be provided, wherein magnetic fields, which are induced when switching on and off of individual modules, to be reduced.
  • the module according to the invention is designed as a component of a multilevel converter and has a plurality of base units as well as electrical energy sources, wherein each
  • the 20 base unit has at least one half-bridge.
  • the at least one half bridge has at least one half bridge.
  • the at least one highside switch includes at least one highside switch and at least one low side switch. It is provided for two base units, which are arranged adjacent to each other within the module immediately adjacent, provided that in a first base unit, the at least one high-side switch with a positive pole
  • Base unit of the at least one high-side switch having a positive pole of the second power source and the at least one low-side switch is connected to a negative pole of the first power source.
  • the at least one current path is to be switched between at least two directly adjacent switches.
  • the at least one current path for transporting current is to be switched directly between the at least one high-side switch and the at least one low-side switch of the at least one half-bridge, wherein current flows from the positive pole of the first or second energy source via the at least one current path at least one high-side switch and the at least one low-side switch to be transported to the negative pole of the second or first energy source.
  • the at least one current path for transporting power is to be switched directly between a switch of the first base unit and a switch of the second base unit, which are arranged directly adjacent to one another.
  • the at least one current path is connected directly between two high-side, immediately adjacent switches of two directly adjacent base units and / or directly between two low-side, immediately adjacent switches of two directly adjacent base units. If the at least one current path connects two immediately adjacent high-side switches of the two base units, the current is transported from the positive pole of the first energy source via the two high-side switches to the positive pole of the second energy source. If the at least one current path connects two immediately adjacent low-side switches of the two base units, the current is transported from the negative pole of the first energy source via the two low-side switches to the negative pole of the second energy source.
  • At least one switch of the at least one half-bridge is designed as a semiconductor switch, for example as a transistor, as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) and / or as an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • Each base unit comprises a positive bus bar and a negative bus bar, wherein the at least one high-side switch of the at least one half-bridge is connected to the positive bus bar and the at least one low-side switch of the at least one half-bridge is connected to the negative bus bar.
  • the positive bus bar is connected to the positive pole of the first power source and the negative bus bar to the negative pole of the second power source.
  • the positive bus bar is connected to the positive pole of the second power source and the negative bus bar is connected to the negative pole of the first power source.
  • At least one electrical energy source of the module is as a voltage source, usually as a DC voltage source, eg. As a battery or accumulator and / or
  • the base units are arranged on a circuit board.
  • each base unit includes a housing that encloses the switches. Switches of two immediately adjacent base units, which are arranged directly next to one another, are separated from one another only by the housings of the two base units.
  • the multilevel converter according to the invention has a plurality of modules, each module having a plurality of base units as well as electrical energy sources, each of which
  • Base unit has at least one half-bridge, wherein the at least one half-bridge comprises at least one highside (highside) switch and at least one low-side (lowside) switch.
  • the at least one half-bridge comprises at least one highside (highside) switch and at least one low-side (lowside) switch.
  • the at least one high-side switch is connected to a positive pole of a first energy source and the at least one low-side switch is connected to a negative pole of a second energy source, wherein, in a second base unit, the at least one high-side switch having a positive pole of the second energy source and the at least one low side switch having a negative pole of the first
  • Energy source is connected.
  • electricity is to be transported between two poles over at least one current path.
  • all modules are the same or similar and / or similar.
  • At least one module is active. If several modules are active at the same time, these modules should be connected to each other in series or parallel to each other.
  • the multilevel converter is designed as an energy source for an electrical machine.
  • the multilevel converter in an electrical
  • the multilevel converter is, for example, to supply an electrical machine with electrical energy which is to be operated as a motor and / or as a generator and designed to drive the motor vehicle.
  • the multilevel converter according to the invention has at least one embodiment of the module according to the invention.
  • each module has a plurality of base units and electrical energy sources, wherein each base unit has at least one half-bridge, wherein the at least one half-bridge comprises at least one highside switch and at least one low-side switch.
  • the at least one high-side switch with a positive pole of a first energy source and the at least one low-side switch with a in a second base unit of the two base units the at least one high side switch is connected to a positive pole of the second power source and the at least one low side switch is connected to a negative pole of the first power source. Power is transported between two poles via at least one current path.
  • the at least one current path for transporting current is connected directly between the at least one high-side switch and the at least one low-side switch of the at least one half-bridge, current flowing from the positive pole of the first or second energy source via the at least one current path via the at least one current path a high-side switch and the at least one low-side switch is transported to the negative pole of the second or first energy source.
  • the at least one current path for transporting current is connected directly between a switch of the first base unit and a switch of the second base unit, which are arranged directly adjacent to one another.
  • the at least one current path is connected directly between two high-side, immediately adjacent switches of two directly adjacent base units and / or directly between two low-side, immediately adjacent switches of two directly adjacent base units. If the at least one current path connects two immediately adjacent high-side switches of the two base units, the current is transported from the positive pole of the first energy source via the two high-side switches to the positive pole of the second energy source. If the at least one current path connects two immediately adjacent low-side switches of the two base units, the current is transported from the negative pole of the first energy source via the two low-side switches to the negative pole of the second energy source.
  • an output voltage is provided by each module, wherein at least two modules connected to each other in series and / or parallel to each other be, where from the output voltages of the combined or
  • the multilevel converter or multilevel converter is u. a. to produce a
  • AC voltage formed of several DC voltages and includes in
  • each module in turn comprises four MOSFET half-bridges and two voltage sources.
  • Each MOSSFET half-bridge has a high and a low side of four high-side or low-side switches, for example.
  • Transistors wherein in each case two MOSFET half-bridges are connected to each other. By switching the current paths between the connected MOSFET half-bridges a required AC voltage is generated.
  • Base units or base unit are switched across, overlap and also are short. Thus, only small inductances build up during a switchover, whereby overvoltages are avoided and switches, for example transistors, are present
  • Transistors one side, ie the high-side switch or low-side switch of a half-bridge evenly loaded, as present for the transistors same or similar long current paths.
  • the low or high sides of two connected half bridges are interchanged.
  • the two half bridges are intertwined. Due to this topology, the different current paths at least partially overlap and are significantly shortened, which reduces inductances that occur during switching. Furthermore, the length of the current path for each switch is the same, so that all components designed as a switch are charged equally.
  • the multilevel converter according to the invention comprises a plurality of modules, each of these modules in turn having a plurality of base units and a plurality of energy sources, usually voltage sources, which are designed as batteries or capacitors.
  • energy sources usually voltage sources, which are designed as batteries or capacitors.
  • the multilevel converter When operating the multilevel converter, at least one of the modules must be activated. If several modules are activated, these are connected to each other in parallel and / or in series, whereby with the multilevel converter as required different voltages with different maximum values and / or
  • Each base unit comprises a plurality of half-bridges, wherein in each case a high-side switch and a low-side switch within a base unit are arranged directly adjacent to each other. If the module has, for example, two voltage sources, it is provided that high-side switches of a first base unit are connected to the positive pole of the first voltage source, whereas the low-side switches are connected to the negative pole of the second voltage source. In addition, the high-side switches of the second base unit with the positive pole of the second
  • these two base units are also arranged immediately adjacent to each other.
  • Voltage sources of the modules to provide an AC voltage.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of details of a multilevel converter.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of first details of an example of a multilevel converter known from the prior art.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of second details of the example of the multilevel converter known from the prior art.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of third details of the example of the multilevel converter known from the prior art.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a second embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a third embodiment of the invention
  • Figure 8 shows a schematic representation of the third embodiment of
  • inventive module in different operating conditions.
  • Figure 9 shows a schematic representation of the second embodiment of the
  • inventive module in first different operating conditions.
  • Figure 10 shows a schematic representation of the second embodiment of the
  • inventive module in second different operating conditions.
  • Figure la shows a schematic representation of an example of a half-bridge 2, as it is for example part of a multilevel converter according to the invention, as will be presented below with reference to one of the figures 5 to 10.
  • a half bridge 2 it is also possible for such a half bridge 2 to be formed as part of a multilevel converter known from the prior art from one of FIGS. 2 to 4.
  • This half-bridge 2 comprises two switches 4a, 4b designed as semiconductor switches, in this case IGBTs, each having a freewheeling diode 6a, 6b and a measuring resistor 8.
  • FIG. 1b An example of an inverter 10 for an electric motor 12 with three phases U, V, W is shown schematically in FIG. 1b.
  • This inverter 10 comprises a voltage source UDC and three half-bridges 14a, 14b, 14c, which may also be referred to as a B6 bridge.
  • a multilevel converter or multilevel converter is designed in accordance with both the prior art and also according to the invention, for example for an electric drive of a motor vehicle, to generate a three-phase alternating voltage from a DC voltage, for example.
  • the multilevel converter comprises a plurality of identical or at least functionally similar modules and is configured to apply a voltage applied to an input, for example a DC voltage or AC voltage, to at least one voltage, ie. H. transform one or more voltages, for example at least one AC voltage, at the output.
  • the modules switch u. a. a rung between several alternatives
  • Capacitors or battery cells are embedded, either flows in the charging direction or in the discharge direction and is guided past an energy storage or divided, wherein a plurality of energy storage, for example, different modules are electrically connected in parallel and / or in series.
  • corresponding circuits ie, both traditional inverters and multilevel converters, are generally subdivided into half bridges from two independent switches as the base unit and, as a rule, also arranged together on an electronic assembly. It is possible that such half-bridges are already integrated in a component, whereby a separation of the half-bridge is not possible.
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a module 16 of a multilevel converter with here four base units Bl, B2, B3, B4 and a voltage source 18 Ul, with the base units Bl and B2, a voltage with the potentials U1 + and Ul- is provided.
  • the two base units B3 and B4 are provided by a second voltage source U2, not shown here, with a voltage having the potentials U2 + and U2-. It is provided that the base unit Bl and B3 are interconnected.
  • Each base unit Bl, B2, B3, B4 here comprises four half-bridges each having four high-side switches 19a, 19c and four low-side or low-side switches 19b, 19d.
  • Each half bridge is able to act as a current switch.
  • it is possible to have a current path between an output and a high-side connection (high-side connection), between an output and a low-side or low-side connection
  • connection low-side connection
  • all terminals in the latter case, intentionally caused a short circuit.
  • each base unit Bl, B2, B3, B4 comprises a MOSFET half-bridge with four high-side switches 19a, 19c and four low-side switches 19b, 19d, wherein the four high-side Switch and the four low-side switches 19a, 19c are connected in parallel to each other.
  • four high-side switches or four low-side switches of a half-bridge are simultaneously switched on and off, whereby a current carrying capacity is increased and an ohmic loss can be kept low.
  • two are each formed as half bridges
  • Base units Bl and B2 connected to the first voltage source 18 Ul and the two other base units B3 and B4 to the second voltage source U2.
  • the first and third base units Bl and B3 and the second and fourth base units B2 and B4 are connected to each other, whereby the first and third base units Bl and B3 are connected in parallel with the second base units B2 and B4.
  • the first and third base units Bl and B3 behave symmetrically to the second and fourth base units B2 and B4.
  • Fig. 2a shows the circuit
  • Fig. 2b shows a typical geometric arrangement of the switches 19a, 19b, 19c, 19d on a printed circuit board.
  • the basic units B2 and B4 behave identically.
  • a first problem in the prior art is that such circuits have very high switching inductances. If current is switched over one or, as a rule, several half-bridges in a so-called commutation between two current paths, a magnetic field of a first current path must likewise be reduced, whereas a magnetic field of a second current path builds up. Accordingly, as these magnetic fields store energy, the energy from the magnetic field of the old first current path must first be converted into current to deplete the magnetic field. At the same time, the current of the new, second current path must build up a corresponding magnetic field.
  • unloading circuits also referred to as snubbers, suppressor circuits or relief grids, are often used to derive the currents.
  • FIG. 3a current paths are connected between the low-side or low-side switches 19b of the first base unit Bl and the high-side switches 19c of the second base unit B2.
  • FIG. 3b current paths are connected between the high-side switches 19a of the first base unit B1 and the low-side switches 19d of the second base unit B2.
  • FIG. 3c current paths are connected between the high-side switches 19a, 19c between the two base units B1 and B2.
  • current paths B1, B2 are connected between the low-side switches 19b, 19d of the two base units B1, B2. Transitions between the
  • the magnetic fields of the individual current paths have only very small overlaps in the layout arrangement presented here on the board. These not or only slightly overlapping magnetic fields play when switching between two
  • the induced magnetic fields are equivalent to a size of surfaces which are spanned by conductor tracks through which the current paths run.
  • K commutation
  • Inductance L taking into account the magnetic field constant ⁇ : As a rule, individual semiconductor components and thus switches 19a, 19b, 19c, 19d are not equally heavily loaded with current. This means that the current does not divide evenly among the switches 19a, 19b, 19c, 19d.
  • Inductors in large semiconductor switches which consist of a large number of individual semiconductors, are coordinated with one another, interact on board-integrated circuits
  • FIG. 4 indicates a commutation between the current paths shown in FIG. 3b and the current paths shown in FIG. 3a. A change of a current leads
  • Transistors of all switches 19a, 19b, 19c, 19d distributed. Furthermore, it is provided that a current path never leads from the positive pole U1 + to the negative pole U1 of the first voltage source and from the positive pole U2 + to the negative pole U2- of the second voltage source U2. This property is used in an embodiment of the module according to the invention, whereby in a switching time 5 spanned induction surfaces are to be reduced.
  • the current paths of the switches 19a, 19b, 19c, 19d, which are designed as MOSFETs, are of different lengths, resulting in inductances of individual ones
  • first current paths through which currents flow in a first direction, are arranged in the vicinity of second current paths through which currents are simultaneously conducted
  • the two current paths even share sections, whereby the current on these sections does not have to change its course even during the changeover.
  • the inductance of two current paths which occurs during the commutation is to be derived from a coupling inductance of conductors which simultaneously flow through the current, for example in a transformer, and can be determined for a circuit. Furthermore, in a realization of a multilevel converter according to the invention, starting from the prior art, a load on the switches is to be reduced.
  • FIG. 5a shows an example of a module 30 of a multilevel converter having a first base unit 32 with a high-side switch 32a, which has a positive switch
  • Voltage source Ul is connected, and a low-side switch 32b, which is connected via a negative bus bar 32d to a negative pole or negative pole Ul- the first voltage source Ul.
  • the module 30 comprises a second base unit 34 with high-side switches 34a, which are connected via a positive bus bar 34c to a positive pole or positive pole U2 + of the second voltage source U2, and two low-side switches 34b which are connected to a negative pole via a negative bus bar 34d ., negative pole U2- the second voltage source U2 are connected.
  • a third base unit 36 comprises two high-side switches 36a, which are connected via a positive bus bar 36c to the positive pole U1 + of the first voltage source U1
  • a third base unit 38 comprises two high-side switches 38a which are connected via a positive bus bar 38c to the positive pole U2 + of the second voltage source U2 are connected, and two low-side switches 38b, which have a negative
  • a fourth base unit 40 of the module 30 comprises a
  • high-side switch 40a which is connected via a positive bus bar 40c to the positive pole U1 + the first voltage source Ul, and a low-side switch 40b, which is connected via a negative bus bar 40d to the negative pole Ul- the first voltage source Ul.
  • Base unit 34 to a first high side switch 36a (left) of the third base unit 36.
  • current flows along a third current path 31 from a second high side switch 36a (right) of the third base unit 36 to a first one
  • Low side switch 38b (left) of the second base unit 38 Along a fourth current path 31, current flows from a second low side switch 38b (right) of the third base unit 38 to a high side switch 40a of the third base unit 40.
  • the first embodiment of the module 42 according to the invention for the first embodiment of the multilevel converter according to the invention shown in FIG. 5b is to be provided, for which connections of the negative pole Ulder of the first voltage source U1 to the negative busbars 32d, 34d, 36d, 38d, 40d are connected to terminals of the negative Pols U2- the second
  • the high side switch 32a of the first base unit 32 is connected to the positive pole U1 + of the first voltage source U1 and the corresponding positive bus bar 32c.
  • the low-side switch 32b is connected via the negative busbar 32d to the negative pole U2- of the second voltage source U2.
  • the high-side switch 34a connected to the positive pole U2 + the second voltage source U2 and the corresponding positive busbar 34c, whereas the two low-side switch 34b are connected to the negative pole Ul- the first voltage source Ul and the corresponding negative busbar 34d.
  • the high-side switches 36a are connected to the positive pole U1 + of the first voltage source U1 and of the corresponding positive busbar 36c.
  • the low side switches 36b are connected to the negative pole U2- of the second voltage source U2 and the corresponding negative bus bar 36d.
  • the two high side switches 38a of the third base unit 38 are connected to the positive pole U2 + of the second voltage source U2 and the corresponding positive bus bar 38c.
  • the two low-side switches 38b are connected to the negative pole Ul- the first voltage source Ul and the corresponding negative bus bar 38d.
  • the high side switch 40a of the fourth base unit 40 is connected to the positive pole U1 + of the first voltage source Ul and the corresponding positive bus bar 40c.
  • the low side switch 40b is connected to the negative pole U2- of the second voltage source U2 and the corresponding negative bus bar 40d.
  • Base unit 32 In the third base unit 36, starting from the first high-side switch 36a (left), a second current path 33 extends to the first low-side switch 36b (left). A third current path 33 also extends within the third base unit 36 from the second high side switch 36a (right) to the second low side switch 36b (right). These two current paths connect the positive pole U1 + to the negative pole U2-.
  • a fourth current path 33 leads in the fifth base unit 40 from the high side switch 40a to the low side switch 40b and also connects the positive pole U1 + to the negative pole U2-.
  • Figure 6a shows a schematic representation of an example of a module 44 of a
  • Multilevel converter having a first base unit 46 with four high-side switches 46a here, which are connected via a positive bus bar 46c to a positive pole U1 + a first voltage source Ul, and four low-side switches 46b, which are connected via a negative bus bar 46d to a negative pole U1 + the first
  • the module 44 also includes a second base unit 48 having four high side switches 48a connected via a positive bus bar 48c to a positive pole U2 + of the second voltage source U2 and four low side switches 48b connected to a negative pole U2 via a negative bus bar 48d - The second voltage source U2 are connected.
  • the second embodiment of the module 52 according to the invention shown in FIG. 6b is to be provided for the second embodiment of the inventive multilevel converter, for which connections of the negative pole U1 of the first voltage source U1 to terminals of the negative pole U2 of FIG second voltage source U2 are reversed.
  • the high side switches 46a of the first base unit 46 are connected to the positive pole U1 + of the first voltage source U1 via the positive bus bar 46c.
  • the low-side switches 46b at the negative pole U2- the second voltage source U2 on the negative Busbar 46d connected.
  • the high side switches 48a are connected to the positive pole U2 + of the second voltage source U2 via the positive bus bar 48c, whereas the low side switches 48b are connected to the negative pole Ul of the first voltage source Ul via the negative bus bar 48d.
  • the switches 46a, 46b, 48a, 48b are, for example, as semiconductor switches.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • Busbars 46d, 48d are the long, diagonal current paths 50 (Figure 6a) from the positive pole U1 + the first voltage source Ul to the negative pole U2- the second voltage source replaced by the much shorter current paths 53 ( Figure 6b).
  • the module 52 long diagonal current paths between the positive pole U1 + and the negative pole Ul- or between the positive pole U2 + and the negative pole U2-, and therefore current paths between the two base units 46, 48 will usually not occur since this would correspond to a short circuit.
  • FIG. 7a The second embodiment of the module 52 according to the invention from FIG. 6b is also shown in FIG. 7a without current paths 53. Based on this, a third embodiment of the module 54 according to the invention for a third embodiment of the invention
  • Base unit 46 divided into three first base units 46.1, 46.2, 46.3, wherein the high-side switch 46a of the three first base units 46.1, 46.2, 46.3 are connected via the positive bus bar 46c to the positive pole U1 + the first voltage source Ul.
  • the low-side switches 46b of the three first base units 46.1, 46.2, 46.3 are connected via the negative busbars 46d to the negative pole U2- of the second
  • the second base unit 48 becomes two second
  • Base units 48.1, 48.2 split.
  • the high-side switches 48a of the two second base units 48.1, 48.2 are connected via the positive bus bars 48c to the positive pole U2 + of the second voltage source and the low-side switches 48b of the two second base units 48.1, 48.2 via the negative bus bars 48d to the
  • the first first base unit 46.1, the first second base unit 48.1, the second first base unit 46.2, the second second base unit 48.2 and the third first base unit 46.3 are each arranged next to one another.
  • Embodiment of the module 54 for the multilevel converter corresponds structurally and functionally also to the example shown in FIG. 5b of the module 42 for the first embodiment of the multilevel converter, base unit 32 base unit 46.1, base unit 34 base unit 48.1, base unit 36 base unit 46.2, base unit 38 base unit 48.2 and base unit 40 corresponds to base unit 46.3.
  • the original base units 46, 48 have each been divided into individual base units 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2, thereby reducing current paths between the switches 46a, 46b, 48a, 48b and reducing magnetic fields resulting from commutations by changing currents .
  • the division of the original 25 base units 46, 48 into individual base units 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2 can also be referred to as intertwining of the switches 46a, 46b, 48a, 48b of the half bridges into one another.
  • the third embodiment of the module 54 is also schematically in each case in one of the figures 8a, 8b, 8c, 8d in different commutations or operating states
  • Base units 48.1, 48.2 are immediately adjacent and form a half-bridge, current paths 56.
  • a second commutation (Figure 8b) extend only between high-side switches 46a and low-side switches 46b, in the first
  • the current paths 56, 58 each run within a base unit 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2 between a high-side switch and a low-side switch 46a, 46b, 48a, 48b.
  • the current paths 60, 62 run between two immediately adjacent base units 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2, either between directly adjacent high-side Switches 46a, 48a or between two immediately adjacent low-side switches 46b, 48b.
  • Base units 46, 48 reversed.
  • the shortened current paths indicated by double arrows in FIG. 9 are to be provided.
  • a value of magnetic fields which are induced when switching over decreases.
  • FIG. 10 shows the example of the module 42 for the first embodiment of the invention
  • a current path 33 runs directly. Due to the intertwining and / or permutation of the negative poles Ul-, U2- result in switching only small spanned surfaces 60 with low inductance. Overall, in all possible switching variants or commutations, a current path 33 between two immediately adjacent switches 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b of a half-bridge, ie.
  • MOSFETs are formed, the same length, whereby all the switches 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b are inductively loaded equally when switching. Furthermore, all the current paths 33 are of equal length and, unlike the prior art, do not have different lengths, which is why all the switches 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b are similarly loaded during switching.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul, das als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet ist und mehrere Basiseinheiten (46, 48) sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (46, 48) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (46b, 48b) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (46, 48), die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen ist, dass bei einer ersten Basiseinheit (46, 48) der zwei Basiseinheiten (46, 48) der mindestens eine hochseitige Schalter (46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (46b, 48b) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit (46, 48) der zwei Basiseinheiten (46, 48) der mindestens eine hochseitige Schalter (46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (46b, 48b) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (53) zu transportieren ist.

Description

Modul für einen Multilevelkonverter
Die Erfindung betrifft ein Modul, das als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet ist, einen Multilevelkonverter und ein Verfahren zum Betreiben eines
Multilevelkonverters.
Ein Multilevelkonverter ist eine elektrische Einrichtung, die mehrere gleichartig
aufgebaute Module umfasst, wobei jedem Modul eine eigene Spannungsquelle
zugeordnet ist. Bei einem Betrieb des Multilevelkonverters werden mehrere Module miteinander kombiniert, wobei aus Spannungsquellen kombinierter Module eine jeweils erforderliche resultierende Spannung zu erzeugen ist.
In der Druckschrift US 2013 0033 912 AI wird ein Fünf-Level-Umrichter mit einem Kondensator-Set aus zwei Kondensatoren und zwei Dioden, einem Schalter und einer Vollbrücken-Schaltung beschrieben. Somit kann hier eine Wechselspannung mit genau fünf Spannungslagen erzeugt werden.
In der Druckschrift US 2015 0009 734 AI wird ein Verfahren zur Steuerung einer Multilevel-Halbbrücke beschrieben. Die Multilevel-Halbbrücke besteht dabei aus zwei symmetrisch zu einem Mittelabgriff angeordneten Zweigen mit beliebig vielen Schaltern. Diese Schalter sind jeweils über einen Kondensator mit dem korrespondierenden Schalter des anderen Zweigs verbunden.
In der Druckschrift US 2015 0280 474 AI wird ein Verfahren zum Aufladen eines
Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselstromquelle beschrieben. Dabei ist jede Phase der Wechselstromquelle mit einem Niedrigsetzsteller, einer Diode und einem Konverter verbunden.
In der Druckschrift US 2015 0372 611 AI wird ein modularer Hochfrequenzumrichter mit mehreren Submodulen beschrieben, welche jeweils eine Halb- und eine Vollbrücke enthalten, wobei diese über einen Gleichspannungszwischenkreis verbunden sind. Durch eine Spannungsmessung an der in jedem Gleichspannungszwischenkreis vorhandenen Kapazität können die einzelnen Submodule so gezielt zu- oder abgeschaltet werden.
In der Druckschrift WO 2015/131931 AI wird ein Multilevel-Umrichter mit mehreren aus 5 Halbbrücken bestehenden Submodulen beschrieben, welche entweder als Halbbrücke oder als Vollbrücke verschaltet sind.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Multilevelkonverter, der mehrere Module umfasst, und ein Verfahren zu dessen Betrieb 10 bereitzustellen, wobei Magnetfelder, die beim Ein- und Ausschalten einzelner Module induziert werden, reduziert werden sollen.
Diese Aufgabe wird mit dem Modul gemäß Patentanspruch 1 , dem Multilevelkonverter gemäß Patentanspruch 7, und dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 15 11 gelöst. Ausgestaltungen des Moduls, des Multilevelkonverters und des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Modul ist als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet und weist mehrere Basiseinheiten sowie elektrische Energiequellen auf, wobei jede
20 Basiseinheit mindestens eine Halbbrücke aufweist. Die mindestens eine Halbbrücke
umfasst mindestens einen hochseitigen (highside) Schalter und mindestens einen tiefseitigen (lowside) Schalter. Dabei ist für zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen, dass bei einer ersten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol
25 einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem
negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten
Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist. Bei einem Betreib des Moduls ist Strom
30 zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad zu transportieren. In der Regel ist der mindestens eine Strompfad zwischen mindestens zwei unmittelbar benachbarten Schaltern zu schalten.
In Ausgestaltung ist der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen dem mindestens einen hochseitigen Schalter und dem mindestens einen tiefseitigen Schalter der mindestens einen Halbbrücke zu schalten, wobei über den mindestens einen Strompfad Strom von dem positiven Pol der ersten bzw. zweiten Energiequelle über den mindestens einen hochseitigen Schalter und den mindestens einen tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten bzw. ersten Energiequelle zu transportieren ist.
Alternativ oder ergänzend ist der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen einem Schalter der ersten Basiseinheit und einem Schalter der zweiten Basiseinheit zu schalten, die unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet sind. Somit wird der mindestens eine Strompfad direkt zwischen zwei hochseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten und/oder direkt zwischen zwei tiefseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten geschaltet. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte hochseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem positiven Pol der ersten Energiequelle über die beiden hochseitigen Schalter zu dem positiven Pol der zweiten Energiequelle transportiert. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte tiefseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem negativen Pol der ersten Energiequelle über die beiden tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten Energiequelle transportiert.
Mindestens ein Schalter der mindestens einen Halbbrücke ist als Halbleiterschalter, bspw. als Transistor, als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und/oder als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ausgebildet. Jede Basiseinheit umfasst eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene, wobei der mindestens eine hochseitige Schalter der mindestens einen Halbbrücke mit der positiven Stromschiene und der mindestens eine tiefseitige Schalter der mindestens einen Halbbrücke mit der negativen Stromschiene verbunden ist. Für die zwei
Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar benachbart angeordnet sind, ist vorgesehen, dass bei der ersten Basiseinheit die positive Stromschiene mit dem positiven Pol der ersten Energiequelle und die negative Stromschiene mit dem negativen Pol der zweiten Energiequelle verbunden ist. Außerdem ist bei der zweiten Basiseinheit die positive Stromschiene mit dem positiven Pol der zweiten Energiequelle und die negative Stromschiene mit dem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden.
Mindestens eine elektrische Energiequelle des Moduls ist als Spannungsquelle, in der Regel als Gleichspannungsquelle, bspw. als Batterie bzw. Akkumulator und/oder
Kondensator ausgebildet.
Außerdem sind die Basiseinheiten auf einer Platine angeordnet. Somit sind die
Basiseinheiten auf der Platine nebeneinander angeordnet. In der Regel umfasst jede Basiseinheit ein Gehäuse, das die Schalter umschließt. Schalter aus zwei unmittelbar benachbarten Basiseinheiten, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, sind lediglich durch die Gehäuse der beiden Basiseinheiten voneinander getrennt.
Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter weist mehrere Module auf, wobei jedes Modul mehrere Basiseinheiten sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede
Basiseinheit mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen (highside) Schalter und mindestens einen tiefseitigen (lowside) Schalter umfasst. Für zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, ist vorgesehen, dass bei einer ersten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol der ersten
Energiequelle verbunden ist. Dabei ist Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad zu transportieren. Bei dem Multilevelkonverter sind sämtliche Module gleich bzw. gleichartig und/oder ähnlich ausgebildet.
Beim Betrieb des Multilevelkonverters ist mindestens ein Modul aktiv. Falls mehrere Module gleichzeitig aktiv sind, sind diese Module zueinander in Reihe oder parallel zueinander zu schalten.
Der Multilevelkonverter ist als Energiequelle für eine elektrische Maschine ausgebildet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Multilevelkonverter in einem elektrischen
Energienetzwerk eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Mit dem Multilevelkonverter ist bspw. eine elektrische Maschine mit elektrischer Energie zu versorgen, die als Motor und/oder als Generator zu betreiben sowie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter weist mindestens eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Multilevelkonverters, der als Komponenten mehrere Module aufweist, vorgesehen. Dabei weist jedes Modul mehrere Basiseinheiten sowie elektrische Energiequellen auf, wobei jede Basiseinheit mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen (highside) Schalter und mindestens einen tiefseitigen (lowside) Schalter umfasst. Für zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, wird vorgesehen, dass bei einer ersten Basiseinheit der zwei Basiseinheiten der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden wird, und wobei bei einer zweiten Basiseinheit der zwei Basiseinheiten der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden wird. Strom wird zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad transportiert.
In Ausgestaltung wird der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen dem mindestens einen hochseitigen Schalter und dem mindestens einen tiefseitigen Schalter der mindestens einen Halbbrücke geschaltet, wobei über den mindestens einen Strompfad Strom von dem positiven Pol der ersten bzw. zweiten Energiequelle über den mindestens einen hochseitigen Schalter und den mindestens einen tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten bzw. ersten Energiequelle transportiert wird. In ergänzender oder alternativer Ausgestaltung wird der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen einem Schalter der ersten Basiseinheit und einem Schalter der zweiten Basiseinheit geschaltet, die unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet sind. Somit wird der mindestens eine Strompfad direkt zwischen zwei hochseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten und/oder direkt zwischen zwei tiefseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten geschaltet. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte hochseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem positiven Pol der ersten Energiequelle über die beiden hochseitigen Schalter zu dem positiven Pol der zweiten Energiequelle transportiert. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte tiefseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem negativen Pol der ersten Energiequelle über die beiden tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten Energiequelle transportiert. Außerdem wird von jedem Modul eine Ausgangsspannung bereitgestellt, wobei mindestens zwei Module zueinander in Reihe und/oder zueinander parallel geschaltet werden, wobei aus den Ausgangsspannungen der miteinander kombinierten bzw.
zueinander parallel und/oder in Reihe geschalteten Module für den Multilevelkonverter eine kombinierte und/oder resultierende Ausgangsspannung bereitgestellt wird. In der Regel wird Strom durch mindestens einen ersten Strompfad transportiert, wobei bei einer Kommutierung bzw. Umschaltung eines jeweiligen Moduls der mindestens eine erste Strompfad deaktiviert bzw. ausgeschaltet und mindestens ein zweiter Strompfad aktiviert bzw. eingeschaltet wird, wobei der Strom nach der Kommutierung durch den mindestens einen zweiten Strompfad transportiert wird.
Der Multilevelkonverter bzw. Multilevelumrichter ist u. a. zur Erzeugung einer
Wechselspannung aus mehreren Gleichspannungen ausgebildet und umfasst in
Ausgestaltung mehrere seriell geschaltete Module, wobei jedes Modul wiederum vier MOSFET-Halbbrücken und zwei Spannungsquellen umfasst. Jede MOSSFET-Halbbrücke weist eine High- und eine Low-Seite aus jeweils vier hoch- bzw. tiefseitigen Schaltern, bspw. Transistoren auf, wobei weiterhin jeweils zwei MOSFET-Halbbrücken miteinander verbunden sind. Durch Umschalten der Strompfade zwischen den verbundenen MOSFET- Halbbrücken wird eine benötigte Wechselspannung erzeugt. In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die verschiedenen Strompfade, die zwischen unmittelbar benachbarten Schaltern in einer Basiseinheit oder zwischen zwei
Basiseinheiten bzw. basiseinheitsübergreifend geschaltet sind, überlappen und zudem kurz sind. Somit bauen sich bei einer Umschaltung nur geringe Induktivitäten auf, wodurch Überspannungen vermieden und Schalter, bspw. Transistoren, vor
Beschädigungen geschützt werden. Weiterhin werden durch die vorgesehene Topologie einer Schaltung des Multilevenkonverters die verschiedenen Schalter, bspw.
Transistoren, einer Seite, d. h. die hochseitigen Schalter oder tiefseitigen Schalter einer Halbbrücke gleichmäßig belastet, da für die Transistoren gleich oder ähnlich lange Strompfade vorliegen. Bei der vorgesehenen Topologie des Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters sind die Low- bzw. High-Seiten zweier verbundener Halbbrücken miteinander vertauscht.
Außerdem sind die beiden Halbbrücken miteinander verflochten. Durch diese Topologie überlappen sich die verschiedenen Strompfade zumindest teilweise und sind deutlich verkürzt, wodurch beim Schalten entstehende Induktivitäten reduziert werden. Weiterhin ist auch die Länge des Strompfads für jeden Schalter gleich, sodass alle als Schalter ausgebildeten Bauteile gleich belastet werden.
Üblicherweise umfasst der erfindungsgemäße Multilevelkonverter mehrere Module, wobei jedes dieser Module wiederum mehrere Basiseinheiten sowie mehrere Energiequellen, üblicherweise Spannungsquellen, die als Batterien oder Kondensatoren ausgebildet sind, aufweist. Beim Betrieb des Multilevelkonverters ist mindestens eines der Module zu aktivieren. Falls mehrere Module aktiviert werden, werden diese zueinander parallel und/oder in Reihe geschaltet, wodurch mit dem Multilevelkonverter je nach Bedarf unterschiedliche Spannungen mit unterschiedlichen maximalen Werten und/oder
Amplituden bereitstellbar sind.
Jede Basiseinheit umfasst mehrere Halbbrücken, wobei jeweils ein hochseitiger Schalter und ein tiefseitiger Schalter innerhalb einer Basiseinheit zueinander unmittelbar benachbart angeordnet sind. Falls das Modul bspw. zwei Spannungsquellen aufweist, ist vorgesehen, dass hochseitige Schalter einer ersten Basiseinheit mit dem positiven Pol der ersten Spannungsquelle verbunden sind, wohingegen die tiefseitigen Schalter mit dem negativen Pol der zweiten Spannungsquelle verbunden sind. Außerdem sind die hochseitigen Schalter der zweiten Basiseinheit mit dem positiven Pol der zweiten
Spannungsquelle und die tiefseitigen Schalter mit dem negativen Pol der ersten
Spannungsquelle verbunden. Dabei sind diese beiden Basiseinheiten ebenfalls unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet.
Aufgrund eines derartigen Layouts der Basiseinheiten ergeben sich zwischen zwei Schaltern vergleichsweise kurze Strompfade. Bei einem Schalten zwischen zwei
Betriebszuständen bzw. bei einer Kommutierung der Basiseinheit werden jedoch nur Ströme entlang kurzer Strompfade aufgebaut sowie wieder abgebaut, wobei jedoch nur vergleichsweise geringe Magnetfelder induziert werden, die einen Betrieb der Bauteile nur geringfügig beeinträchtigen. Durch die Basiseinheiten der bspw. seriell geschalteten Module des Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters ist ein schnelles Schalten der Strompfade möglich. Falls mehrere Module und/oder Basiseinheiten hintereinander geschaltet werden, ist weiterhin möglich, aus einer Gleichspannung von
Spannungsquellen der Module eine Wechselspannung bereitzustellen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung Details eines Multilevelkonverters.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung erste Details eines Beispiels eines aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung zweite Details des Beispiels des aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung dritte Details des Beispiels des aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters. Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Moduls einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters. Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Moduls einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
Figur 7 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Moduls einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung die dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Moduls in unterschiedlichen Betriebszuständen.
Figur 9 zeigt in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Moduls in ersten unterschiedlichen Betriebszuständen.
Figur 10 zeigt in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Moduls in zweiten unterschiedlichen Betriebszuständen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen
Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet. Figur la zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Halbbrücke 2, wie sie beispielsweise auch Teil eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ist, wie er anhand einer der Figuren 5 bis 10 nachfolgend vorgestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass eine derartige Halbbrücke 2 auch als Teil eines aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters aus einer der Figuren 2 bis 4 ausgebildet ist. Diese Halbbrücke 2 umfasst zwei als Halbleiterschalter, hier IGBTs, ausgebildete Schalter 4a, 4b mit je einer Freilaufdiode 6a, 6b und einem Messwiderstand 8.
Ein Beispiel für einen Inverter 10 für einen elektrischen Motor 12 mit drei Phasen U, V, W ist in Figur l b schematisch dargestellt. Dieser Inverter 10 umfasst eine Spannungsquelle UDC und drei Halbbrücken 14a, 14b, 14c, die auch als B6-Brücke bezeichnet werden können.
Ein Multilevelkonverter bzw. Multilevelumrichter ist sowohl gemäß dem Stand der Technik aber auch erfindungsgemäß dazu ausgebildet, bspw. für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, aus einer Gleichspannung eine bspw. dreiphasige Wechselspannung zu erzeugen. Der Multilevelkonverter umfasst mehrere gleichartige oder zumindest funktionell ähnlichartige Module und ist dazu ausgebildet, eine an einem Eingang anliegende Spannung, bspw. eine Gleichspannung oder Wechselspannung, in mindestens eine Spannung, d. h. eine oder mehrere Spannungen, beispielsweise mindestens eine Wechselspannung, am Ausgang umzuformen.
Die Module schalten dabei u. a. einen Strompfad zwischen mehreren alternativen
Strompfaden, wobei der Strom in den Modulen, in die die Energiespeicher, bspw.
Kondensatoren oder Batteriezellen, eingebettet sind, entweder in Laderichtung oder in Entladerichtung fließt und an einem Energiespeicher vorbeigeleitet oder aufgeteilt wird, wobei mehrere Energiespeicher beispielsweise unterschiedlicher Module elektrisch parallel und/oder in Reihe verschaltet werden. In einer Leistungselektronik werden entsprechende Schaltungen, d. h. sowohl traditionelle Inverter als auch Multilevelkonverter, in der Regel in Halbbrücken aus zwei unabhängigen Schaltern als Basiseinheit unterteilt und in der Regel auch zusammen auf einer elektronischen Baugruppe angeordnet. Es ist möglich, dass derartige Halbbrücken auch bereits in einem Bauteil integriert sind, wodurch eine Trennung der Halbbrücke nicht möglich ist. Figur 2a zeigt in schematischer Darstellung ein Modul 16 eines Multilevelkonverter mit hier vier Basiseinheiten Bl , B2, B3, B4 und einer Spannungsquelle 18 Ul , mit der den Basiseinheiten Bl und B2 eine Spannung mit den Potentialen U1 + und Ul- bereitgestellt wird. Den beiden Basiseinheiten B3 und B4 wird von einer zweiten, hier nicht gezeigten Spannungsquelle U2 eine Spannung mit den Potentialen U2+ und U2- bereitgestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Basiseinheit Bl und B3 miteinander verbunden sind. Jede Basiseinheit Bl , B2, B3, B4 umfasst hier vier Halbbrücken mit jeweils vier hochseitigen Schaltern 19a, 19c sowie vier tiefseitigen bzw. niedrigseitigen Schaltern 19b, 19d.
Jede Halbbrücke ist in der Lage, als Stromweiche zu agieren. Hierbei ist möglich, einen Strompfad zwischen einem Ausgang und einem hochseitigen Anschluss (High-Side- Anschluss), zwischen einem Ausgang und einem tiefseitigen bzw. niedrigseitigen
Anschluss (Low-Side-Anschluss) oder zwischen allen Anschlüssen bereitzustellen, wobei im letzten Fall gewollt ein Kurzschluss herbeizuführen ist.
Insgesamt weist das hier vorgestellte Modul 16 als Schalter zweiunddreißig MOSFETs auf, wobei jede Basiseinheit Bl , B2, B3, B4 eine MOSFET-Halbbrücke mit je vier hochseitigen Schaltern 19a, 19c und je vier tiefseitigen Schaltern 19b, 19d umfasst, wobei die jeweils vier hochseitigen Schalter und die jeweils vier tiefseitigen Schalter 19a, 19c zueinander parallel geschaltet sind. Beim Betrieb des Moduls 16 werden jeweils vier hochseitige Schalter bzw. vier tiefseitige Schalter einer Halbbrücke gleichzeitig an- und ausgeschaltet, wodurch eine Stromtragfähigkeit erhöht und ein Ohmscher Verlust gering gehalten werden kann. Weiterhin sind jeweils zwei als Halbbrücken ausgebildete
Basiseinheiten Bl und B2 an der ersten Spannungsquelle 18 Ul und die beiden weiteren Basiseinheiten B3 und B4 an der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen. Außerdem ist vorgesehen, dass die erste und die dritte Basiseinheit Bl und B3 sowie die zweite und die vierte Basiseinheit B2 und B4 miteinander verbunden sind, wodurch die erste und die dritte Basiseinheit Bl und B3 parallel zu der zweiten Basiseinheit B2 und B4 geschaltet sind. Beim Betrieb verhalten sich die erste und die dritte Basiseinheit Bl und B3 symmetrisch zu der zweiten und vierten Basiseinheit B2 und B4. Im Detail zeigt Fig. 2a die Schaltung und Fig. 2b eine typische geometrische Anordnung der Schalter 19a, 19b, 19c, 19d auf einer Leiterplatte. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in Figur 2b nur die Basiseinheiten Bl und B3 abgebildet. Die Basiseinheiten B2 und B4 verhalten sich identisch.
Zwischen den Schaltern 19a, 19b, 19c, 19d der beiden benachbarten Basiseinheiten Bl und B2 sind vier Strompfade möglich, die in Fig. 2b durch Doppelpfeile angedeutet sind. Ein Stromfluss von einem positiven ersten Pol U1 + zu einem negativen ersten Pol Ul- bzw. von einem positiven zweiten Pol U2+ zu einem negativen zweiten Pol U2- würde einen Kurzschluss bedeuten, und muss deshalb unbedingt vermieden werden.
Ein erstes Problem im Stand der Technik besteht darin, dass derartige Schaltungen sehr hohe Umschaltinduktiväten aufweisen. Wird Strom über eine oder, in der Regel, mehrere Halbbrücken bei einer sog. Kommutierung zwischen zwei Strompfaden umgeschaltet, muss sich ebenso ein Magnetfeld eines ersten Strompfads abbauen, wohingegen sich ein Magnetfeld eines zweiten Strompfads aufbaut. Da diese Magnetfelder Energie speichern, muss entsprechend die Energie von dem Magnetfeld des alten, ersten Strompfads zuerst in Strom umgesetzt werden, um das Magnetfeld abzubauen. Gleichzeitig muss der Strom des neuen, zweiten Strompfads ein entsprechendes Magnetfeld aufbauen.
Lediglich an Orten, an denen sich die Magnetfelder eines alten und eines neuen
Strompfads überlappen und eine ähnliche Größenordnung aufweisen, ist eine geringe und schnelle Umladung der Energie möglich. Diese Umladung der Energie benötigt einerseits Zeit, die weit länger als eine Dauer eines Umschaltvorgangs ist und mehrere 10 ns bis zu einigen \is andauern kann. Andererseits werden diese Ströme durchaus auch über anscheinend bereits geöffnete Schalter 19a, 19b, 19c, 19d getrieben, wodurch eine Spannung aufgrund einer niedrigen Kapazität ansteigt und ggf. Bauteile beschädigen oder zerstören kann. Zur Abhilfe werden im Stand der Technik in der Regel die Schaltzeiten enorm verlängert, damit nicht Schalter 19a, 19b, 19c, 19d geöffnet sind, während sich noch ein
Magnetfeld abbauen muss. Zusätzlich werden oft sogenannte Entlastungsschaltungen, die auch als Snubber, Schutzbeschaltungen oder Entlastungsnetze bezeichnet werden, eingesetzt, die die Ströme ableiten.
Beide Methoden aus dem Stand der Technik erzeugen jedoch hohe Verluste, weil die in dieser Zeit fließenden Ströme in der Regel in Wärme überführt werden. In den Figuren 3a, 3b, 3c und 3d sind vier unterschiedliche Kommutierungen bzw.
Schaltungen der beiden Basiseinheiten Bl , B2 des Moduls 16 des Multilevelkonverters dargestellt. Hierbei sind in Figur 3a Strompfade zwischen den tief- bzw. niedrigseitigen Schaltern 19b der ersten Basiseinheit Bl und den hochseitigen Schaltern 19c der zweiten Basiseinheit B2 geschaltet. In Figur 3b sind Strompfade zwischen den hochseitigen Schaltern 19a der ersten Basiseinheit Bl und den tiefseitigen Schaltern 19d der zweiten Basiseinheit B2 geschaltet. In Figur 3c sind Strompfade zwischen den hochseitigen Schaltern 19a, 19c zwischen den beiden Basiseinheiten Bl und B2 geschaltet. Außerdem sind in Figur 3d zwischen den tiefseitigen Schaltern 19b, 19d der beiden Basiseinheiten Bl , B2 Strompfade geschaltet. Übergänge zwischen den
Kommutierungen der Strompfade sind zwischen den Figuren 3a, 3b, 3c, 3d durch Doppelpfeile angedeutet. Wobei bei jeder Kommuntierung und/oder Umschaltung der Strompfade eine Induktivität entsteht.
Die Magnetfelder der einzelnen Strompfade weisen in der hier vorgestellten Layout- Anordnung auf der Platine nur sehr geringe Überlappungen auf. Diese sich nicht oder nur geringfügig überlappenden Magnetfelder spielen beim Wechsel zwischen zwei
Strompfaden eine Rolle. Dabei sind die induzierten Magnetfelder äquivalent zu einer Größe von Flächen, die von Leiterbahnen aufgespannt werden, durch die die Strompfade verlaufen. Dabei gilt für die bei der Kommutierung (K) zweier Strompfade Sa, Sb auftretende
Induktivität L unter Berücksichtigung der magnetischen Feldkonstante μο:
Figure imgf000017_0001
In der Regel werden einzelne Halbleiterbauelemente und somit Schalter 19a, 19b, 19c, 19d nicht gleich stark mit Strom belastet. Das bedeutet, dass sich der Strom nicht gleichmäßig auf die Schalter 19a, 19b, 19c, 19d aufteilt.
Diese ungleichmäßige Belastung durch den Strom kann statisch sein. Sofern es sich nicht um hohe Frequenzanteile im Strom handelt, ist ein unterschiedlich hoher Widerstand der einzelnen Strompfade dafür verantwortlich. Das Magnetfeld spielt hierbei keine Rolle.
Falls die Belastung durch den Strom jedoch auch dynamisch ist und nur bei starken Stromschwankungen und insbesondere Umschaltvorgängen auftritt, werden entlang der Strompfade aufgrund der Ströme, die durch die einzelnen Schalter 19a, 19b, 19c, 19d, hier Halbleiterschalter fließen, unterschiedlich starke Magnetfelder induziert, was auch zueinander parallele Strompfade durch die einzelnen Schalter 19a, 19b, 19c, 19d betrifft, auf die sich der Strom jedoch gleichmäßig aufteilen sollte. Während die
Induktivitäten bei großen Halbleiterschaltern, die aus einer Vielzahl von Einzelhalbleitern bestehen, aufeinander abgestimmt sind, interagieren auf platinenintegrierten
Leistungsschaltungen wegen der kleinen Abstände die Strompfade magnetisch mit den Strompfaden benachbarter Halbbrücken.
Beim Umschalten zwischen Strompfaden wird Energie induktiv gespeichert, die sich in Form von Spannungen ungeordnet abbaut.
Hierbei gilt für den Magnetfluss
φ = L I = B dA Dabei ist L die Induktivität, I ein fließender Strom, B das Magnetfeld und A die Magnetfeld durchströmte Fläche.
Für eine induzierte Spannung Und gilt:
Figure imgf000018_0001
Figur 4 deutet eine Kommutierung zwischen den in Figur 3b gezeigten Strompfaden und den in Figur 3a gezeigten Strompfaden an. Eine Änderung eines Stroms führt bei
10 Induktivitäten zu Überspannungen. Entscheidend hierbei ist eine hier in Figur 4 gezeigte, große Fläche 21 , die die geänderten Strompfade im Umschaltzeitpunkt umrandet bzw. umspannt und in der Magnetfelder induziert werden, was beim Schaltvorgang zu hohen Überspannungen führt, da induktive Energie unkontrolliert abgebaut wird. Die Flächen von Magnetfelder, die von Strömen durch die hier als MOSFETs ausgebildeten Schalter 19a,
15 19b, 19c, 19d induziert werden, sind unterschiedlich groß. Dies führt zu
unterschiedlichen Induktivitäten und damit Belastungen beim Umschalten. Die Folge ist eine Verkürzung der Lebensdauer stärker belasteter Transistoren der Schalter 19a, 19b, 19c, 19d. In Figur 4 sind vor dem Umschalten die hochseitigen Schalter 19a der ersten Basiseinheit Bl und die tief- bzw. niedrigseitigen Schalter 19d der dritten Basiseinheit B3
20 über Strompfade verbunden, wie in Figur 3b gezeigt. Nach dem Umschalten sind die tiefseitigen Schalter 19b der ersten Basiseinheit Bl und die hochseitigen Schalter 19c der dritten Basiseinheit B3 über Strompfade miteinander verbunden, wie in Figur 3a gezeigt. Transistoren mit der geringsten Induktivität beim Umschalten sind in Figur 4 jene, die den hochseitigen Schaltern 19a der ersten Basiseinheit Bl zugeordnet sind und
25 deren Strompfade sich berühren. Von diesen Transistoren wird bei der Umschaltung zuerst Strom geleitet, wobei die Transistoren in dieser kurzen Übergangsphase den gesamten Strom tragen müssen, bevor sich dieser langsam auf alle weiteren
Transistoren aller Schalter 19a, 19b, 19c, 19d verteilt. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Strompfad niemals von dem positiven Pol U1 + zu dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle sowie von dem positiven Pol U2+ zu dem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 führt. Diese Eigenschaft wird in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls genutzt, wodurch in einem Schaltzeitpunkt 5 aufgespannte Induktionsflächen zu verringern sind.
Die in Figur 4 dargestellten Strompfade der als MOSFETs ausgebildeten Schalter 19a, 19b, 19c, 19d sind unterschiedlich lang, wodurch sich Induktivitäten einzelner
Strompfade voneinander unterscheiden. Daraus ergibt sich, dass die Schalter 19a, 19b,
10 19c, 19d sowohl statisch als auch dynamisch ungleichmäßig belastet werden, weshalb einige der Schalter 19a, 19b, 19c, 19d höhere Ströme als andere tragen müssen und demnach entsprechend schneller altern. Dabei ist vorgesehen, dass Strompfade zwischen Schaltern 19a, 19b, 19c, 19d, die weit voneinander beabstandet sind, länger als Strompfade jener Schalter 19a, 19b, 19c, 19d sind, die zueinander geringere
15 Abstände aufweisen. Daraus ergibt sich jedoch, dass eine Induktivität beim Umschalten mit der Länge eines jeweiligen Strompfads steigt.
Zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ausgehend von dem in den Figuren 3 und 4 gezeigten Stand der Technik wird einerseits eine Feldamplitude eines 20 Magnetfelds jedes einzelnen Strompfads gesenkt und andererseits eine Überlappung der Magnetfelder maximiert.
Zum Bereitstellen des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters werden Strompfade bzw. Ströme möglichst weit verteilt, wobei Stromdichten sinken. Alternativ oder ergänzend 25 werden erste Strompfade, durch die Ströme in eine ersten Richtung fließen, in einer Nähe von zweiten Strompfaden angeordnet, durch die gleichzeitig Ströme in
entgegengesetzter Richtung fließen, wodurch Magnetfelder benachbarter,
entgegengesetzt fließender Ströme kompensiert werden, wodurch Feldamplituden der entsprechenden Magnetfelder reduziert werden. Die Überlappung der Magnetfelder wird bei zeitversetzt fließenden Strömen, die folglich nicht gleichzeitig fließen, da der Strom eines Strompfads auf einen zweiten Strompfad umgelenkt wird, erreicht, wenn ineinander umzuschaltende Strompfade, durch die Ströme mit gleicher Richtung fließen, nahe beieinander liegen, wobei der Strom gegenüber seinem ursprünglichen, ersten Strompfad bzw. Flussbett zu dem zweiten Strompfad nur minimal verschoben wird. In Ausgestaltung teilen die beiden Strompfade sogar Abschnitte, wodurch der Strom auf diesen Abschnitten seinen Lauf auch während der Umschaltung nicht ändern muss. Die bei der Kommutierung auftretende Induktivität zweier Strompfade ist dabei aus einer Koppelinduktivität von gleichzeitig von Strom durchflossenen Leitern, beispielsweise in einem Transformator, abzuleiten und kann für eine Schaltung ermittelt werden. Weiterhin ist bei einer Realisierung eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ausgehend vom Stand der Technik eine Belastung der Schalter zu reduzieren.
Figur 5a zeigt ein Beispiel eines Moduls 30 eines Multilevelkonverters mit einer ersten Basiseinheit 32 mit einem hochseitigen Schalter 32a, der über eine positive
Stromschiene 32c an einem Pluspol bzw. positiven Pol U1 + einer ersten
Spannungsquelle Ul angeschlossen ist, und einem tiefseitigen Schalter 32b, der über eine negative Stromschiene 32d an einem Minuspol bzw. negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul angeschlossen ist. Das Modul 30 umfasst eine zweite Basiseinheit 34 mit hochseitigen Schaltern 34a, die über eine positive Stromschiene 34c an einem Pluspol bzw. positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind, und zwei tiefseitigen Schaltern 34b, die über eine negative Stromschiene 34d an einem Minuspol bzw. negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind. Eine dritte Basiseinheit 36 umfasst zwei hochseitige Schalter 36a, die über eine positive Stromschiene 36c an dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul
angeschlossen sind, und tiefseitige Schalter 36b, die über eine negative Stromschiene 36d an dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul angeschlossen sind. Eine dritte Basiseinheit 38 umfasst zwei hochseitige Schalter 38a, die über eine positive Stromschiene 38c an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind, und zwei tiefseitige Schalter 38b, die über eine negative
Stromschiene 38d an einem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind. Eine vierte Basiseinheit 40 des Moduls 30 umfasst einen
hochseitigen Schalter 40a, der über eine positive Stromschiene 40c an dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul angeschlossen ist, und einen tiefseitigen Schalter 40b, der über eine negative Stromschiene 40d an dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul angeschlossen ist.
Bei einem Betrieb des Moduls 30 fließt Strom entlang eines ersten Strompfads 31 von dem ersten hochseitigen Schalter 32a der ersten Basiseinheit 32 zu einem ersten tiefseitigen Schalter 34b (links) der zweiten Basiseinheit 34, entlang eines zweiten Strompfads 31 von einem zweiten tiefseitigen Schalter 34b (rechts) der zweiten
Basiseinheit 34 zu einem ersten hochseitigen Schalter 36a (links) der dritten Basiseinheit 36. Außerdem fließt Strom entlang eines dritten Strompfads 31 von einem zweiten hochseitigen Schalter 36a (rechts) der dritten Basiseinheit 36 zu einem ersten
tiefseitigen Schalter 38b (links) der zweiten Basiseinheit 38. Entlang eines vierten Strompfads 31 fließt Strom von einem zweiten tiefseitigen Schalter 38b (rechts) der dritten Basiseinheit 38 zu einem hochseitigen Schalter 40a der dritten Basiseinheit 40. Ausgehend von dem in Figur 5a gezeigten Modul 30 ist die in Figur 5b gezeigte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 42 für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters bereitzustellen, wobei hierzu an den negativen Stromschienen 32d, 34d, 36d, 38d, 40d Anschlüsse des negativen Pols Ul- der ersten Spannungsquelle Ul mit Anschlüssen des negativen Pols U2- der zweiten
Spannungsquelle U2 vertauscht werden.
Bei diesem Modul 42 des Multilevelkonverters ist der hochseitige Schalter 32a der ersten Basiseinheit 32 an dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul und der entsprechenden positiven Stromschiene 32c angeschlossen. Dagegen ist der tiefseitige Schalter 32b über die negative Stromschiene 32d an dem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen. Bei der zweiten Basiseinheit 34 sind die hochseitigen Schalter 34a an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden positiven Stromschiene 34c angeschlossen, wohingegen die zwei tiefseitigen Schalter 34b an dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul und der entsprechenden negativen Stromschiene 34d angeschlossen sind. In Figur 5b sind bei der dritten Basiseinheit 36 die hochseitigen Schalter 36a an dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul und der entsprechenden positiven Stromschiene 36c angeschlossen. Die tiefseitigen Schalter 36b sind jedoch an dem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden negativen Stromschiene 36d angeschlossen. Die zwei hochseitigen Schalter 38a der dritten Basiseinheit 38 sind an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden positiven Stromschiene 38c angeschlossen. Die beiden tiefseitigen Schalter 38b sind an dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul und der entsprechenden negativen Stromschiene 38d angeschlossen. Der hochseitige Schalter 40a der vierten Basiseinheit 40 ist an dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul und der entsprechenden positiven Stromschiene 40c angeschlossen. Allerdings ist hier der tiefseitige Schalter 40b an dem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden negativen Stromschiene 40d angeschlossen. In jeder Basiseinheit 32, 34, 36, 38, 40 bilden jeweils ein hochseitiger Schalter 32a, 34a, 38a, 40a und ein tiefseitiger Schalter 32b, 34b, 36b, 38b, 40b, die unmittelbar benachbart sind, jeweils eine Halbbrücke.
Bei einem Betrieb des Moduls 40 fließt Strom nunmehr entlang von verkürzten
Strompfaden 33 innerhalb einer jeweiligen Basiseinheit 32, 36, 40, nämlich zwischen dem positiven Pol U1 + und dem negativen Pol U2- entlang eines ersten Strompfads 33 von dem hochseitigen Schalter 32a zu dem tiefseitigen Schalter 32b der ersten
Basiseinheit 32. In der dritten Basiseinheit 36 erstreckt sich ausgehend von dem ersten hochseitigen Schalter 36a (links) ein zweiter Strompfad 33 zu dem ersten tiefseitigen Schalter 36b (links). Ein dritter Strompfad 33 verläuft ebenfalls innerhalb der dritten Basiseinheit 36 von dem zweiten hochseitigen Schalter 36a (rechts) zu dem zweiten tiefseitigen Schalter 36b (rechts). Dabei verbinden diese beiden Strompfade den positiven Pol U1 + mit dem negativen Pol U2-. Außerdem führt ein vierter Strompfads 33 in der fünften Basiseinheit 40 von dem hochseitigen Schalter 40a zu dem tiefseitigen Schalter 40b und verbindet ebenfalls den positiven Pol U1 + mit dem negativen Pol U2-.
Somit werden die langen, diagonalen Strompfade 31 (Figur 5a) durch kurze, direkte Strompfade 33 (Figur 5b) ersetzt.
Figur 6a zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Moduls 44 eines
Multilevelkonverters mit einer ersten Basiseinheit 46 mit hier vier hochseitigen Schaltern 46a, die über eine positive Stromschiene 46c an einem positiven Pol U1 + einer ersten Spannungsquelle Ul angeschlossen sind, und vier tiefseitigen Schaltern 46b, die über eine negative Stromschiene 46d an einem negativen Pol U1 + der ersten
Spannungsquelle Ul angeschlossen sind. Das Modul 44 umfasst außerdem eine zweite Basiseinheit 48 mit vier hochseitigen Schaltern 48a, die über eine positive Stromschiene 48c an einem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind, und vier tiefseitige Schaltern 48b, die über eine negative Stromschiene 48d an einem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind.
Bei einem Betrieb des Moduls 44 fließt Strom über Strompfade 50 von den hochseitigen Schaltern 46a der ersten Basiseinheit 46 zu den tiefseitigen Schalter 48b der zweiten Basiseinheit 48.
Ausgehend von dem in Figur 6a gezeigten Modul 44 ist die in Figur 6b gezeigte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 52 für die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters bereitzustellen, wobei hierzu Anschlüsse des negativen Pols Ul- der ersten Spannungsquelle Ul mit Anschlüssen des negativen Pols U2- der zweiten Spannungsquelle U2 vertauscht werden.
Bei diesem Modul 52 des Multilevelkonverters sind die hochseitigen Schalter 46a der ersten Basiseinheit 46 an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle Ul über die positive Stromschiene 46c angeschlossen. Dagegen sind die tiefseitigen Schalter 46b an dem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 über die negative Stromschiene 46d angeschlossen. Bei der zweiten Basiseinheit 48 sind die hochseitigen Schalter 48a an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 über die positive Stromschiene 48c angeschlossen, wohingegen die tiefseitigen Schalter 48b an dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul über die negative Stromschiene 48d angeschlossen sind.
Außerdem bilden jeweils ein hochseitiger Schalter 46a, 48a und ein tiefseitiger Schalter 46b, 48b, die innerhalb einer Basiseinheit 46, 48 unmittelbar benachbart sind, eine Halbbrücke. Die Schalter 46a, 46b, 48a, 48b sind als Halbleiterschalter bspw.
Transistoren oder IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet.
Bei einem Betrieb des Moduls 52 fließt Strom nur entlang von vier verkürzten
Strompfaden 53 innerhalb der ersten Basiseinheit 46 von einem hochseitigen Schalter 46a zu einem unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schalter 46b, wobei jeweils ein Strompfad 53 zwischen beiden Schaltern 46a, 46b einer Halbbrücke der jeweiligen Basiseinheit 46 verläuft.
Durch Vertauschen der beiden negativen Pole Ul- und U2- an den negativen
Stromschienen 46d, 48d werden die langen, diagonalen Strompfade 50 (Figur 6a) vom positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul zum negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle durch die deutlich kürzeren Strompfade 53 (Figur 6b) ersetzt. Bei dem Modul 52 werden lange diagonale Strompfade zwischen dem positiven Pol U1 + und dem negativen Pol Ul- bzw. zwischen dem positiven Pol U2+ und dem negativen Pol U2-, und demnach Strompfade zwischen den beiden Basiseinheiten 46, 48 üblicherweise nicht auftreten, da dies einem Kurzschluss entspräche.
Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 52 aus Figur 6b ist auch in Figur 7a ohne Strompfade 53 gezeigt. Darauf basierend ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 54 für eine dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Multilevelkonverters bereitzustellen. Hierbei wird die erste
Basiseinheit 46 in drei erste Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3 aufgeteilt, wobei die hochseitigen Schalter 46a der drei ersten Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3 über die positiven Stromschiene 46c mit dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul verbunden sind. Die tiefseitigen Schalter 46b der drei ersten Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3 sind über die negativen Stromschienen 46d mit dem negativen Pol U2- der zweiten
5 Spannungsquelle 42 verbunden. Die zweite Basiseinheit 48 wird in zwei zweite
Basiseinheiten 48.1 , 48.2 aufgeteilt. Dabei sind die hochseitigen Schalter 48a der zwei zweiten Basiseinheiten 48.1, 48.2 über die positiven Stromschienen 48c mit dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle und die tiefseitigen Schalter 48b der zwei zweiten Basiseinheiten 48.1 , 48.2 über die negativen Stromschienen 48d mit dem
10 negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle verbunden.
Auf einer Platine des Moduls 54 sind die erste erste Basiseinheit 46.1 , die erste zweite Basiseinheit 48.1 , die zweite erste Basiseinheit 46.2, die zweite zweite Basiseinheit 48.2 und die dritte erste Basiseinheit 46.3 jeweils nebeneinander angeordnet. Diese
15 Ausführungsform des Moduls 54 für den Multilevelkonverter entspricht vom Aufbau her und funktionell auch dem in Figur 5b gezeigten Beispiel des Moduls 42 für die erste Ausführungsform des Multilevelkonverters, wobei Basiseinheit 32 Basiseinheit 46.1 , Basiseinheit 34 Basiseinheit 48.1, Basiseinheit 36 Basiseinheit 46.2, Basiseinheit 38 Basiseinheit 48.2 und Basiseinheit 40 Basiseinheit 46.3 entspricht.
20
Somit wurden die ursprünglichen Basiseinheiten 46, 48 jeweils in einzelne Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3, 48.1 , 48.2 aufgeteilt, wodurch Strompfade zwischen den Schaltern 46a, 46b, 48a, 48b verkürzt und Magnetfelder, die bei Kommutierungen durch sich ändernde Ströme entstehen, reduziert werden. Die Aufteilung der ursprünglichen 25 Basiseinheiten 46, 48 in jeweils einzelne Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3, 48.1 , 48.2 ist auch als Verflechtung der Schalter 46a, 46b, 48a, 48b der Halbbrücken ineinander zu bezeichnen.
Somit ist jeweils neben einem hochseitigen Schalter 46a einer ersten Basiseinheit 46.1 , 30 46.2, 46.3, der an dem positiven Pol U1 + der ersten Spannungsquelle Ul
angeschlossen ist, ein unmittelbar benachbarter hochseitiger Schalter 48a einer zweiten Basiseinheit 48.1 , 48.2, der an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen ist, angeordnet. Außerdem ist jeweils neben einem tiefseitigen Schalter 46b einer ersten Basiseinheit 46.1 , 46.2, 46.3, der an dem negativen Pol U2- der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen ist, ein unmittelbar benachbarter tiefseitiger 5 Schalter 48b einer zweiten Basiseinheit 48.1 , 48.2, der an dem negativen Pol Ul- der ersten Spannungsquelle Ul angeschlossen ist, angeordnet.
Die dritte Ausführungsform des Moduls 54 ist ebenfalls jeweils in einer der Figuren 8a, 8b, 8c, 8d in unterschiedlichen Kommutierungen bzw. Betriebszuständen schematisch
10 dargestellt. Bei einer ersten Kommutierung (Figur 8a) verlaufen jeweils nur zwischen
hochseitigen Schaltern 48a und tiefseitigen Schaltern 48b, die in den zweiten
Basiseinheiten 48.1 , 48.2 unmittelbar benachbart sind und eine Halbbrücke bilden, Strompfade 56. Bei einer zweiten Kommutierung (Figur 8b) verlaufen jeweils nur zwischen hochseitigen Schaltern 46a und tiefseitigen Schaltern 46b, die in den ersten
15 Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3 unmittelbar benachbart sind und jeweils eine Halbbrücke bilden, Strompfade 58. Bei einer dritten Kommutierung (Figur 8c) verlaufen Strompfade 60 zwischen einem hochseitigen Schalter 46a einer ersten Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3 und dem dazu unmittelbar benachbarten hochseitigen Schalter 48a einer unmittelbar benachbarten zweiten Basiseinheit 48.1 , 48.2. Bei einer vierten Kommutierung (Figur 8d)
20 verlaufen Strompfade 62 zwischen einem tiefseitigen Schalter 46b einer ersten
Basiseinheit 46.1 , 46.2, 46.3 und dem dazu unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schalter 48b einer unmittelbar benachbarten zweiten Basiseinheit 48.1 , 48.2.
Somit erstrecken sich bei allen dargestellten Kommutierungen Strompfade 56, 58, 60, 25 62 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Schaltern 46a, 46b, 48a, 48b einer
jeweiligen Halbbrücke. Bei den beiden ersten Kommutierungen aus den Figuren 8a und 8b verlaufen die Strompfade 56, 58 jeweils innerhalb einer Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3, 48.1 , 48.2 zwischen einem hochseitigen und einem tiefseitigen Schalter 46a, 46b, 48a, 48b. Bei der dritten und vierten Kommutierung aus den Figuren 8c und 8d verlaufen 30 die Strompfade 60, 62 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Basiseinheiten 46.1 , 46.2, 46.3, 48.1 , 48.2 entweder zwischen unmittelbar benachbarten hochseitigen Schaltern 46a, 48a oder zwischen zwei unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schaltern 46b, 48b. Wie durch die Doppelpfeile zwischen den Figuren 8a, 8b, 8c, 8d angedeutet, ist es möglich, zwischen jeweils zwei Kommutierungen beliebig zu schalten. Bei einem Schalten zwischen zwei Kommutierungen erfahren sämtliche Schalter 46a, 46b, 48a, 48b dieselbe Induktivität.
Das bereits anhand von Figur 6b vorgestellte Modul 52 ist weiterhin auch in Figur 9 schematisch dargestellt. Außerdem wird nochmals auf Figur 2b verwiesen, in der
Strompfade zwischen einzelnen Schaltern 19a, 19b, 19c, 19d durch Doppelpfeile angedeutet sind. Dagegen sind bei dem in Figur 9 dargestellten Modul 52 der zweiten Ausführungsform des Multilevelkonverters negative Stromschienen und somit
Verbindungen zu den beiden negativen Polen Ul- und U2- zwischen den beiden
Basiseinheiten 46, 48 vertauscht. Hierdurch sind die in Figur 9 durch Doppelpfeile angedeuteten verkürzten Strompfade bereitzustellen. Dabei sinkt mit Verkürzung der Strompfade auch ein Wert von Magnetfeldern, die beim Umschalten induziert werden.
In Figur 10 ist das Beispiel des Moduls 42 für die erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Multilevelkonverters aus Figur 5b nochmals dargestellt. Dabei zeigt Figur 10, dass zwischen jeweils einem hochseitigen Schalter 32a, 34a, 36a, 38a, 40a und dem unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schalter 32b, 34b, 36b, 38b, 40b, die jeweils eine Halbbrücke einer Basiseinheit 32, 34, 36, 38, 40 bilden, ein Strompfad 33 direkt verläuft. Aufgrund der Verflechtung und/oder Vertauschung der negativen Pole Ul-, U2- ergeben sich beim Umschalten nur geringe aufgespannte Flächen 60 mit geringer Induktivität. Insgesamt verläuft bei allen möglichen Schaltvarianten bzw. Kommutierungen ein Strompfad 33 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Schaltern 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b einer Halbbrücke, d. h. zwischen jeweils einem hochseitigen Schalter 32a, 34a, 36a, 38a, 40a und einen tiefseitigen Schalter 32b, 34b, 36b, 38b, 40b. Hierdurch wird eine zeitliche Änderung der Flächen 60 der Strompfade 33 minimiert. Außerdem sind sämtliche Strompfade 33 für sämtliche miteinander verbundene Schalter 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, die als
MOSFETs ausgebildet sind, gleich lang, wodurch sämtliche Schalter 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b beim Umschalten induktiv gleich belastet werden. Weiterhin sind sämtliche Strompfade 33 gleich lang und weisen im Unterschied zum Stand der Technik nicht unterschiedliche Längen auf, weshalb sämtliche Schalter 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b beim Schalten gleichartig belastet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Modul, das als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet ist und mehrere Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) sowie
5 elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 ,
10 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2), die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander
benachbart angeordnet sind, vorgesehen ist, dass bei einer ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle
15 und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem
20 positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (33, 53, 56, 58, 60, 62) zu transportieren ist.
25 2. Modul nach Anspruch 1 , bei dem der mindestens eine Strompfad (33, 53, 56, 58, 60, 62) zwischen mindestens zwei unmittelbar benachbarten Schaltern (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) zu schalten ist.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Schalter (32a, 32b, 34a, 30 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) der mindestens einen
Halbbrücke als Halbleiterschalter ausgebildet ist.
4. Modul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) eine positive Stromschiene (32c, 34c, 36c, 38c, 40c, 46c, 48c) und eine negative Stromschiene (32d, 34d, 36d, 38d,
5 40d, 46d, 48d) umfasst, wobei der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) der mindestens einen Halbbrücken mit der positiven
Stromschiene (32c, 34c, 36c, 38c, 40c, 46c, 48c) und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) der mindestens einen Halbbrücken mit der negativen Stromschiene (32d, 34d, 36d, 38d, 40d, 46d, 48d) verbunden ist.
10
5. Modul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine elektrische Energiequelle als Spannungsquelle ausgebildet ist.
6. Modul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Basiseinheiten (32, 15 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) auf einer Platine angeordnet sind.
7. Multilevelkonverter, der mehrere Module (42, 52, 54) aufweist, wobei jedes Modul (42, 52, 54) mehrere Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (32, 34,
20 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2), die innerhalb des Moduls (42, 52, 54) unmittelbar
25 nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen ist, dass bei einer ersten
Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter
30 (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2,
46.3, 48, 48.1 , 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol 5 der ersten Energiequelle verbunden ist, wobei Strom zwischen zwei Polen über
mindestens einen Strompfad (33, 53, 56, 58, 60, 62) zu transportieren ist.
8. Multilevelkonverter nach Anspruch 7, bei dem sämtliche Module (42, 52, 54) gleich ausgebildet sind.
10
9. Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, der als Energiequelle für eine elektrische Maschine ausgebildet ist.
10. Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, der in einem elektrischen 15 Energienetzwerk eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
11. Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters, der als Komponenten mehrere Module (42, 52, 54) aufweist, wobei jedes Modul (42, 52, 54) mehrere Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) sowie elektrische
20 Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1 ,
25 48.2), die innerhalb des Moduls (42, 52, 54) unmittelbar nebeneinander benachbart
angeordnet sind, vorgesehen wird, dass bei einer ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und
30 der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden wird, und wobei bei einer zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 5 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle
verbunden wird, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) transportiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem der mindestens eine Strompfad (32a, 34a, 10 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) zum Transportieren von Strom direkt zwischen dem
mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und dem mindestens einen tiefseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) der mindestens einen Halbbrücke geschaltet wird.
15 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der mindestens eine Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) zum Transportieren von Strom direkt zwischen einem Schalter (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) der ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1 , 48.2) und einem Schalter (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a,
20 48b) der zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1 , 46.2, 46.3, 48, 48.1,
48.2) geschaltet wird, die unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem von jedem Modul (42, 52, 54) eine Ausgangsspannung bereitgestellt wird, wobei mindestens zwei Module (42, 52, 25 54) zueinander in Reihe und/oder zueinander parallel geschaltet werden, wobei aus den Ausgangsspannungen der zueinander parallel und/oder in Reihe geschalteten Module (42, 52, 54) für den Multilevelkonverter eine resultierende Ausgangsspannung
bereitgestellt wird.
30 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem Strom durch mindestens einen ersten Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) transportiert wird, wobei bei einer Kommutierung eines jeweiligen Moduls (42, 52, 54) der mindestens eine erste Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) deaktiviert und mindestens ein zweiter Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) aktiviert wird, wobei der Strom nach der Kommutierung durch den mindestens einen zweiten Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) transportiert wird.
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