WO2021038155A1 - Modular multilevel converter for low-voltage application with optimized inductors and increased number of levels - Google Patents

Modular multilevel converter for low-voltage application with optimized inductors and increased number of levels Download PDF

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WO2021038155A1
WO2021038155A1 PCT/FR2020/051449 FR2020051449W WO2021038155A1 WO 2021038155 A1 WO2021038155 A1 WO 2021038155A1 FR 2020051449 W FR2020051449 W FR 2020051449W WO 2021038155 A1 WO2021038155 A1 WO 2021038155A1
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Igino TOIGO
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Definitions

  • the invention relates generally to voltage source converters, and more particularly to a modular multilevel converter (MMC) for low voltage application.
  • MMC modular multilevel converter
  • Multilevel converters have aroused great interest in this industry. They have different advantages such as lower harmonic distortion, smaller filter size, reduced electromagnetic interference (EMI), and higher efficiency. Additionally, low voltage semiconductor devices can be used to synthesize higher voltage levels.
  • EMI electromagnetic interference
  • NPC neutral point clamped
  • FC flying capacitors
  • MMC multi-level modular converter
  • the MMC topology introduced in the early 2000s for the high voltage direct current (HVDC) converter, has received special attention due to its many features.
  • the most relevant features are: modularity, scalability and reliability.
  • an MMC i.e. a multi-level modular converter
  • an MMC is made up of six modules, each connecting an AC terminal to a DC terminal.
  • each module of the two-level converter is a high voltage switch consisting of a large number of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), or equivalent semiconductors such as transistors, Mosfet SICs, etc., connected in series and acting as one
  • IGBTs or other semiconductors are connected in series in order to have an equivalent device of higher voltage.
  • Each MMC module includes a number of independent conversion submodules, each containing its own storage capacitor.
  • each submodule contains two IGBTs connected in series across the capacitor, with the electrical node coupled to the two IGBTs and one of the two capacitor terminals pulled out to form two external connections.
  • the capacitor is bypassed or connected to the circuit.
  • Each submodule therefore acts as an independent two-level converter generating a voltage of zero or of a value U sm (where Usm is the voltage of the capacitor of the submodule).
  • the MMC differs from other converter types in that current flows continuously through the six converter modules throughout the mains frequency cycle.
  • the direct current divides equally into the three phases and the alternating current divides equally into the upper and lower modules of each phase.
  • a typical MMC for an HVDC application contains about 300 submodules connected in series in each valve and is therefore equivalent to a 301 level converter. Therefore, the harmonic performance is excellent and no filter is generally required.
  • the MMC has two main drawbacks. First of all, the control is much more complex than that of a two-level converter. Balancing the voltages of each of the submodule capacitors is a tall order and requires considerable computing power and high speed communications between the central control unit and the valve. Second, the submodule capacitors themselves are large and bulky. An MMC is considerably larger than a comparable level converter, although this can be compensated by the space saving due to the absence of filters.
  • MMCs Due to the main characteristics (modularity, scalability and reliability) offered by the MMC topology, MMCs are used in high and medium voltage applications. For low voltages, MMCs are generally not used in industrial applications.
  • the MMC topology could be arranged with a high number of modules in order to share the voltage using lower quality components. This concept could also be extended to low voltage applications, but given the complexity of the components available (mainly solid state switches) the reliability and target power of the converter must be taken into account. 2
  • FIG. 1 is illustrated a three-phase MMC 100, known in the state of the art, designed to be coupled to a power supply 101.
  • Each branch 102 of the MMC 100 comprises two arms 104 (an upper arm and a lower arm) with two modules 106 by arm 104.
  • Each module 106 comprises two switching units 108 coupled in series, and a capacitor 110 coupled in parallel with the assembly formed by the two switching units 108 in series.
  • Each switching unit 108 is formed by a MOSFET transistor coupled in parallel with a diode.
  • the two upper and lower arms 104 of the same branch 102 are coupled to an output terminal 112 of the leg by means of two separate inductors 114, an upper inductor 114 coupled between the upper arm 104 and the output terminal 112 and a lower inductor 114 coupled between lower arm 104 and output terminal 112.
  • the three-phase MMC 100 illustrated in figure 1 represents the minimum installation to be able to use an MMC topology for a low voltage application.
  • the two arms 104 of a branch 102 operate practically in parallel.
  • the upper current i u is defined by the following equation 1:
  • the upper current i u (t) and the lower current h (t) have one term representing the output current i out defined in Equation 3, and two common mode terms representing the circulating current defined by equation 4.
  • I dc depends only on the power managed by the inverter, which, in a three-phase inverter, corresponds to the total output power P out
  • I 2w cos (2w ⁇ + f) depends on the current control strategy used. As a general rule, the higher the circulating second harmonic current, the lower the value required for the capacitance of each module for the same voltage ripple. Even the value of inductors and capacitors influences the flow of second harmonic current.
  • Low voltage has been defined internationally as up to 1000 V A c and 1500 V DC - Indeed, in low voltage industrial applications, there are two main direct current buses (DC buses) used to operate an inverter. : - 800 Vnom 1000 Vmax
  • the potentially usable semiconductors are:
  • the optimal choice is to use 650V or 1200V components.
  • N is the number of modules 106 per arm 104
  • V n0 m is the nominal voltage of the DC bus and 1
  • 5 is a safety margin taking into account any possible voltage increase during operation, such as overvoltage peaks, voltage higher than rated voltage, etc.
  • the number N of modules 106 per branch 104 in a low voltage MMC is calculated with:
  • the minimum and optimal number N of modules 106 per branch 104 is two modules 106.
  • NPC neutral point clamped inverter
  • TNPC a derivative solution with a similar arrangement
  • a topology with a number of levels greater than three is possible and also applies to medium or high voltage applications, but its complexity and cost are so high that its use could only be justified under specific conditions and not for specific conditions. low voltage industrial applications.
  • NPCs suffers from a major drawback due to the parasitic inductance which can limit the operation when a high current or a large variation in current (dl / dt), due to high speed devices, are used in particular when four quadrant operation is required.
  • the leakage inductance in the switching loops limits the maximum current and the time variation of the current (Dl / dt).
  • the main critical situations appear when the inverter manages a current of opposite sign to the voltage or when it is used as a rectifier.
  • each module can be made with two switches and a capacitor, parasitic inductance can be minimized quite easily even by using a standard and inexpensive module assembly.
  • the switches are always modulated and not just half-wave.
  • the amount of current flowing depends on the power but also on the modulation strategy (control of the flowing current) and the V dc and V out ratios.
  • the switches dissipate the same amount of loss, resulting in more uniform temperature operation.
  • each capacitor 110 in the circuit operates independently of each other and that there is no ripple compensation in a three-phase system or compensation between the upper and lower arms. Due to the independence of the modules 106, the modulation requested for the synthesis of the output voltage could be applied with some freedom between the modules 106.
  • phase shift carrier or “phase sift carrier” in English
  • phase sift carrier in English
  • This strategy modulation could be of two types: phase-shifted carrier with N carriers or phase-shifted carrier with 2N carriers, N being the number of modules.
  • the modules of the same arm are driven by a PWM generated from the same signal using carriers shifted by 2p / N.
  • the upper and lower arms are driven with the same PWM.
  • the upper arm modules are driven with a PWM generated using carriers shifted by 2p / N.
  • the modules located in the lower arm are driven by a PWM generated using carriers offset by 2p / N from each other but synchronized with a p / N offset from the upper arm.
  • the present invention proposes an MMC topology which can be used equally well for medium and high voltage applications as for low voltage applications and which has an optimized dimension.
  • a multilevel modular converter comprising at least one branch intended to be connected to a phase, said at least one branch comprising at least a first and at least a second external modules and an internal module.
  • each external module and each internal module comprising:
  • a first and a second switching unit each comprising a diode, a transistor, a first connector electrically connected to a first pole of the diode and a first pole of the transistor, and a second connector electrically connected to a second pole of the diode and a second pole of the transistor,
  • a third terminal electrically connected to the second connector of the first switching unit and to the first connector of the second switching unit.
  • Said at least one branch comprising a first inductor having a pole connected respectively to the third terminal of an internal or external module and a second inductor having a pole connected to the third terminal of an internal or external module distinct from the internal or external module to which the first inductor is coupled.
  • said at least one branch comprises a third inductor, said at least one branch being configured to be electrically connected to a phase of a load via said third inductor.
  • the inductance value of the first inductor of the branch may be equal to the inductance value of the branch.
  • second inductance of the branch and the inductance value of the third inductor of the branch can be equal to half of the inductance value of the first inductor of the branch.
  • said at least one internal module may further comprise a capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the internal module and a second pole electrically connected to the second terminal of the internal module.
  • the converter can also include a first external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of a first external module and a second pole electrically connected to the second terminal of a first external module, and a second external capacitor comprising a a first pole electrically connected to the first terminal of a second external module and a second pole electrically connected to the second terminal of a second external module.
  • the converter may further include a control unit configured to drive the first and second external modules with a modulation pattern calculated by a phase-shifted carrier with N carriers, N being an integer value, and for drive the internal module with a pulse width modulation (PWM) signal calculated by an n-phase carrier, where n is an integer value and the same error signal.
  • a control unit configured to drive the first and second external modules with a modulation pattern calculated by a phase-shifted carrier with N carriers, N being an integer value, and for drive the internal module with a pulse width modulation (PWM) signal calculated by an n-phase carrier, where n is an integer value and the same error signal.
  • PWM pulse width modulation
  • the converter can include three branches, each configured to be connected to a different phase, and the first external capacitor can be electrically coupled in parallel to the first external module of the three branches, and the first external capacitor can be electrically coupled in parallel with the first external module of the three branches.
  • second external capacitor can be electrically coupled in parallel to the second external module of the three branches.
  • said at least one branch may include only a first external module, a second external module and an internal module, the third terminal of the first external module being electrically coupled to the first terminal of the internal module via a first inductor, the third terminal of the second external module being electrically coupled to the second terminal of the internal module via a second inductor, the third terminal of the internal module being configured to be connected to a phase of a load or a network to which the converter is configured to be connected, and the second terminal of the first external module being electrically connected to the first terminal of the second external module.
  • the converter may further comprise a first external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the first external module of said at least one branch and a second pole electrically connected to the second terminal of the first module of said at least one branch. at least one branch, and a second external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the second external module of said at least one branch and a second pole electrically connected to the second terminal of the second module of said at least one branch.
  • the first and second external capacitors are coupled together.
  • the two capacitors can share the total voltage, act dynamically with a double capacitance value, and be common to the three branches when the converter is in a three phase converter configuration.
  • the MMC not only to be used for a low voltage application, but also to have a reduced overall size with a reduced number of capacitors and without complex processing.
  • the output current of each branch is limited by the values of the various electrical elements of the converter, such as capacitances.
  • control unit is configured to control the current in said at least one branch by monitoring the current in the first external module and in the second external module.
  • FIG. 1 is a three-phase MMC topology with two modules per arm and three levels as known in the state of the art.
  • FIG. 4 schematically represents a single-phase multilevel modular converter according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 5 schematically represents a three-phase multilevel modular converter according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 6 schematically shows a single-phase multilevel modular converter according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 schematically represents a modular multilevel converter (MMC) according to a first embodiment of the invention.
  • MMC modular multilevel converter
  • the MMC 1 comprises three modules: a first external module 2, a second external module 3 and an internal module 4.
  • Each external and internal module 2 to 4 comprises a first switching unit 7, a second switching unit 8, a first terminal 9, a second terminal 10 and a third terminal 11.
  • Each first and second switching unit 7 and 8 comprises a diode 12, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 13, a first connector 14 electrically connected to a first pole of the diode 12 and to a first pole of the IGBT 13 , and a second connector 15 electrically connected to a second pole of the diode 12 and to a second pole of the IGBT 13.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the first terminal 9 of a module 2 to 4 is electrically connected to the first connector 14 of its first switching unit 7.
  • the second terminal 10 of a module 2 to 4 is electrically connected to the second connector 15 of its second switching unit 8.
  • the third terminal 11 of a module 2 to 4 is electrically connected to the second connector 15 of its first switching unit 7 and to the first connector 14 of its second switching unit 8.
  • the third terminal 11 of the first external module 2 is electrically coupled to the first terminal 9 of the indoor module 4 via a first inductor 16.
  • the third terminal 11 of the second outdoor module 3 is electrically coupled to the second terminal 10 of the indoor module 4 via a second inductor 17.
  • the third terminal 11 of the indoor module 4 is electrically coupled to a first pole of a third inductor 21 with a second pole configured to be connected to a phase of a load or network to which the MMC 1 is configured to be connected.
  • the second terminal 10 of the first external module 2 is electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3.
  • the internal module 4 comprises an internal capacitor 18, having an internal capacitance value C m and comprising a first pole 180 electrically connected to the first terminal 9 of the internal module 4 and a second pole 185 electrically connected to the second terminal 10 of the internal module 4.
  • the MMC 1 also comprises a first external capacitor 19 having a first external capacitance value C top and comprising a first pole 190 electrically connected to the first terminal 9 of the first external module 2 and a second pole 195 electrically connected to the second terminal 10 of the first external module 2, and a second external capacitor 20 having a second external capacitance value C ottom and comprising a first pole 200 electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3 and a second pole 205 electrically connected to the second terminal 10 of the second external module 3.
  • a first external capacitor 19 having a first external capacitance value C top and comprising a first pole 190 electrically connected to the first terminal 9 of the first external module 2 and a second pole 195 electrically connected to the second terminal 10 of the first external module 2
  • a second external capacitor 20 having a second external capacitance value C ottom and comprising a first pole 200 electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3 and a second pole 205 electrically connected to the second terminal
  • the MMC 1 is coupled to an input voltage V D c via the first terminal 9 of the first external module 2 and the second terminal 10 of the second external module 3.
  • the MMC 1 illustrated in FIG. 4 further comprises a filter capacitor 22 coupled between the reference point in a voltage distribution system (ground, neutral, etc.) and an output terminal of the MMC 1 which corresponds to the second pole of the third inductor 21.
  • This filtering capacitor 22 makes it possible to compensate for the ripple of the output choke current in order to filter the switching frequency and to keep only the fundamental of the output voltage (50 or 60Hz).
  • FIG. 5 schematically illustrates a three-phase MMC 31 according to another embodiment of the invention.
  • the MMC 31 comprises three branches 30 each comprising three modules: a first external module 32, a second external module 33 and an internal module 34.
  • Each branch 30 of the three-phase MMC 31 is composed of its three modules 32 to 34 in the same way as the single-phase MMC 1 illustrated in FIG. 4.
  • each external and internal module 32 to 34 comprises a first switching unit 37, a second switching unit 38, a first terminal 39, a second terminal 40 and a third terminal 41.
  • Each first and second switching unit 37 and 38 of a branch 30 comprises a diode 42, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 43, a first connector 44 electrically connected to a first pole of the diode 42 and a first pole of the IGBT 43 and a second connector 45 electrically connected to a second pole of the diode 42 and to a second pole of the IGBT 43.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the first terminal 39 of a module 32 to 34 of a branch 30 is electrically connected to the first connector 44 of its first switching unit 37.
  • the second terminal 40 of a module 32 to 34 is electrically connected to the second connector 35 of its second switching unit 38.
  • the third terminal 41 of a module 32 to 34 is electrically connected to the second connector 45 of its first switching unit 37 and to the first connector 44 of its second switching unit 38.
  • the third terminal 41 of the first external module 32 of the branch 30 is electrically coupled to the first terminal 39 of the internal module 34 of the same branch 30 via a first inductor 46.
  • the third terminal 41 of the second external module 33 of the branch 30 is electrically coupled to the second terminal 40 of the indoor module 34 of the same branch 30 via a second inductor 47.
  • the third terminal 41 of the internal module 34 of the branch 30 is electrically coupled to a first pole of a third inductor 51 provided with a second pole intended to be connected to a phase of a load or of a network to which the MMC 31 is intended to be connected.
  • the second terminal 40 of the first external module 32 of the branch 30 is electrically connected to the first terminal 39 of the second external module 33 of the same branch 30.
  • the internal module 34 of each branch 30 comprises an internal capacitor 48, having an internal capacitance value C m and comprising a first pole 480 electrically connected to the first terminal 39 of the internal module 34 of its branch 30 and a second pole 185 electrically connected to the second terminal 40 of the internal module 34 of its branch 30.
  • the MMC 1 also includes a first external capacitor 49 and a second external capacitor 50.
  • the first external capacitor 49 is coupled in parallel with the first external module 32 of the three branches 30, and the second external capacitor 50 is coupled in parallel with the second external module. 33 of the three branches 30.
  • the first external capacitor 49 has a first external capacitance value C top and comprises a first pole 490 electrically connected to the first terminal 39 of the first external module 32 of each branch 30 and a second pole 495 electrically connected to the second terminal 40 of the first external module 32 of each branch 30.
  • the second external capacitor 50 has a second external capacitance value C o ttom and comprises a first pole 500 electrically connected to the first terminal 39 of the second external module 33 of each branch 30 and a second pole 505 electrically connected to the second terminal 40 of the second external module 33 of each branch 30.
  • the MMC 31 is coupled to an input voltage V D c via the first terminal 39 of the first external module 32 of each branch 30 and the second terminal 40 of the second external module 33 of each branch 30.
  • the MMC 31 can also include a filtering capacitor for each branch 30 coupled between the reference point of a voltage distribution system and the output terminal of the branch 30 of the MMC 31 which corresponds to the second pole of the third inductor 51. of branch 30.
  • FIG. 6 schematically represents an MMC with two modules per arm, but according to a third embodiment of the invention. The solution can be applied to any number of modules for each arm. Although the embodiment illustrated in FIG. 6 comprises two modules per arm, therefore four per branch, the proposed solution is applicable for any number of modules in the arms.
  • the MMC 61 comprises three modules: a first external module 2, a second external module 3 and a first internal module 4 and a second internal module 5.
  • the numerical references are kept identical to the first embodiment of the invention illustrated in FIG. 4 for identical elements.
  • the MMC 61 differs from the MMC 1 of the first embodiment in that it comprises symmetrical arms each having an external module and an internal module and therefore differs in that it comprises an additional internal module 5.
  • the third terminal 11 of the first outdoor module 2 is electrically coupled directly to the first terminal 9 of the first indoor module 4 and the third terminal 11 of the second outdoor module 3 is electrically coupled directly to the second terminal. 10 of the second internal module 5.
  • the third terminal 11 of the first internal module 4 is coupled to a first pole of a first inductor 76, and the third terminal 11 of the second internal module is coupled to a first pole of a second inductor 77.
  • the inductor 76 and the second inductor 77 are coupled together to a first pole of a third inductor 81, the second pole of the third inductor 81 being adapted to be connected to a phase of a load or grid at which the MMC 1 is designed to be connected.
  • the second terminal 10 of the first external module 2 is not electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3. Instead, there are two additional capacitors 91 and 92 respectively coupled between the reference point in a distribution system voltage and the first terminal 9 of the first external module 2 and between ground and the second terminal 10 of the second external module 3.
  • the MMC 61 is coupled to an input voltage V D c via the first terminal 9 of the first external module 2 and the second terminal 10 of the second external module 3.
  • the MMC 61 illustrated in Figure 6 further includes a filter capacitor 82 coupled between the reference point of a voltage distribution system and an output terminal of MMC 61 which corresponds to the second pole of the third inductor 81.
  • This filtering capacitor 82 makes it possible to compensate for the ripple of the indusctance output current in order to filter the switching frequency and to keep only the fundamental of the output voltage (50 or 60 Hz).
  • the invention applies to all types of power converters for medium to large power converters (inverter or rectifier) as well as for low voltage applications with semiconductors of appropriate ratings.
  • the MMC could be realized as a printed circuit solution for low power applications, for example, or as a hardwired solution for medium or high power applications.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

An MMC (1, 31) with at least one branch (30), two outer modules (2, 3, 2, 33) and an inner module (4, 34), each module (1-4, 32-34) comprising two of the switching units (7, 8, 37, 38) each comprising a diode (12, 42) and a semiconductor transistor (IGBT) (13, 43), a first, a second and a third terminal (9, 10, 11, 39, 40, 41). Said at least one branch (30) comprises a first inductor (16, 46) and a second inductor (17, 47) both having a pole connected, respectively, to the third terminal (11, 41) of two different outer or inner modules (2, 3, 4, 5, 32, 33, 34). Said at least one branch (30) further comprises a third inductor (21, 51), said at least one branch (30) being designed to be electrically connected to a phase of a load passing through said third inductor (21, 51).

Description

Description Description
Titre de l'invention : Convertisseur modulaire multiniveaux pour application basse tension avec inductances optimisées et un nombre de niveaux augmenté Title of the invention: Modular multilevel converter for low voltage application with optimized inductances and an increased number of levels
Domaine Technique Technical area
L'invention concerne de manière générale les convertisseurs de source de tension, et plus particulièrement un convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) pour une application à basse tension. The invention relates generally to voltage source converters, and more particularly to a modular multilevel converter (MMC) for low voltage application.
Technique antérieure Prior art
Les convertisseurs multiniveaux ont suscité un vif intérêt dans ce secteur. Ils présentent des avantages différents tels qu’une plus faible distorsion harmonique, une taille de filtre plus petite, des interférences électromagnétiques (EMI) réduites, et une efficacité supérieure. De plus, des dispositifs à semi-conducteurs à basse tension peuvent être utilisés pour synthétiser des niveaux de tension plus élevés.Multilevel converters have aroused great interest in this industry. They have different advantages such as lower harmonic distortion, smaller filter size, reduced electromagnetic interference (EMI), and higher efficiency. Additionally, low voltage semiconductor devices can be used to synthesize higher voltage levels.
Plusieurs topologies peuvent fournir une tension alternative (AC). Les points neutres clampés (NPC pour « neutral point clamped » en anglais), les condensateurs volants (FC pour « flying capacitor » en anglais), le pont en H en cascade et le convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) sont les topologies de base des onduleurs à plusieurs niveaux. La topologie NPC et ses variantes sont les plus répandues et les plus utilisées dans les applications industrielles pour les applications à basse tension. Several topologies can provide alternating voltage (AC). The neutral point clamped (NPC), the flying capacitors (FC), the cascade H-bridge and the multi-level modular converter (MMC) are the basic topologies of multi-level inverters. The NPC topology and its variants are the most widespread and widely used in industrial applications for low voltage applications.
La topologie MMC, introduite au début des années 2000 pour le convertisseur haute tension à courant continu (HVDC), a fait l’objet d’une attention particulière en raison de ses nombreuses fonctionnalités. Les fonctionnalités les plus pertinentes sont: la modularité, l'évolutivité et la fiabilité. The MMC topology, introduced in the early 2000s for the high voltage direct current (HVDC) converter, has received special attention due to its many features. The most relevant features are: modularity, scalability and reliability.
Tout comme un convertisseur à deux niveaux ou un convertisseur à commutation de ligne à six impulsions, un MMC, c’est-à-dire un convertisseur modulaire multiniveaux, est composée de six modules, chacun connectant une borne alternative à une borne continue. Toutefois, là où chaque module du convertisseur à deux niveaux est un commutateur à haute tension composé d’un grand nombre de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), ou de semi-conducteurs équivalents tels que des transistors, des Mosfet SIC, etc., connectés en série et agissant comme un seul, chaque module d’un MMC est une source de tension contrôlable distincte. Les IGBT ou autres semi-conducteurs sont connectés en série afin d'avoir un dispositif équivalent de tension supérieure. Chaque module MMC comprend un certain nombre de sous-modules de conversion indépendants, chacun contenant son propre condensateur de stockage. Dans la forme la plus courante du circuit, la variante en demi-pont, chaque sous-module contient deux IGBT connectés en série aux bornes du condensateur, avec le nœud électrique couplé aux deux IGBT et une des deux bornes du condensateur sortis pour former deux connexions externes. Selon lequel des deux IGBT de chaque sous-module est activé, le condensateur est contourné ou connecté au circuit. Chaque sous-module agit donc comme un convertisseur à deux niveaux indépendant générant une tension nulle ou d’une valeur Usm (où Usm est la tension du condensateur du sous-module). Avec un nombre approprié de sous- modules connectés en série, le module peut synthétiser une forme d'onde de tension échelonnée se rapprochant de très près d'une onde sinusoïdale et contenant de très faibles niveaux de distorsion harmonique. Just like a two-level converter or a six-pulse line-switched converter, an MMC, i.e. a multi-level modular converter, is made up of six modules, each connecting an AC terminal to a DC terminal. However, where each module of the two-level converter is a high voltage switch consisting of a large number of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), or equivalent semiconductors such as transistors, Mosfet SICs, etc., connected in series and acting as one, each module of an MMC is a separate controllable voltage source. IGBTs or other semiconductors are connected in series in order to have an equivalent device of higher voltage. Each MMC module includes a number of independent conversion submodules, each containing its own storage capacitor. In the most common form of the circuit, the half-bridge variant, each submodule contains two IGBTs connected in series across the capacitor, with the electrical node coupled to the two IGBTs and one of the two capacitor terminals pulled out to form two external connections. Depending on which of the two IGBTs of each submodule is activated, the capacitor is bypassed or connected to the circuit. Each submodule therefore acts as an independent two-level converter generating a voltage of zero or of a value U sm (where Usm is the voltage of the capacitor of the submodule). With an appropriate number of submodules connected in series, the module can synthesize a stepped voltage waveform that closely approximates a sine wave and contains very low levels of harmonic distortion.
Le MMC diffère des autres types de convertisseur en ce que le courant circule de manière continue dans les six modules du convertisseur tout au long du cycle de fréquence du secteur. Le courant continu se divise de manière égale dans les trois phases et le courant alternatif se divise également dans les modules supérieure et inférieure de chaque phase. The MMC differs from other converter types in that current flows continuously through the six converter modules throughout the mains frequency cycle. The direct current divides equally into the three phases and the alternating current divides equally into the upper and lower modules of each phase.
Un MMC typique pour une application HVDC contient environ 300 sous-modules connectés en série dans chaque vanne et équivaut donc à un convertisseur de niveau 301. Par conséquent, les performances harmoniques sont excellentes et aucun filtre n’est généralement nécessaire. A typical MMC for an HVDC application contains about 300 submodules connected in series in each valve and is therefore equivalent to a 301 level converter. Therefore, the harmonic performance is excellent and no filter is generally required.
Un autre avantage du MMC réside dans le fait qu’il n’est pas nécessaire de recourir à une modulation de largeur d’impulsion (PWM), de sorte que les pertes de puissance sont bien inférieures à celles du convertisseur à deux niveaux, à environ 1% par extrémité. Enfin, étant donné que la connexion en série directe des IGBT n’est pas nécessaire, les commandes de grille IGBT n’ont pas besoin d’être aussi sophistiquées que celles d’un convertisseur à deux niveaux. Another advantage of the MMC is that it is not necessary to resort to pulse width modulation (PWM), so the power losses are much lower than that of the two-level converter, at about 1% per end. Finally, since direct serial connection of IGBTs is not required, IGBT gate controls do not need to be as sophisticated as those of a two-level converter.
Le MMC présente deux inconvénients principaux. Tout d'abord, le contrôle est beaucoup plus complexe que celui d'un convertisseur à deux niveaux. Équilibrer les tensions de chacun des condensateurs de sous-module est un défi de taille et nécessite une puissance de calcul considérable et des communications à haute vitesse entre l'unité de commande centrale et la vanne. Deuxièmement, les condensateurs de sous-module sont eux-mêmes grands et encombrants. Un MMC est considérablement plus grand qu'un convertisseur à niveau comparable, bien que cela puisse être compensé par le gain de place dû à l'absence de filtres. The MMC has two main drawbacks. First of all, the control is much more complex than that of a two-level converter. Balancing the voltages of each of the submodule capacitors is a tall order and requires considerable computing power and high speed communications between the central control unit and the valve. Second, the submodule capacitors themselves are large and bulky. An MMC is considerably larger than a comparable level converter, although this can be compensated by the space saving due to the absence of filters.
En raison des principales caractéristiques (modularité, évolutivité et fiabilité) offertes par la topologie MMC, les MMC sont utilisés dans les applications haute et moyenne tension. Pour les basses tensions, les MMC ne sont généralement pas utilisés dans les applications industrielles. Due to the main characteristics (modularity, scalability and reliability) offered by the MMC topology, MMCs are used in high and medium voltage applications. For low voltages, MMCs are generally not used in industrial applications.
La topologie MMC pourrait être arrangée avec un nombre élevé de modules afin de partager la tension en utilisant des composants de qualité inférieure. Ce concept pourrait également être étendu aux applications basse tension, mais compte tenu de la complexité des composants disponibles (principalement des commutateurs à semi-conducteurs), la fiabilité et la puissance cible du convertisseur doivent être prises en compte.2 The MMC topology could be arranged with a high number of modules in order to share the voltage using lower quality components. This concept could also be extended to low voltage applications, but given the complexity of the components available (mainly solid state switches) the reliability and target power of the converter must be taken into account. 2
Sur la figure 1 est illustré un MMC 100 triphasé, connu dans l'état de la technique, conçu pour être couplé à une alimentation 101. Chaque branche 102 du MMC 100 comporte deux bras 104 (un bras supérieur et un bras inférieur) avec deux modules 106 par bras 104. Chaque module 106 comprend deux unités de commutation 108 couplées en série, et un condensateur 110 couplé en parallèle avec l'ensemble formé par les deux unités de commutation 108 en série. Chaque unité de commutation 108 est formée d'un transistor MOSFET couplé en parallèle avec une diode. In Figure 1 is illustrated a three-phase MMC 100, known in the state of the art, designed to be coupled to a power supply 101. Each branch 102 of the MMC 100 comprises two arms 104 (an upper arm and a lower arm) with two modules 106 by arm 104. Each module 106 comprises two switching units 108 coupled in series, and a capacitor 110 coupled in parallel with the assembly formed by the two switching units 108 in series. Each switching unit 108 is formed by a MOSFET transistor coupled in parallel with a diode.
Les deux bras supérieur et inférieur 104 d'une même branche 102 sont couplés à une borne de sortie 112 de la jambe par l'intermédiaire de deux inductances 114 distinctes, une inductance supérieure 114 couplée entre le bras supérieur 104 et la borne de sortie 112 et une inductance inférieure 114 couplée entre le bras inférieur 104 et la borne de sortie 112. The two upper and lower arms 104 of the same branch 102 are coupled to an output terminal 112 of the leg by means of two separate inductors 114, an upper inductor 114 coupled between the upper arm 104 and the output terminal 112 and a lower inductor 114 coupled between lower arm 104 and output terminal 112.
Le MMC triphasé 100 illustré à la figure 1 représente l'installation minimale pour pouvoir utiliser une topologie MMC pour une application à basse tension. The three-phase MMC 100 illustrated in figure 1 represents the minimum installation to be able to use an MMC topology for a low voltage application.
Les deux bras 104 d'une branche 102 fonctionnent pratiquement parallèlement. Le courant supérieur iu est défini par l’équation 1 suivante : The two arms 104 of a branch 102 operate practically in parallel. The upper current i u is defined by the following equation 1:
[Math
Figure imgf000006_0001
équation 1
[Math
Figure imgf000006_0001
equation 1
Avec Idc le courant issu de l'alimentation 101 , t le courant issu de la borne de sortie 112, w la fréquence du signal alimenté par l'alimentation 101 et f son déphasage.With I dc the current coming from the power supply 101, t the current coming from the output terminal 112, w the frequency of the signal supplied by the power supply 101 and f its phase shift.
Le courant inférieur il est défini par l'équation 2 : The lower current is defined by equation 2:
[Math
Figure imgf000006_0002
équation 2
[Math
Figure imgf000006_0002
equation 2
A partir des équations 1 et 2 on peut obtenir les équations 3 et 4 suivantes: From equations 1 and 2 we can obtain the following equations 3 and 4:
[Math 3] iu{t) - it(t) = Iout sin (wί + ø) équation 3 [Math 3] i u {t) - i t (t) = I out sin (wί + ø) equation 3
[Math équation 4
Figure imgf000006_0003
[Math equation 4
Figure imgf000006_0003
Comme on peut le voir, le courant supérieur iu(t) et le courant inférieur h(t) ont un terme représentant le courant de sortie iout défini dans l’équation 3, et deux termes de mode commun représentant le courant en circulation défini par l'équation 4. As can be seen, the upper current i u (t) and the lower current h (t) have one term representing the output current i out defined in Equation 3, and two common mode terms representing the circulating current defined by equation 4.
Tel que défini par l'équation 5 suivante, le terme Idc dépend uniquement de la puissance gérée par l'onduleur, qui, dans un onduleur triphasé, correspond à la puissance de sortie totale Pout· As defined by the following equation 5, the term I dc depends only on the power managed by the inverter, which, in a three-phase inverter, corresponds to the total output power P out
[Math
Figure imgf000006_0004
équation 5
[Math
Figure imgf000006_0004
equation 5
Le terme I2w cos (2wΐ + f) dépend de la stratégie de contrôle actuelle utilisée. En règle générale, plus le courant de deuxième harmonique circulant est élevé, plus la valeur requise pour la capacité de chaque module pour la même ondulation de tension est basse. Même la valeur des inductances et des condensateurs influence la circulation du courant des deuxièmes harmoniques. The term I 2w cos (2wΐ + f) depends on the current control strategy used. As a general rule, the higher the circulating second harmonic current, the lower the value required for the capacitance of each module for the same voltage ripple. Even the value of inductors and capacitors influences the flow of second harmonic current.
La basse tension a été définie internationalement comme allant jusqu'à 1000 VA c et 1500 VDC- En effet, dans les applications industrielles à basse tension, il existe deux principaux bus à courant continu (bus DC) utilisés pour faire fonctionner un onduleur: - 800 Vnom 1000 Vmax Low voltage has been defined internationally as up to 1000 V A c and 1500 V DC - Indeed, in low voltage industrial applications, there are two main direct current buses (DC buses) used to operate an inverter. : - 800 Vnom 1000 Vmax
- 1200 Vnom 1500 Vmax - 1200 V nom 1500 V max
Les semi-conducteurs potenitllement utilisables sont : The potentially usable semiconductors are:
- des IGBT de 650 V et 1200 V - 650 V and 1200 V IGBTs
- des MOSFET SIC de 650V, 900V, ou 1200V, - 650V, 900V, or 1200V SIC MOSFETs,
- des MOSFET GAN. - GAN MOSFETs.
Mais les MOSFETS silicium qui ont une tension de polarisation Vdd supérieure à 200 V ne conviennent pas à cause de la faible capacité de recouvrement de la diode.But silicon MOSFETS which have a bias voltage V dd greater than 200 V are not suitable because of the low recovery capacity of the diode.
En conséquence, pour les applications à basse tension, le choix optimal consiste à utiliser des composants de 650 V ou 1200 V. Therefore, for low voltage applications, the optimal choice is to use 650V or 1200V components.
La tension de maintien minimale de chaque commutateur Vsw dans le MMC pourrait être évaluée comme suit par l'équation 6 : The minimum hold voltage of each switch V sw in the MMC could be evaluated as follows by equation 6:
[Math 6] Vsw = 1,5
Figure imgf000007_0001
équation 6
[Math 6] V sw = 1.5
Figure imgf000007_0001
equation 6
Où N est le nombre de modules 106 par bras 104, Vn0m est la tension nominale du bus DC et 1 ,5 est une marge de sécurité tenant compte de toute augmentation de tension possible pendant le fonctionnement, telle que pics de surtension, tension supérieure à la tension nominale, etc. Where N is the number of modules 106 per arm 104, V n0 m is the nominal voltage of the DC bus and 1, 5 is a safety margin taking into account any possible voltage increase during operation, such as overvoltage peaks, voltage higher than rated voltage, etc.
Le nombre optimal N de modules 106 par bras 104 à utiliser est défini par l'équation 7 : The optimal number N of modules 106 per arm 104 to use is defined by equation 7:
[Math 7] N > 1,5
Figure imgf000007_0002
équation 7
[Math 7] N> 1.5
Figure imgf000007_0002
equation 7
Le nombre N de modules 106 par branche 104 dans un MMC basse tension est calculé avec : The number N of modules 106 per branch 104 in a low voltage MMC is calculated with:
Vn0m= 1200 V pour N>1 ,5 Vn0m= 650 V pour N>1 ,85 V n0 m = 1200 V for N> 1.5 V n0 m = 650 V for N> 1. 85
Par conséquent, pour la basse tension, le nombre minimal et optimal N de modules 106 par branche 104 est de deux modules 106. Consequently, for low voltage, the minimum and optimal number N of modules 106 per branch 104 is two modules 106.
Les solutions actuelles pour les onduleurs ou les redresseurs multiniveaux pour la basse tension dans le secteur industriel sont l'inverseur à point neutre clampé (NPC) ou une solution dérivée avec un agencement similaire (TNPC ou NPC2). Une topologie comportant un nombre de niveaux supérieur à trois est possible et s'applique également aux applications à moyenne ou haute tension, mais sa complexité et son coût sont si élevés que son utilisation ne pourrait être justifiée que dans des conditions spécifiques et non pour des applications industrielles à basse tension. Current solutions for inverters or multilevel rectifiers for low voltage in the industrial sector are the neutral point clamped inverter (NPC) or a derivative solution with a similar arrangement (TNPC or NPC2). A topology with a number of levels greater than three is possible and also applies to medium or high voltage applications, but its complexity and cost are so high that its use could only be justified under specific conditions and not for specific conditions. low voltage industrial applications.
La topologie des NPC souffre d'un inconvénient majeur en raison de l'inductance parasite qui peut limiter le fonctionnement lorsqu'un courant élevé ou une variation importante de courant (dl/dt), due à des dispositifs à grande vitesse, sont utilisés notamment lorsque le fonctionnement à quatre quadrants est requis. The topology of NPCs suffers from a major drawback due to the parasitic inductance which can limit the operation when a high current or a large variation in current (dl / dt), due to high speed devices, are used in particular when four quadrant operation is required.
En raison de la connexion géométrique des différents commutateurs, l'inductance de fuite dans les boucles de commutation limite le courant maximal et la variation temporelle du courant (Dl/dt). Due to the geometric connection of the different switches, the leakage inductance in the switching loops limits the maximum current and the time variation of the current (Dl / dt).
Les principales situations critiques apparaissent lorsque l'onduleur gère un courant de signe opposé à la tension ou lorsqu'il est utilisé en tant que redresseur. The main critical situations appear when the inverter manages a current of opposite sign to the voltage or when it is used as a rectifier.
La connexion géométrique et la minimisation des boucles de commutation obligent à utiliser des modules de puissance spécialement dédiés pour les applications de moyenne puissance, dans lesquelles un segment est intégré dans un seul boîtier, tandis que pour les applications de forte puissance, cette solution est applicable, du fait des dimensions des composants, mais seulement avec des dispositions spécifiques ou pour contrôler activement le chemin de circulation du courant. The geometric connection and the minimization of switching loops make it necessary to use specially dedicated power modules for medium power applications, in which a segment is integrated in a single housing, while for high power applications this solution is applicable. , due to the dimensions of the components, but only with specific provisions or to actively control the current flow path.
Ce problème a peu d’impact dans les applications utilisant des onduleurs pour énergies renouvelables fonctionnant avec un facteur de puissance assez élevé (ooef ~ 1 à 0,9), mais il est particulièrement pertinent dans les applications relatives aux onduleurs ou aux redresseurs. This problem has little impact in applications using renewable energy inverters operating with a fairly high power factor (ooef ~ 1 to 0.9), but it is particularly relevant in applications relating to inverters or rectifiers.
Un autre inconvénient du NPC est que les commutateurs ne sont pas tous utilisés de la même manière, car les commutateurs externe et interne ne présentent pas la même dissipation de puissance en raison de la stratégie de modulation. De plus, les transactions entre les sections supérieure et inférieure (passage par zéro de la tension) doivent être soigneusement synchronisées, en particulier lorsque le courant est déphasé par rapport à la tension. La topologie MMC standard pourrait résoudre les trois problèmes précédents, à savoir l’inductance parasite, le fait que les commutateurs ne sont pas utilisés de la même manière et la synchronisation au passage par zéro. Another disadvantage of NPC is that not all switches are used the same, because the external and internal switches do not have the same power dissipation due to the modulation strategy. In addition, the transactions between the upper and lower sections (zero crossing of the voltage) must be carefully synchronized, especially when the current is out of phase with the voltage. The standard MMC topology could solve the three previous problems, namely parasitic inductance, the fact that the switches are not used in the same way and the synchronization at zero crossing.
En effet, chaque module pouvant être réalisé avec deux commutateurs et un condensateur, l’inductance parasite peut être minimisée assez facilement même en utilisant un assemblage de module standard et peu coûteux. Because each module can be made with two switches and a capacitor, parasitic inductance can be minimized quite easily even by using a standard and inexpensive module assembly.
De plus, dans une topologie MMC, les commutateurs sont toujours modulés et pas seulement en demi-onde. La quantité de courant qui circule dépend de la puissance mais également de la stratégie de modulation (contrôle du courant circulant) et des rapports Vdc et Vout. En conséquence, les commutateurs dissipent la même quantité de pertes, ce qui permet un fonctionnement plus uniforme de la température. In addition, in an MMC topology, the switches are always modulated and not just half-wave. The amount of current flowing depends on the power but also on the modulation strategy (control of the flowing current) and the V dc and V out ratios. As a result, the switches dissipate the same amount of loss, resulting in more uniform temperature operation.
De plus, la synchronisation au passage par zéro n'est plus demandée grâce à la modulation continue qui améliore également le THD de la forme d'onde de sortie.In addition, zero-crossing synchronization is no longer required thanks to continuous modulation which also improves the THD of the output waveform.
Malheureusement, l’énorme valeur de la capacité et, à son tour, de l’énergie stockée dans les condensateurs des modules, limite l’utilisation de la topologie classique MMC dans les applications à basse tension. Unfortunately, the enormous amount of capacitance and, in turn, the energy stored in module capacitors, limits the use of classic MMC topology in low voltage applications.
Comme il est illustré sur les figures 2 et 3, qui représentent deux schémas électriques de deux branches MMC standard 102 avec deux modules 106 par bras (figure 2 sans point neutre et figure 3 avec point neutre), le nombre de niveaux de tension appliqués à une charge ou à un filtre de sortie pour un convertisseur triphasé est de trois (N + 1) si l'on considère phase à neutre, alors qu'il est de cinq (2N + 1) si l'on considère phase à phase. As illustrated in Figures 2 and 3, which represent two electrical diagrams of two standard MMC branches 102 with two modules 106 per arm (figure 2 without neutral point and figure 3 with neutral point), the number of voltage levels applied to a load or an output filter for a three-phase converter is three (N + 1) if we consider phase to neutral, while it is five (2N + 1) if we consider phase to phase.
D'après les schémas présentés aux figures 2 et 3, on peut immédiatement se rendre compte que chaque condensateur 110 dans le circuit fonctionne indépendamment l'un de l'autre et qu'il n'y a pas de compensation d'ondulation dans un système triphasé ni de compensation entre les bras supérieur et inférieur. Du fait de l’indépendance des modules 106, la modulation demandée pour la synthèse de la tension de sortie pourrait être appliquée avec une certaine liberté entre les modules 106. From the diagrams shown in Figures 2 and 3, it can immediately be seen that each capacitor 110 in the circuit operates independently of each other and that there is no ripple compensation in a three-phase system or compensation between the upper and lower arms. Due to the independence of the modules 106, the modulation requested for the synthesis of the output voltage could be applied with some freedom between the modules 106.
Cependant, il a été prouvé que l’utilisation d’une «porteuse à décalage de phase», ou « phase sift carrier » en anglais, est recommandée pour un MMC. Cette stratégie de modulation pourrait être de deux types : porteuse déphasée avec N porteuses ou porteuse déphasée avec 2N porteuses, N étant le nombre de modules. However, it has been proved that the use of a “phase shift carrier”, or “phase sift carrier” in English, is recommended for an MMC. This strategy modulation could be of two types: phase-shifted carrier with N carriers or phase-shifted carrier with 2N carriers, N being the number of modules.
Dans une porteuse déphasée à N porteuse, les modules d'un même bras sont pilotés par un PWM généré à partir du même signal à l'aide de porteuses décalées de 2p/N. Les bras supérieurs et inférieurs sont entraînés avec le même PWM. In a phase-shifted carrier with N carrier, the modules of the same arm are driven by a PWM generated from the same signal using carriers shifted by 2p / N. The upper and lower arms are driven with the same PWM.
Dans une porteuse déphasée avec une porteuse 2N, les modules du bras supérieur sont pilotés avec un PWM généré à l'aide de porteuses décalées de 2p/N. Les modules situés dans le bras inférieur sont entraînés par un PWM généré à l’aide de porteuses décalées de 2p/N entre elles mais synchronisées avec un décalage de p/N par rapport au bras supérieur. In a phase shifted carrier with a 2N carrier, the upper arm modules are driven with a PWM generated using carriers shifted by 2p / N. The modules located in the lower arm are driven by a PWM generated using carriers offset by 2p / N from each other but synchronized with a p / N offset from the upper arm.
Le besoin de recourir à des capacités relativement importantes dans les topologies MMC est un problème majeur. Différentes idées ont déjà été proposées pour réduire ce problème en introduisant des modifications de la topologie, comme indiqué dans l'article de la revue IEEE publiée en octobre 2015 et intitulé « A modified modular multilevel converter with reduced capacitor voltage fluctuation », ou en contrôlant le courant traversant les bras du convertisseur, tels que décrits dans l'article de la revue IEEE publiée en 2018 et intitulé « An enhanced steady-state model and capacitor sizing method for modular multilevel converters for HVDC applications ».The need to use relatively large capacities in MMC topologies is a major problem. Different ideas have already been proposed to reduce this problem by introducing topology modifications, as indicated in the IEEE journal article published in October 2015 and titled "A modified modular multilevel converter with reduced capacitor voltage fluctuation", or by controlling the current flowing through the converter arms, as described in the article in the IEEE journal published in 2018 and entitled "An enhanced steady-state model and capacitor sizing method for modular multilevel converters for HVDC applications".
Néanmoins, les réductions de capacité obtenues ne sont pas telles qu’elles présentent des avantages économiques et en termes de taille par rapport aux solutions actuelles. De plus, aucune recherche ou solution n'est proposée dans les applications à basse tension où la quantité de condensateurs est plus élevée en raison d'un rapport l/V plus élevé pour l'unité de puissance. However, the reductions in capacity obtained are not such as to present economic and size advantages over current solutions. In addition, no research or solution is offered in low voltage applications where the amount of capacitors is higher due to a higher I / V ratio for the power unit.
Il est nécessaire de trouver une solution de topologie MMC offrant une taille plus petite, un meilleur coût et des pertes moindres, permettant de meilleures performances pour la topologie MMC en basse tension. L’état de la technique ne propose actuellement aucune solution pour les MMC dans les applications à basse tension où la taille n’est pas optimale car le rapport l/V plus élevé pour l’unité de puissance. There is a need to find an MMC topology solution that offers smaller size, better cost, and lower losses, allowing better performance for low voltage MMC topology. The state of the art does not currently offer any solution for MMCs in low voltage applications where the size is not optimal due to the higher l / V ratio for the power unit.
Exposé de l’invention A cet effet, la présente invention propose une topologie MMC qui peut être utilisée aussi bien pour des applications à moyenne et haute tension que pour des applications à basse tension et qui présente une dimension optimisée. Disclosure of the invention To this end, the present invention proposes an MMC topology which can be used equally well for medium and high voltage applications as for low voltage applications and which has an optimized dimension.
Dans un premier objet de l'invention, il est proposé un convertisseur modulaire multiniveaux comprenant au moins une branche destinée à être connectée à une phase, ladite au moins une branche comportant au moins un premier et au moins un second modules externes et un module interne, chaque module externe et chaque module interne comprenant: In a first object of the invention, there is proposed a multilevel modular converter comprising at least one branch intended to be connected to a phase, said at least one branch comprising at least a first and at least a second external modules and an internal module. , each external module and each internal module comprising:
- une première et une deuxième unités de commutation comprenant chacune une diode, un transistor, un premier connecteur électriquement connecté à un premier pôle de la diode et un premier pôle du transistor, et un deuxième connecteur électriquement connecté à un deuxième pôle de la diode et un deuxième pôle du transistor, - a first and a second switching unit each comprising a diode, a transistor, a first connector electrically connected to a first pole of the diode and a first pole of the transistor, and a second connector electrically connected to a second pole of the diode and a second pole of the transistor,
- une première borne électriquement connectée au premier connecteur de la première unité de commutation, - a first terminal electrically connected to the first connector of the first switching unit,
- une deuxième borne connectée électriquement au deuxième connecteur de la deuxième unité de commutation, et - a second terminal electrically connected to the second connector of the second switching unit, and
- une troisième borne connectée électriquement au deuxième connecteur de la première unité de commutation et au premier connecteur de la deuxième unité de commutation. a third terminal electrically connected to the second connector of the first switching unit and to the first connector of the second switching unit.
Ladite au moins une branche comportant un premier inducteur ayant un pôle connecté respectivement à la troisième borne d’un module interne ou externe et un second inducteur ayant un pôle connecté à la troisième borne d’un modules interne ou externe distinct du module interne ou externe auquel le premier inducteur est couplé. Said at least one branch comprising a first inductor having a pole connected respectively to the third terminal of an internal or external module and a second inductor having a pole connected to the third terminal of an internal or external module distinct from the internal or external module to which the first inductor is coupled.
Selon une configuration générale de l’invention, ladite au moins une branche comprend un troisième inducteur, ladite au moins une branche étant configurée pour être électriquement connectée à une phase d'une charge via ledit troisième inducteur. According to a general configuration of the invention, said at least one branch comprises a third inductor, said at least one branch being configured to be electrically connected to a phase of a load via said third inductor.
Dans un premier aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, pour une branche, c'est-à-dire pour une branche ou pour chaque branche, la valeur d'inductance du premier inducteur de la branche peut être égale à la valeur d'inductance de la seconde inductance de la branche et la valeur d'inductance du troisième inducteur de la branche peut être égale à la moitié de la valeur d'inductance du premier inducteur de la branche. In a first aspect of the multilevel modular converter, for one branch, that is to say for one branch or for each branch, the inductance value of the first inductor of the branch may be equal to the inductance value of the branch. second inductance of the branch and the inductance value of the third inductor of the branch can be equal to half of the inductance value of the first inductor of the branch.
Cette configuration concernant les valeurs d'inductance des trois différentes inductances d'une branche, permet d'avoir la même ondulation dans le courant. De cette manière, la variation de tension dans chaque période de modulation de largeur d’impulsion appliquée aux inductances n’est plus de Vdc/2 mais de Vdc/4, Vdc étant la tension à l’entrée du MMC. Cela équivaut à augmenter de un le nombre de niveaux de convertisseur, ce qui permet d'améliorer encore les performances des matériaux magnétiques. This configuration concerning the inductance values of the three different inductors of a branch, makes it possible to have the same ripple in the current. In this way, the voltage variation in each period of pulse width modulation applied to the inductors is no longer V dc / 2 but V dc / 4, V dc being the voltage at the input of the MMC. This is equivalent to increasing the number of converter levels by one, which further improves the performance of magnetic materials.
Dans un second aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, ledit au moins un module interne peut comprendre en outre une capacité comprenant un premier pôle connecté électriquement à la première borne du module interne et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne du module interne. In a second aspect of the modular multilevel converter, said at least one internal module may further comprise a capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the internal module and a second pole electrically connected to the second terminal of the internal module.
Et le convertisseur peut également comprendre une première capacité externe comportant un premier pôle connecté électriquement à la première borne d’un premier module externe et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne d’un premier module externe, et une seconde capacité externe comprenant un premier pôle connecté électriquement à la première borne d’un second module externe et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne d’un second module externe. And the converter can also include a first external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of a first external module and a second pole electrically connected to the second terminal of a first external module, and a second external capacitor comprising a a first pole electrically connected to the first terminal of a second external module and a second pole electrically connected to the second terminal of a second external module.
Dans un troisième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, le convertisseur peut en outre comprendre une unité de commande configurée pour piloter les premier et second modules externes avec un motif de modulation calculé par une porteuse déphasée avec N porteuses, N étant une valeur entière, et pour piloter le module interne avec un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) calculé par une porteuse à n phases, n étant une valeur entière et le même signal d'erreur.In a third aspect of the modular multilevel converter, the converter may further include a control unit configured to drive the first and second external modules with a modulation pattern calculated by a phase-shifted carrier with N carriers, N being an integer value, and for drive the internal module with a pulse width modulation (PWM) signal calculated by an n-phase carrier, where n is an integer value and the same error signal.
Dans un quatrième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, le convertisseur peut comprendre trois branches, chacune étant configurée pour être connectée à une phase différente, et la première capacité externe peut être couplée électriquement en parallèle au premier module externe des trois branches, et la seconde capacité externe peut être couplée électriquement en parallèle au deuxième module externe des trois branches. In a fourth aspect of the modular multilevel converter, the converter can include three branches, each configured to be connected to a different phase, and the first external capacitor can be electrically coupled in parallel to the first external module of the three branches, and the first external capacitor can be electrically coupled in parallel with the first external module of the three branches. second external capacitor can be electrically coupled in parallel to the second external module of the three branches.
Dans un cinquième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, ladite au moins une branche peut comprendre uniquement un premier module externe, un second module externe et un module interne, la troisième borne du premier module externe étant couplée électriquement à la première borne du module interne via un premier inducteur, la troisième borne du second module externe étant couplée électriquement à la deuxième borne du module interne via un deuxième inducteur, la troisième borne du module interne étant configurée pour être connectée à une phase d'une charge ou d'un réseau auquel le convertisseur est configuré pour être connecté, et la seconde borne du premier module externe étant connectée électriquement à la première borne du second module externe. In a fifth aspect of the modular multilevel converter, said at least one branch may include only a first external module, a second external module and an internal module, the third terminal of the first external module being electrically coupled to the first terminal of the internal module via a first inductor, the third terminal of the second external module being electrically coupled to the second terminal of the internal module via a second inductor, the third terminal of the internal module being configured to be connected to a phase of a load or a network to which the converter is configured to be connected, and the second terminal of the first external module being electrically connected to the first terminal of the second external module.
Dans cet aspect, le convertisseur peut en outre comprendre une première capacité externe comprenant un premier pôle connecté électriquement à la première borne du premier module externe de ladite au moins une branche et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne du premier module de ladite au moins une branche, et une deuxième capacité externe comprenant un premier pôle connecté électriquement à la première borne du deuxième module externe de ladite au moins une branche et un deuxième pôle connecté électriquement à la deuxième borne du deuxième module de ladite au moins une branche . In this aspect, the converter may further comprise a first external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the first external module of said at least one branch and a second pole electrically connected to the second terminal of the first module of said at least one branch. at least one branch, and a second external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the second external module of said at least one branch and a second pole electrically connected to the second terminal of the second module of said at least one branch.
En connectant la seconde borne du premier module externe à la première borne du second module externe, les première et seconde capacités externes sont couplées ensemble. De cette façon, les deux capacités peuvent partager la tension totale, agir de manière dynamique avec une valeur de capacité double et être communes aux trois branches lorsque le convertisseur est dans une configuration de convertisseur triphasé. By connecting the second terminal of the first external module to the first terminal of the second external module, the first and second external capacitors are coupled together. In this way, the two capacitors can share the total voltage, act dynamically with a double capacitance value, and be common to the three branches when the converter is in a three phase converter configuration.
De plus, pour toute application du convertisseur modulaire multiniveaux, lorsque le neutre doit être fourni à la charge, généralement pour une utilisation dans une alimentation sans interruption (ASI), il n’est pas nécessaire d’ajouter les deux condensateurs classiquement requis pour créer le point milieu étant donné qu’ils sont déjà intégrés à la structure de la présente invention, ces deux condensateurs étant formés par les deux capacités externes. C'est un gros avantage, car une batterie de condensateurs DC est toujours nécessaire pour gérer le flux d'énergie, le déséquilibre de l'alimentation des phases et des ondulations et les condensateurs externes des bras font naturellement partie de cette batterie de condensateurs. In addition, for any application of the modular multilevel converter, when the neutral must be supplied to the load, generally for use in an uninterruptible power supply (UPS), it is not necessary to add the two capacitors conventionally required to create the midpoint given that they are already integrated into the structure of the present invention, these two capacitors being formed by the two external capacitors. This is a big advantage, because a DC capacitor bank is always needed to handle the power flow, the phase and ripple supply unbalance and the external arm capacitors are a natural part of this capacitor bank.
La combinaison des deux modules internes d'une topologie MMC classique en un unique module interne telle que dans la topologie de la présente invention avec une troisième borne connectée à la charge permet de compenser l'ondulation de tension.The combination of the two internal modules of a conventional MMC topology into a single internal module such as in the topology of the present invention with a third terminal connected to the load makes it possible to compensate for the voltage ripple.
Toutes ces caractéristiques du MMC selon l'invention permettent au MMC non seulement d'être utilisé pour une application à basse tension, mais également d'avoir une taille globale réduite avec un nombre réduit de capacités et sans traitement complexe. All these characteristics of the MMC according to the invention allow the MMC not only to be used for a low voltage application, but also to have a reduced overall size with a reduced number of capacitors and without complex processing.
Dans un sixième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, le courant de sortie de chaque branche est limité par les valeurs des différents éléments électriques du convertisseur, telles que les capacités. In a sixth aspect of the modular multilevel converter, the output current of each branch is limited by the values of the various electrical elements of the converter, such as capacitances.
Dans un septième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, l'unité de commande est configurée pour contrôler le courant dans ladite au moins une branche en surveillant le courant dans le premier module externe et dans le deuxième module externe. In a seventh aspect of the modular multilevel converter, the control unit is configured to control the current in said at least one branch by monitoring the current in the first external module and in the second external module.
Une réduction de la composante de courant I2w entraîne une ondulation plus importante de la capacité du module interne avec la demande d'une valeur de capacité plus élevée, mais permet d'optimiser le courant et la dissipation dans les modules et les commutateurs. Reducing the current component I 2w results in greater ripple of the capacity of the internal module with the demand for a higher capacitance value, but allows the optimization of current and dissipation in modules and switches.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : The invention will be better understood on reading below, by way of indication but not limiting, with reference to the appended drawings in which:
[Fig. 1] La figure 1 , précédemment décrite, est une topologie MMC à trois phases avec deux modules par bras et trois niveaux telle que connue dans l'état de la technique. [Fig. 2] La figure 2, précédemment décrite, est un schéma électrique d'une branche d’un MMC standard avec deux modules par bras avec N = 2 et sans point neutre, comme cela est connu dans l'état de la technique. [Fig. 1] FIG. 1, previously described, is a three-phase MMC topology with two modules per arm and three levels as known in the state of the art. [Fig. 2] FIG. 2, previously described, is an electrical diagram of a branch of a standard MMC with two modules per arm with N = 2 and without a neutral point, as is known in the state of the art.
[Fig. 3] La figure 3, précédemment décrite, est un schéma électrique d'une branche d’un MMC standard à deux modules par bras avec N = 2 et un point neutre, tels qu'ils sont connus dans l'état de la technique. [Fig. 3] FIG. 3, previously described, is an electrical diagram of a branch of a standard MMC with two modules per arm with N = 2 and a neutral point, as they are known in the state of the art.
[Fig. 4] La figure 4 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux monophasé selon un premier mode de réalisation de l'invention. [Fig. 4] FIG. 4 schematically represents a single-phase multilevel modular converter according to a first embodiment of the invention.
[Fig. 5] La figure 5 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux triphasé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [Fig. 5] FIG. 5 schematically represents a three-phase multilevel modular converter according to a second embodiment of the invention.
[Fig. 6] La figure 6 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux monophasé selon un troisième mode de réalisation de l’invention. [Fig. 6] Figure 6 schematically shows a single-phase multilevel modular converter according to a third embodiment of the invention.
Description des modes de réalisation Description of the embodiments
La présente invention sera décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers et en référence à certains dessins, mais l'invention n'est pas limitée à cela, mais uniquement par les revendications. Les dessins décrits ne sont que schématiques et ne sont pas limitatifs. Dans les dessins, la taille de certains des éléments peut être exagérée et non dessinée à l’échelle à des fins d’illustration. Lorsque le terme "comprenant" est utilisé dans la présente description et les revendications, il n’exclut pas d’autres éléments ou étapes. Lorsqu'un article indéfini ou défini est utilisé pour désigner un nom singulier, par ex. "un", "le", cela inclut un pluriel de ce nom, sauf indication contraire. The present invention will be described in connection with particular embodiments and with reference to certain drawings, but the invention is not limited thereto, but only by the claims. The drawings described are only schematic and are not limiting. In the drawings, the size of some of the items may be exaggerated and not drawn to scale for illustration purposes. When the term "comprising" is used in this description and the claims, it does not exclude other elements or steps. When an undefined or defined article is used to denote a singular name, e.g. "a", "the", this includes a plural of that name, unless otherwise specified.
Le terme "comprenant", utilisé dans les revendications, ne doit pas être interprété comme étant limité aux moyens énumérés ci-après; il n'exclut pas d'autres éléments ou étapes. Ainsi, la portée de l'expression "un dispositif comprenant les moyens A et B" ne devrait pas être limitée aux dispositifs constitués uniquement des composants A et B. Cela signifie que, par rapport à la présente invention, les seuls composants pertinents du dispositif sont A et B. The term "comprising" as used in the claims should not be interpreted as being limited to the means listed below; it does not exclude other elements or steps. Thus, the scope of the expression "a device comprising means A and B" should not be limited to devices consisting only of components A and B. This means that, in relation to the present invention, the only relevant components of the device are A and B.
En outre, les termes premier, deuxième, troisième et similaires dans la description et les revendications sont utilisés pour distinguer des éléments similaires et pas nécessairement pour décrire un ordre séquentiel ou chronologique. Il faut comprendre que les termes ainsi utilisés sont interchangeables dans des circonstances appropriées et que les modes de réalisation de l'invention décrits ici sont capables de fonctionner dans d'autres séquences que celles décrites ou illustrées ici. Furthermore, the terms first, second, third and the like in the description and the claims are used to distinguish like elements and not necessarily to describe a sequential or chronological order. It should be understood that the terms so used are interchangeable in appropriate circumstances and that the embodiments of the invention described herein are capable of functioning in sequences other than those described or illustrated herein.
La figure 4 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) selon un premier mode de réalisation de l'invention. FIG. 4 schematically represents a modular multilevel converter (MMC) according to a first embodiment of the invention.
Le MMC 1 comprend trois modules : un premier module externe 2, un second module externe 3 et un module interne 4. Chaque module externe et interne 2 à 4 comprend une première unité de commutation 7, une seconde unité de commutation 8, une première borne 9, une seconde borne 10 et une troisième borne 11. The MMC 1 comprises three modules: a first external module 2, a second external module 3 and an internal module 4. Each external and internal module 2 to 4 comprises a first switching unit 7, a second switching unit 8, a first terminal 9, a second terminal 10 and a third terminal 11.
Chaque première et seconde unité de commutation 7 et 8 comprend une diode 12, un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) 13, un premier connecteur 14 connecté électriquement à un premier pôle de la diode 12 et à un premier pôle de l'IGBT 13, et un second connecteur 15 connecté électriquement à un deuxième pôle de la diode 12 et à un deuxième pôle de l'IGBT 13. Each first and second switching unit 7 and 8 comprises a diode 12, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 13, a first connector 14 electrically connected to a first pole of the diode 12 and to a first pole of the IGBT 13 , and a second connector 15 electrically connected to a second pole of the diode 12 and to a second pole of the IGBT 13.
La première borne 9 d'un module 2 à 4 est connectée électriquement au premier connecteur 14 de sa première unité de commutation 7. La deuxième borne 10 d'un module 2 à 4 est connectée électriquement au deuxième connecteur 15 de sa deuxième unité de commutation 8. Et la troisième borne 11 d'un module 2 à 4 est connectée électriquement au deuxième connecteur 15 de sa première unité de commutation 7 et au premier connecteur 14 de sa deuxième unité de commutation 8. La troisième borne 11 du premier module externe 2 est couplée électriquement à la première borne 9 du module intérieur 4 par l'intermédiaire d'un premier inducteur 16.The first terminal 9 of a module 2 to 4 is electrically connected to the first connector 14 of its first switching unit 7. The second terminal 10 of a module 2 to 4 is electrically connected to the second connector 15 of its second switching unit 8. And the third terminal 11 of a module 2 to 4 is electrically connected to the second connector 15 of its first switching unit 7 and to the first connector 14 of its second switching unit 8. The third terminal 11 of the first external module 2 is electrically coupled to the first terminal 9 of the indoor module 4 via a first inductor 16.
La troisième borne 11 du second module externe 3 est couplée électriquement à la deuxième borne 10 du module intérieur 4 par l'intermédiaire d'un deuxième inducteur 17. La troisième borne 11 du module interne 4 est électriquement couplée à un premier pôle d’un troisième inducteur 21 doté d’un second pôle configuré pour être connecté à une phase d’une charge ou d’un réseau auquel le MMC 1 est configuré pour être connecté. The third terminal 11 of the second outdoor module 3 is electrically coupled to the second terminal 10 of the indoor module 4 via a second inductor 17. The third terminal 11 of the indoor module 4 is electrically coupled to a first pole of a third inductor 21 with a second pole configured to be connected to a phase of a load or network to which the MMC 1 is configured to be connected.
La deuxième borne 10 du premier module externe 2 est connectée électriquement à la première borne 9 du second module externe 3. The second terminal 10 of the first external module 2 is electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3.
Le module interne 4 comprend un condensateur interne 18, ayant une valeur de capacité interne Cm et comprenant un premier pôle 180 connecté électriquement à la première borne 9 du module interne 4 et un second pôle 185 connecté électriquement à la seconde borne 10 du module interne 4. The internal module 4 comprises an internal capacitor 18, having an internal capacitance value C m and comprising a first pole 180 electrically connected to the first terminal 9 of the internal module 4 and a second pole 185 electrically connected to the second terminal 10 of the internal module 4.
Le MMC 1 comprend également un premier condensateur externe 19 ayant une première valeur de capacité externe Ctop et comprenant un premier pôle 190 connecté électriquement à la première borne 9 du premier module externe 2 et un second pôle 195 connecté électriquement à la seconde borne 10 du premier module externe 2, et un deuxième condensateur externe 20 ayant une deuxième valeur de capacité externe C ottom et comprenant un premier pôle 200 connecté électriquement à la première borne 9 du second module externe 3 et un deuxième pôle 205 relié électriquement à la deuxième borne 10 du second module externe 3. The MMC 1 also comprises a first external capacitor 19 having a first external capacitance value C top and comprising a first pole 190 electrically connected to the first terminal 9 of the first external module 2 and a second pole 195 electrically connected to the second terminal 10 of the first external module 2, and a second external capacitor 20 having a second external capacitance value C ottom and comprising a first pole 200 electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3 and a second pole 205 electrically connected to the second terminal 10 of the second external module 3.
Le MMC 1 est couplé à une tension d'entrée VDc par l'intermédiaire de la première borne 9 du premier module externe 2 et de la seconde borne 10 du second module externe 3. The MMC 1 is coupled to an input voltage V D c via the first terminal 9 of the first external module 2 and the second terminal 10 of the second external module 3.
En traits pointillés est représenté un couplage du deuxième pôle 195 du premier condensateur externe 19 et du premier pôle 200 du deuxième condensateur externe 20. Ce couplage n'existe que si le MMC 1 est dans une configuration avec un point neutre. In dotted lines is shown a coupling of the second pole 195 of the first external capacitor 19 and of the first pole 200 of the second external capacitor 20. This coupling only exists if the MMC 1 is in a configuration with a neutral point.
Le MMC 1 illustré sur la figure 4 comprend en outre une capacité de filtrage 22 couplée entre le point de référence dans un système de distribution de tension (masse, neutre ..) et une borne de sortie du MMC 1 qui correspond au second pôle du troisième inducteur 21 . Cette capacité de filtrage 22 permet de compenser l'ondulation du courant de starter de sortie afin de filtrer la fréquence de commutation et de ne conserver que le fondamental de la tension de sortie (50 ou 60Hz). The MMC 1 illustrated in FIG. 4 further comprises a filter capacitor 22 coupled between the reference point in a voltage distribution system (ground, neutral, etc.) and an output terminal of the MMC 1 which corresponds to the second pole of the third inductor 21. This filtering capacitor 22 makes it possible to compensate for the ripple of the output choke current in order to filter the switching frequency and to keep only the fundamental of the output voltage (50 or 60Hz).
La figure 5 illustre schématiquement un MMC 31 triphasée selon un autre mode de réalisation de l'invention. Le MMC 31 comprend trois branches 30 comprenant chacune trois modules : un premier module externe 32, un second module externe 33 et un module interne 34.FIG. 5 schematically illustrates a three-phase MMC 31 according to another embodiment of the invention. The MMC 31 comprises three branches 30 each comprising three modules: a first external module 32, a second external module 33 and an internal module 34.
Chaque branche 30 du MMC 31 triphasé est composée de ses trois modules 32 à 34 de la même manière que le MMC monophasé 1 illustré sur la figure 4. Ainsi, chaque module externe et interne 32 à 34 comprend une première unité de commutation 37, une seconde unité de commutation 38, une première borne 39, une seconde borne 40 et une troisième borne 41. Each branch 30 of the three-phase MMC 31 is composed of its three modules 32 to 34 in the same way as the single-phase MMC 1 illustrated in FIG. 4. Thus, each external and internal module 32 to 34 comprises a first switching unit 37, a second switching unit 38, a first terminal 39, a second terminal 40 and a third terminal 41.
Chaque première et seconde unité de commutation 37 et 38 d'une branche 30 comprend une diode 42, un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) 43, un premier connecteur 44 connecté électriquement à un premier pôle de la diode 42 et un premier pôle de l'IGBT 43 et un deuxième connecteur 45 connecté électriquement à un deuxième pôle de la diode 42 et à un deuxième pôle de l'IGBT 43. Each first and second switching unit 37 and 38 of a branch 30 comprises a diode 42, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 43, a first connector 44 electrically connected to a first pole of the diode 42 and a first pole of the IGBT 43 and a second connector 45 electrically connected to a second pole of the diode 42 and to a second pole of the IGBT 43.
La première borne 39 d'un module 32 à 34 d'une branche 30 est connectée électriquement au premier connecteur 44 de sa première unité de commutation 37. La seconde borne 40 d'un module 32 à 34 est connectée électriquement au second connecteur 35 de sa seconde unité de commutation 38. Et la troisième borne 41 d'un module 32 à 34 est connectée électriquement au deuxième connecteur 45 de sa première unité de commutation 37 et au premier connecteur 44 de sa deuxième unité de commutation 38. Pour chaque branche 30, la troisième borne 41 du premier module externe 32 de la branche 30 est couplée électriquement à la première borne 39 du module interne 34 de la même branche 30 par l'intermédiaire d'un premier inducteur 46. The first terminal 39 of a module 32 to 34 of a branch 30 is electrically connected to the first connector 44 of its first switching unit 37. The second terminal 40 of a module 32 to 34 is electrically connected to the second connector 35 of its second switching unit 38. And the third terminal 41 of a module 32 to 34 is electrically connected to the second connector 45 of its first switching unit 37 and to the first connector 44 of its second switching unit 38. For each branch 30 , the third terminal 41 of the first external module 32 of the branch 30 is electrically coupled to the first terminal 39 of the internal module 34 of the same branch 30 via a first inductor 46.
Pour chaque branche 30, la troisième borne 41 du deuxième module externe 33 de la branche 30 est couplée électriquement à la deuxième borne 40 du module intérieur 34 de la même branche 30 par l'intermédiaire d'un deuxième inducteur 47.For each branch 30, the third terminal 41 of the second external module 33 of the branch 30 is electrically coupled to the second terminal 40 of the indoor module 34 of the same branch 30 via a second inductor 47.
Pour chaque branche 30, la troisième borne 41 du module interne 34 de la branche 30 est couplée électriquement à un premier pôle d’un troisième inducteur 51 doté d’un second pôle destiné à être connecté à une phase d'une charge ou d'un réseau auquel le MMC 31 est destiné à être connecté. Pour chaque branche 30, la deuxième borne 40 du premier module externe 32 de la branche 30 est connectée électriquement à la première borne 39 du second module externe 33 de la même branche 30. For each branch 30, the third terminal 41 of the internal module 34 of the branch 30 is electrically coupled to a first pole of a third inductor 51 provided with a second pole intended to be connected to a phase of a load or of a network to which the MMC 31 is intended to be connected. For each branch 30, the second terminal 40 of the first external module 32 of the branch 30 is electrically connected to the first terminal 39 of the second external module 33 of the same branch 30.
Le module interne 34 de chaque branche 30 comprend un condensateur interne 48, ayant une valeur de capacité interne Cm et comprenant un premier pôle 480 connecté électriquement à la première borne 39 du module interne 34 de sa branche 30 et un second pôle 185 relié électriquement à la deuxième borne 40 du module interne 34 de sa branche 30. The internal module 34 of each branch 30 comprises an internal capacitor 48, having an internal capacitance value C m and comprising a first pole 480 electrically connected to the first terminal 39 of the internal module 34 of its branch 30 and a second pole 185 electrically connected to the second terminal 40 of the internal module 34 of its branch 30.
Le MMC 1 comprend également un premier condensateur externe 49 et un second condensateur externe 50. Le premier condensateur externe 49 est couplé en parallèle au premier module externe 32 des trois branches 30, et le second condensateur externe 50 est couplé en parallèle au second module externe 33 des trois branches 30. En d’autres termes, il existe un premier condensateur externe 49 couplé en parallèle à trois premiers modules externes 32 et un second condensateur externe 50 couplé en parallèle à trois seconds modules externes 33. The MMC 1 also includes a first external capacitor 49 and a second external capacitor 50. The first external capacitor 49 is coupled in parallel with the first external module 32 of the three branches 30, and the second external capacitor 50 is coupled in parallel with the second external module. 33 of the three branches 30. In other words, there is a first external capacitor 49 coupled in parallel to three first external modules 32 and a second external capacitor 50 coupled in parallel to three second external modules 33.
Le premier condensateur externe 49 a une première valeur de capacité externe Ctop et comprend un premier pôle 490 connecté électriquement à la première borne 39 du premier module externe 32 de chaque branche 30 et un second pôle 495 connecté électriquement à la seconde borne 40 du premier module externe 32 de chaque branche 30. Le deuxième condensateur externe 50 a une deuxième valeur de capacité externee C ottom et comprend un premier pôle 500 connecté électriquement à la première borne 39 du second module externe 33 de chaque branche 30 et un deuxième pôle 505 relié électriquement au deuxième terminal 40 du second module externe 33 de chaque branche 30. The first external capacitor 49 has a first external capacitance value C top and comprises a first pole 490 electrically connected to the first terminal 39 of the first external module 32 of each branch 30 and a second pole 495 electrically connected to the second terminal 40 of the first external module 32 of each branch 30. The second external capacitor 50 has a second external capacitance value C o ttom and comprises a first pole 500 electrically connected to the first terminal 39 of the second external module 33 of each branch 30 and a second pole 505 electrically connected to the second terminal 40 of the second external module 33 of each branch 30.
Le MMC 31 est couplé à une tension d'entrée VDc par l'intermédiaire de la première borne 39 du premier module externe 32 de chaque branche 30 et de la seconde borne 40 du second module externe 33 de chaque branche 30. The MMC 31 is coupled to an input voltage V D c via the first terminal 39 of the first external module 32 of each branch 30 and the second terminal 40 of the second external module 33 of each branch 30.
La MMC 31 peut également comporter une capacité de filtrage pour chaque branche 30 couplée entre le point de référence d'un système de distribution de tension et la borne de sortie de la branche 30 de la MMC 31 qui correspond au deuxième pôle du troisième inducteur 51 de la branche 30. La figure 6 représente schématiquement un MMC avec deux modules par bras, mais selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La solution peut être appliquée à un nombre quelconque de modules pour chaque bras. Bien que le mode de réalisation illustré à la figure 6 comporte deux modules par bras, donc quatre par branche, la solution proposée est applicable pour un nombre quelconque de modules dans les bras. The MMC 31 can also include a filtering capacitor for each branch 30 coupled between the reference point of a voltage distribution system and the output terminal of the branch 30 of the MMC 31 which corresponds to the second pole of the third inductor 51. of branch 30. FIG. 6 schematically represents an MMC with two modules per arm, but according to a third embodiment of the invention. The solution can be applied to any number of modules for each arm. Although the embodiment illustrated in FIG. 6 comprises two modules per arm, therefore four per branch, the proposed solution is applicable for any number of modules in the arms.
La MMC 61 comprend trois modules : un premier module externe 2, un deuxième module externe 3 et un premier module interne 4 et un deuxième module interne 5. Les références numériques sont maintenues identiques au premier mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 4 pour les éléments identiques. Dans ce mode de réalisation, la MMC 61 diffère de la MMC 1 du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend des bras symétriques ayant chacun un module externe et un module interne et diffère donc en ce qu'il comporte un module interne supplémentaire 5. Dans ce troisième mode de réalisation, la troisième borne 11 du premier module externe 2 est couplée électriquement directement à la première borne 9 du premier module interne 4 et la troisième borne 11 du deuxième module externe 3 est couplée électriquement directement à la deuxième borne 10 du deuxième module interne 5.The MMC 61 comprises three modules: a first external module 2, a second external module 3 and a first internal module 4 and a second internal module 5. The numerical references are kept identical to the first embodiment of the invention illustrated in FIG. 4 for identical elements. In this embodiment, the MMC 61 differs from the MMC 1 of the first embodiment in that it comprises symmetrical arms each having an external module and an internal module and therefore differs in that it comprises an additional internal module 5. In this third embodiment, the third terminal 11 of the first outdoor module 2 is electrically coupled directly to the first terminal 9 of the first indoor module 4 and the third terminal 11 of the second outdoor module 3 is electrically coupled directly to the second terminal. 10 of the second internal module 5.
La troisième borne 11 du premier module interne 4 est couplée à un premier pôle d'un premier inducteur 76, et la troisième borne 11 du deuxième module interne est couplée à un premier pôle d'un second inducteur 77. Les deuxièmes pôles du premier l'inducteur 76 et le deuxième inducteur 77 sont couplés ensemble à un premier pôle d'un troisième inducteur 81 , le deuxième pôle du troisième inducteur 81 étant conçu pour être connecté à une phase d'une charge ou d'une grille à laquelle le MMC 1 est conçu être relié. The third terminal 11 of the first internal module 4 is coupled to a first pole of a first inductor 76, and the third terminal 11 of the second internal module is coupled to a first pole of a second inductor 77. The second poles of the first l The inductor 76 and the second inductor 77 are coupled together to a first pole of a third inductor 81, the second pole of the third inductor 81 being adapted to be connected to a phase of a load or grid at which the MMC 1 is designed to be connected.
Dans ce troisième mode de réalisation, la deuxième borne 10 du premier module externe 2 n'est pas connectée électriquement à la première borne 9 du deuxième module externe 3. Au lieu de cela, il existe deux condensateurs supplémentaires 91 et 92 couplés respectivement entre le point de référence dans une tension système de distribution et la première borne 9 du premier module externe 2 et entre la masse et la deuxième borne 10 du deuxième module externe 3. Le MMC 61 est couplé à une tension d'entrée VDc par l'intermédiaire de la première borne 9 du premier module externe 2 et de la seconde borne 10 du second module externe 3. In this third embodiment, the second terminal 10 of the first external module 2 is not electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3. Instead, there are two additional capacitors 91 and 92 respectively coupled between the reference point in a distribution system voltage and the first terminal 9 of the first external module 2 and between ground and the second terminal 10 of the second external module 3. The MMC 61 is coupled to an input voltage V D c via the first terminal 9 of the first external module 2 and the second terminal 10 of the second external module 3.
Le MMC 61 illustré sur la figure 6 comprend en outre une capacité de filtrage 82 couplée entre le point de référence d'un système de distribution de tension et une borne de sortie du MMC 61 qui correspond au deuxième pôle de la troisième inductance 81. Cette capacité de filtrage 82 permet de compenser l’ondulation du courant de sortie d’indusctance afin de filtrer la fréquence de commutation et de ne conserver que le fondamental de la tension de sortie (50 ou 60 Hz). L’invention s’applique à tous les types de convertisseurs de puissance pour convertisseurs de moyenne à grande puissance (onduleur ou redresseur) ainsi que pour les applications à basse tension avec des semi-conducteurs de calibres appropriés. The MMC 61 illustrated in Figure 6 further includes a filter capacitor 82 coupled between the reference point of a voltage distribution system and an output terminal of MMC 61 which corresponds to the second pole of the third inductor 81. This filtering capacitor 82 makes it possible to compensate for the ripple of the indusctance output current in order to filter the switching frequency and to keep only the fundamental of the output voltage (50 or 60 Hz). The invention applies to all types of power converters for medium to large power converters (inverter or rectifier) as well as for low voltage applications with semiconductors of appropriate ratings.
Le MMC pourrait être réalisé sous forme de solution de circuit imprimé pour des applications à faible puissance, par exemple, ou sous forme de solution câblée pour des applications de moyenne ou grande puissance. The MMC could be realized as a printed circuit solution for low power applications, for example, or as a hardwired solution for medium or high power applications.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31, 61) comprenant au moins une branche (30) destinée à être connectée à une phase, ladite au moins une branche comportant au moins un premier module externe (2, 32) et au moins un second modules externe (3, 33) et au moins un module interne (4, 5, 34), chaque module externe et chaque module interne (2-5, 32-34) comprenant: [Claim 1] Modular multilevel converter (1, 31, 61) comprising at least one branch (30) intended to be connected to one phase, said at least one branch comprising at least a first external module (2, 32) and at least a second external module (3, 33) and at least one internal module (4, 5, 34), each external module and each internal module (2-5, 32-34) comprising:
- une première et une deuxième unités de commutation (7, 8, 37, 38) comprenant chacune une diode (12, 42), un transistor bipolaire à grille isolée (13, 43), un premier connecteur (14, 44) électriquement connecté à un premier pôle de la diode (12, 42) et un premier pôle du transistor (13, 43), et un deuxième connecteur (15, 45) électriquement connecté à un deuxième pôle de la diode (12, 42) et un deuxième pôle du transistor (13, 43), - a first and a second switching units (7, 8, 37, 38) each comprising a diode (12, 42), an insulated gate bipolar transistor (13, 43), a first connector (14, 44) electrically connected to a first pole of the diode (12, 42) and a first pole of the transistor (13, 43), and a second connector (15, 45) electrically connected to a second pole of the diode (12, 42) and a second transistor pole (13, 43),
- une première borne (9, 39) électriquement connectée au premier connecteur (14, 44) de la première unité de commutation (7, 37), - a first terminal (9, 39) electrically connected to the first connector (14, 44) of the first switching unit (7, 37),
- une deuxième borne (10, 40) connectée électriquement au deuxième connecteur (15, 45) de la deuxième unité de commutation (8, 38), et - a second terminal (10, 40) electrically connected to the second connector (15, 45) of the second switching unit (8, 38), and
- une troisième borne (11, 41) connectée électriquement au deuxième connecteur (15, 45) de la première unité de commutation (7, 37) et au premier connecteur (14, 44) de la deuxième unité de commutation (8, 38), ladite au moins une branche (30) comportant un premier inducteur (16, 46) ayant un pôle connecté respectivement à la troisième borne (11, 41) d'un module interne ou externe et un second inducteur (17, 47) ayant un pôle connecté à la troisième borne (11, 41) d'un module interne ou externe distinct du module interne ou externe auquel le premier inducteur (16, 46) est couplé, caractérisé en ce que ladite au moins une branche (30) comprend un troisième inducteur (21, 51, 81), ladite au moins une branche (30) étant configurée pour être électriquement connectée à une phase d’une charge via ledit troisième inducteur (21, 51, 81), pour une branche (30), la valeur d’inductance du premier inducteur (16, 46, 76) de la branche étant égale à la valeur d’inductance de la seconde inductance (17, 47, 77) de la branche et la valeur d'inductance du troisième inducteur (18, 48, 78) de la branche étant égale à la moitié de la valeur d'inductance du premier inducteur (16, 46, 76) de la branche. - a third terminal (11, 41) electrically connected to the second connector (15, 45) of the first switching unit (7, 37) and to the first connector (14, 44) of the second switching unit (8, 38) , said at least one branch (30) comprising a first inductor (16, 46) having a pole connected respectively to the third terminal (11, 41) of an internal or external module and a second inductor (17, 47) having a pole connected to the third terminal (11, 41) of an internal or external module separate from the internal or external module to which the first inductor (16, 46) is coupled, characterized in that said at least one branch (30) comprises a third inductor (21, 51, 81), said at least one branch (30) being configured to be electrically connected to a phase of a load via said third inductor (21, 51, 81), for one branch (30), the inductance value of the first inductor (16, 46, 76) of the branch being equal to the inductance value of the second inductor (1 7, 47, 77) of the branch and the inductance value of the third inductor (18, 48, 78) of the branch being equal to half of the inductance value of the first inductor (16, 46, 76) of the branch.
[Revendication 2] Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un module interne (4, 34) comprenant en outre une capacité (18, 48) comportant un premier pôle (180, 480) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du module interne (4, 34) et un second pôle (185, 485) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du module interne (4, 34), et le convertisseur (1, 31) comprend en outre une première capacité externe (19, 49) comportant un premier pôle (190, 490) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du premier module externe (2, 32) et un second pôle (195, 495) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du premier module externe (2, 32), et une seconde capacité externe (20, 50) comportant un premier pôle (200, 500) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du second module externe (3, 33) et un second pôle (205, 505) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du second module externe (3,[Claim 2] A modular multilevel converter (1, 31) according to claim 1, wherein said at least one internal module (4, 34) further comprising a capacitor (18, 48) having a first pole (180, 480) connected electrically to the first terminal (9, 39) of the internal module (4, 34) and a second pole (185, 485) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the internal module (4, 34), and the converter (1, 31) further comprises a first external capacitor (19, 49) comprising a first pole (190, 490) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the first external module (2, 32) and a second pole (195, 495) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the first external module (2, 32), and a second external capacitor (20, 50) having a first pole (200, 500) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the second external module (3, 33) and a second pole (205, 505) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the second external module do (3,
33). 33).
[Revendication 3] Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre une unité de commande configurée pour piloter les premier et second modules externes (2, 32, 3, 33) avec un motif de modulation calculé par une porteuse déphasée avec N porteuses, N étant une valeur entière, et pour piloter le module interne (4, 5,[Claim 3] Modular multilevel converter (1, 31) according to one of claims 1 or 2, further comprising a control unit configured to drive the first and second external modules (2, 32, 3, 33) with a pattern modulation calculated by a phase-shifted carrier with N carriers, N being an integer value, and to drive the internal module (4, 5,
34) avec un signal de modulation de largeur d’impulsion (PWM) calculé par une porteuse à n phases, n étant une valeur entière et le même signal d’erreur. 34) with a pulse width modulation (PWM) signal calculated by an n-phase carrier, where n is an integer value and the same error signal.
[Revendication 4] Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant trois branches (30), chacune étant configurée pour être connectée à une phase différente, et la première capacité externe (49) est couplée électriquement en parallèle au premier module externe (32) des trois branches (30), et la seconde capacité externe (50) est couplée électriquement en parallèle au deuxième module (50) externe des trois branches (30). [Claim 4] Modular multilevel converter (1, 31) according to one of claims 1 to 3, comprising three branches (30), each configured to be connected to a different phase, and the first external capacitor (49) is coupled electrically in parallel with the first external module (32) of the three branches (30), and the second external capacitor (50) is electrically coupled in parallel to the second external module (50) of the three branches (30).
[Revendication 5] Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel , ladite au moins une branche (30) comprend uniquement un premier module externe (2, 32), un second module externe (3, 33) et un module interne (4, 34), la troisième borne (11, 41) du premier module externe (2, 32) étant couplée électriquement à la première borne (9, 39) du module interne (4, 34) via un premier inducteur (16, 46), la troisième borne (11, 41) du second module externe (3, 33) étant couplée électriquement à la deuxième borne (10, 40) du module interne (4, 34) via un deuxième inducteur (17, 47), la troisième borne (11, 41) du module interne (4, 34) étant configurée pour être connectée à une phase d’une charge ou d’un réseau auquel le convertisseur (1, 31) est configuré pour être connecté, et la seconde borne (10, 40) du premier module externe (2, 32) étant connectée électriquement à la première borne (9, 39) du second module externe (3, 33), le convertisseur (1, 31) comprend en outre une première capacité externe (19, 49) comportant un premier pôle (190, 490) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du premier module externe (2, 32) de ladite au moins une branche et un second pôle (195, 495) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du premier module externe (2, 32) de ladite au moins une branche, et une seconde capacité externe (20, 50) comportant un premier pôle (200, 500) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du second module externe (3, 33) de ladite au moins une branche et un second pôle (205, 505) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du second module externe (3, 33) de ladite au moins une branche. [Claim 5] Modular multilevel converter (1, 31) according to one of claims 1 to 3, wherein said at least one branch (30) comprises only a first external module (2, 32), a second external module ( 3, 33) and an internal module (4, 34), the third terminal (11, 41) of the first external module (2, 32) being electrically coupled to the first terminal (9, 39) of the internal module (4, 34 ) via a first inductor (16, 46), the third terminal (11, 41) of the second external module (3, 33) being electrically coupled to the second terminal (10, 40) of the internal module (4, 34) via a second inductor (17, 47), the third terminal (11, 41) of the internal module (4, 34) being configured to be connected to a phase of a load or of a network to which the converter (1, 31) is configured to be connected, and the second terminal (10, 40) of the first external module (2, 32) being electrically connected to the first terminal (9, 39) of the second external module (3, 33), the converter (1, 31) further comprises a first external capacitor (19, 49) comprising a first pole (190, 490) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the first external module (2, 32) of said at least one branch and a second pole (195, 495) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the first external module (2, 32) of said at least one branch, and a second external capacitor (20, 50) comprising a first pole ( 200, 500) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the second external module (3, 33) of said at least one branch and a second pole (205, 505) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the second external module (3, 33) of said at least one branch.
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APPARAO DEKKA ET AL: "Evolution of Topologies, Modeling, Control Schemes, and Applications of Modular Multilevel Converters", IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS, vol. 5, no. 4, 1 December 2017 (2017-12-01), Piscataway, NJ, USA, pages 1631 - 1656, XP055691000, ISSN: 2168-6777, DOI: 10.1109/JESTPE.2017.2742938 *
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