WO2023155979A1 - Modul eines modularen multilevelstromrichters - Google Patents

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WO2023155979A1
WO2023155979A1 PCT/EP2022/053765 EP2022053765W WO2023155979A1 WO 2023155979 A1 WO2023155979 A1 WO 2023155979A1 EP 2022053765 W EP2022053765 W EP 2022053765W WO 2023155979 A1 WO2023155979 A1 WO 2023155979A1
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electrical conductor
thyristor
module
switching element
electronic switching
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PCT/EP2022/053765
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Daniel Schmitt
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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Publication date
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/322—Means for rapidly discharging a capacitor of the converter for protecting electrical components or for preventing electrical shock

Definitions

  • the invention relates to a module of a modular multilevel power converter and a method for discharging an electrical energy store in such a module.
  • a module of a modular multilevel power converter often has a bypass switch with which the module connections can be electrically bypassed if a module-internal fault occurs. This allows the modular multilevel power converter to continue operating without the faulty module.
  • a modular multilevel converter is operated as a rectifier and a short circuit occurs on the DC side
  • the short circuit current that occurs can flow through at least one of the diodes inside the module, which are each connected antiparallel to the electronic switching elements, and overload this diode. It is therefore conceivable, in the event of a fault, to relieve the diodes by means of an additional component. A large part of the fault current that occurs can then flow through the additional component and only a small part of the fault current flows via the diode.
  • the invention is based on the object of specifying a module of a modular multilevel power converter and a method for discharging an electrical energy store in such a module, in which the module can be constructed in a compact manner.
  • a module of a modular multilevel power converter is disclosed
  • the power semiconductor circuit has a first electronic switching element and a second electronic switching element, a first diode being connected antiparallel to the first electronic switching element and a second diode being connected antiparallel to the second electronic switching element,
  • the power semiconductor circuit is connected to the energy store by means of the first electrical conductor and the second electrical conductor
  • the first module connection is connected to the third electrical conductor
  • a first thyristor and a second thyristor are connected between the third electrical conductor and the second electrical conductor, the first thyristor and the second thyristor forming an anti-parallel circuit.
  • the first thyristor and the second thyristor are connected antiparallel to one another. It is advantageous here that the anti-parallel circuit of the first thyristor and the second thyristor can be constructed in a very compact and space-saving manner.
  • the first thyristor can then take over the function of the bypass switch, the second thyristor is used to relieve at least one of the diodes.
  • the module can be designed in such a way that
  • the third electrical conductor is arranged (in a space) between the first electrical conductor and the second electrical conductor.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first thyristor and the second thyristor are arranged between the third electrical conductor and the second electrical conductor.
  • the two thyristors are arranged in an anti-parallel circuit, with one pole of the anti-parallel circuit being electrically connected to the third electrical conductor and a second pole of the anti-parallel circuit being electrically connected to the second electrical conductor conductor is connected.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first thyristor and the second thyristor are mechanically braced between the third electrical conductor and the second electrical conductor.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first thyristor and the second thyristor (in a space) are arranged between the first electrical conductor and the second electrical conductor.
  • the first thyristor and the second thyristor are located in the area in which the magnetic fields that occur around the first electrical conductor and the second electrical conductor and change over time are particularly strong.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first thyristor and the second thyristor are formed as a (single) semiconductor component.
  • the module can be designed in such a way that
  • the semiconductor component has a disc cell housing.
  • the disc cell housing between mechanically braced the third electrical conductor and the second electrical conductor.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first thyristor is arranged (spatially or in the space) between the first electrical conductor and the second electrical conductor that due to a time-varying magnetic field which is due to a flowing through the first electrical conductor and/or the second electrical conductor Discharge current of the energy storage device and which penetrates the semiconductor material of the first thyristor, in which a current is induced, which turns on the first thyristor.
  • the first thyristor can in particular be that thyristor whose conducting direction corresponds to the conducting direction of the second electronic switching element.
  • the module can therefore be designed in particular in such a way that the induced current turns on that thyristor of the thyristors connected in antiparallel whose conducting direction corresponds to the conducting direction of the second electronic switching element.
  • the module can be designed in such a way that the semiconductor component is arranged (spatially or in the space) between the first electrical conductor and the second electrical conductor that due to a magnetic field that changes over time, which arises as a result of a discharge current of the energy storage device flowing through the first electrical conductor and/or the second electrical conductor and which penetrates the semiconductor material of the semiconductor component, a current is induced in the semiconductor material, which at least one of the antiparallel connected Thyristors of the semiconductor device turns on. In particular, the induced current can turn on the first thyristor.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first electrical conductor, the second electrical conductor and/or the third electrical conductor are each configured as a busbar (in particular of a planar design).
  • the magnetic field that is produced as a result of the current flow through the first electrical conductor and the second electrical conductor and changes over time can penetrate the semiconductor material of the first thyristor and/or the second thyristor particularly well.
  • a large discharge current of the energy store can also be safely conducted by means of such a busbar.
  • the thyristors can be braced in a mechanically stable manner on a conductor rail.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first thyristor is integrated in a (disc-shaped) semiconductor wafer.
  • the module can also be designed in such a way that
  • the first thyristor and the second thyristor (together) are integrated in a (single or common) disc-shaped semiconductor wafer.
  • the back-to-back parallel connection of the thyristors can be implemented in a particularly compact and inexpensive manner.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first electrical conductor, the second electrical conductor and/or the third electrical conductor each have a flat outer surface, the semiconductor material of the first thyristor is arranged in a disk-shaped semiconductor wafer and the disk-shaped semiconductor wafer is arranged parallel to at least one of the flat outer surfaces.
  • the current can be induced particularly well in the semiconductor material.
  • the first electrical conductor can have a first flat outer surface
  • the second electrical conductor can have a second flat outer surface
  • the first flat outer surface can be arranged parallel to the second flat outer surface
  • the semiconductor material of the thyristor can form the disk-shaped semiconductor wafer (i.e. a disk) and the disc-shaped semiconductor wafer can be arranged parallel to the first planar outer surface and to the second planar outer surface.
  • a particularly strong magnetic field can be generated between the first electrical conductor and the second electrical conductor.
  • the time-varying magnetic field penetrates the semiconductor material of the thyristor particularly well, so that the current (which acts as a gate current) is reliably induced in the semiconductor material of the thyristor.
  • the module can be designed in such a way that
  • the first electronic switching element and the second electronic switching element are connected to form a half-bridge circuit.
  • the half-bridge circuit can be connected in parallel with the energy store.
  • the half-bridge circuit can in particular also be part of a larger circuit, for example part of a full-bridge circuit.
  • the module can therefore be a half-bridge module or a full-bridge module, for example.
  • a modular multilevel power converter with a large number of such modules is also disclosed.
  • a method for discharging an electrical energy store in a module of a modular multi-level power converter is also disclosed
  • the module has a first module connection, a second module connection, a first electrical conductor, a two- th electrical conductor, a third electrical conductor, a power semiconductor circuit and the energy store,
  • the power semiconductor circuit has a first electronic switching element and a second electronic switching element, a first diode being connected antiparallel to the first electronic switching element and a second diode being connected antiparallel to the second electronic switching element,
  • the power semiconductor circuit is connected to the energy store by means of the first electrical conductor and the second electrical conductor
  • the first module connection is connected to the third electrical conductor
  • a first thyristor and a second thyristor are connected between the third electrical conductor and the second electrical conductor, the first thyristor and the second thyristor forming an anti-parallel circuit, wherein in the method
  • the first thyristor can in particular be that thyristor whose conducting direction corresponds to the conducting direction of the second electronic switching element.
  • the method can therefore proceed in particular in such a way that the (induced) current turns on that thyristor of the thyristors connected in antiparallel whose conducting direction corresponds to the conducting direction of the second electronic switching element.
  • the procedure can be carried out in such a way that
  • the first module connection and the second module connection are short-circuited by means of the switched-on first thyristor.
  • the time-varying magnetic field (which arises due to the increasing discharge current of the energy store) is used directly to turn on the first thyristor (that is, to fire the first thyristor).
  • No further components and no further evaluation circuit are necessary for this.
  • this method can be implemented very simply, inexpensively and reliably.
  • time delays when switching on the thyristor are avoided.
  • An evaluation circuit consisting of additional electronic components would naturally involve such delays. It is therefore a self-igniting thyristor without an additional switching delay time due to additional detection or Ignition electronics in an additional evaluation circuit. Due to the absence of additional components and an additional evaluation circuit, no additional electrical losses occur either. In particular in the case of a modular multilevel power converter, in which there are a large number of modules, the electrical losses can be significantly reduced as a result. This can improve the energy efficiency of the system.
  • the module can be built very compactly.
  • the module can be designed to be particularly compact if the first thyristor and the (antiparallel) second thyristor are arranged in a single semiconductor component.
  • a weight reduction and cost savings can also be achieved as a result.
  • the module and the method have the same or similar advantages.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a power converter which has a large number of modules
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a module in
  • FIG. 3 shows another exemplary embodiment of a module
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a high-voltage direct current transmission system
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a reactive power compensation system
  • FIG. 6 in an exemplary embodiment of a module with two thyristors connected antiparallel and in
  • FIG. 7 shows the module from FIG. 6 with further exemplary details.
  • FIG. 1 shows a converter 1 in the form of a modular multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC).
  • This multilevel power converter 1 has a first AC voltage connection 5 , a second AC voltage connection 7 and a third AC voltage connection 9 on .
  • the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13 .
  • the first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1 .
  • the end of the first phase module branch 11 facing away from the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a first DC voltage connection 16; that end of the second phase module branch 13 which is remote from the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a second DC voltage connection 17 .
  • the first DC voltage connection 16 is a positive DC voltage connection; the second DC voltage connection 17 is a negative DC voltage connection.
  • the second AC voltage connection 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21 .
  • the third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24 .
  • the third AC voltage connection 9 is electrically connected to one end of a fifth phase module branch 27 and to one end of a sixth phase module branch 29 .
  • the fifth phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31 .
  • the end of the third phase module branch 18 facing away from the second AC voltage connection 7 and the end of the fifth phase module branch 27 facing away from the third AC voltage connection 9 are electrically connected to the first DC voltage connection 16 .
  • the end of the fourth phase module branch 21 facing away from the second AC voltage connection 7 and the end of the sixth phase module branch 29 facing away from the third AC voltage connection 9 are electrically connected to the second DC voltage connection 17 .
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which (by means of their galvanic current connections) are electrically connected in series are switched . Such modules are also referred to as submodules.
  • each phase module branch has n modules.
  • the number of modules electrically connected in series by means of their galvanic current connections can be very different, at least three modules are connected in series, but it is also possible, for example, for 50, 100 or more modules to be electrically connected in series.
  • n 36: the first phase module branch 11 therefore has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3, . . . 1_36.
  • the other phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are constructed in the same way.
  • a control device 35 for the modules 1_1 to 6_n is shown schematically in the left area of FIG.
  • Optical messages are transmitted from this central control device 35 via an optical communication connection 37 (for example via an optical waveguide) to the individual modules.
  • the message transmission between the control device and a module is represented symbolically by a line 37; the direction of message transmission is symbolized by the arrowheads on lines 37 .
  • This is shown using the example of modules 1_1, 1_4 and 4_5; Messages are sent to the other modules in the same way or messages are received from these modules.
  • the control device 35 sends to the individual modules in each case a desired value for the level of the output voltage which the respective module is intended to provide.
  • FIG. 2 shows the structure of a module 201 by way of example.
  • This can be, for example, module 1_1 of the first phase module branch 11 (or also one of the other modules shown in FIG. 1).
  • the module is designed as a half-bridge module 201 .
  • the module 201 has a first electronic switching element 202 that can be switched on and off (switching element 202 that can be switched on and off) with a first diode 204 connected antiparallel.
  • the module 201 has a second switching on and off bare electronic switching element 206 (switching element 206 that can be switched on and off) with a second antiparallel-connected diode 208 and an electrical energy store 210 in the form of a capacitor 210 .
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206 .
  • a first galvanic module connection 212 is arranged at the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206 .
  • a second galvanic module connection 215 is arranged at the connection of the second switching element 206 which is opposite the connection point.
  • the second module connection 215 is also connected to a first connection of the energy store 210; a second connection of the energy store 210 is electrically connected to the connection of the first switching element 202 which is opposite the connection point.
  • the energy store 210 is therefore electrically connected in parallel with the series connection made up of the first switching element 202 and the second switching element 206 .
  • Appropriate activation of the first switching element 202 and the second switching element 206 by a module-internal electronic module control device 220 can ensure that between the first galvanic module connection 212 and the second galvanic module connection 215 either the voltage of the energy store 210 is output or no voltage is output (i.e i.e. a zero voltage is output) .
  • the respective desired output voltage of the power converter can be generated.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of a module 301 of the modular multilevel converter 1 is shown in FIG.
  • This module 301 can be, for example, module 1_2 (or also one of the other modules shown in FIG. 1).
  • the module 301 shown in FIG 306 with a fourth diode 308 connected in antiparallel.
  • the third switching element 302 that can be switched on and off and the fourth switching element 306 that can be switched on and off are each designed as an IGBT.
  • the second galvanic module connection 315 is not electrically connected to the second switching element 206, but to a midpoint of an electrical series connection made up of the third switching element 302 and the fourth switching element 306.
  • the module 301 in FIG. 3 is what is known as a full-bridge module 301 .
  • This full-bridge module 301 is characterized in that, with appropriate control of the four switching elements between the first galvanic module connection 212 and the second galvanic module connection 315, either the positive voltage of the energy store 210, the negative voltage of the energy store 210 or a voltage of zero value (zero voltage) can be output. The polarity of the output voltage can thus be reversed by means of the full bridge module 301 .
  • the power converter 1 can either only have half-bridge modules 201 , only full-bridge modules 301 or also half-bridge modules 201 and full-bridge modules 301 . Large electrical currents of the power converter flow via the first galvanic module connection 212 and the second galvanic module connection 215 , 315 .
  • FIG. 4 an exemplary embodiment of a high-voltage direct current transmission system 401 is shown schematically.
  • This high-voltage direct current transmission system 401 has two converters 1, as shown in FIG. These two power converters 1 are electrically connected to one another via a high-voltage direct current connection 405 on the DC voltage side.
  • the two positive equations are Voltage terminals 16 of the power converters 1 are electrically connected to one another by means of a first high-voltage direct current line 405a; the two negative DC voltage connections 17 of the two power converters 1 are electrically connected to one another by means of a second high-voltage direct current line 405b.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a power converter 501 which serves as a reactive power compensator 501 .
  • This power converter 501 has only the three phase module branches 11, 18 and 27, which form three phase modules 505, 507 and 509 of the power converter.
  • the number of phase modules 505 , 507 and 509 corresponds to the number of phases of an AC voltage network 511 to which the converter 501 is connected.
  • the three phase module branches 11, 18 and 27 are connected to one another in a star shape.
  • the end of the three phase module branches opposite the star point is electrically connected to a respective phase line 515 , 517 and 519 of the three-phase AC voltage network 511 .
  • the three phase modules 505, 507 and 509 can also be connected in a delta connection instead of in a star connection.
  • the power converter 501 can supply the AC voltage grid 511 with reactive power or draw reactive power from the AC voltage grid 511 .
  • FIG. 6 shows the structural design of the module 201 by way of example.
  • a housing 603 with a power semiconductor circuit 605 (not shown) has the first module connection 212 and the second module connection 215 .
  • the power semiconductor circuit 605 is connected by means of a first electrical conductor 621 and a second electrical conductor 622 to the electrical see energy storage device 210 electrically connected.
  • the electrical energy store 210 is arranged in an energy store housing 624 .
  • a third electrical conductor 623 is arranged in an intermediate space between the first electrical conductor 621 and the second electrical conductor 622 .
  • the first electrical conductor 621, the second electrical conductor 622 and the third electrical conductor 623 are each designed as a conductor rail.
  • each of these conductor rails has a flat profile.
  • the first electrical conductor, the second electrical conductor and/or the third electrical conductor therefore each have at least one flat outer surface 626 .
  • the first electrical conductor 621 , the second electrical conductor 622 and the third electrical conductor 623 are therefore arranged in the region between the power semiconductor circuit 605 and the electrical energy store 210 .
  • This area may be referred to as the DC power rail area 625 .
  • a thyristor element 630 is arranged between the third electrical conductor 623 and the second electrical conductor 622 .
  • the thyristor element 630 is located in the area 625 of the DC busbars, ie in the DC busbar area 625 .
  • the thyristor element 630 has an anti-parallel circuit with a first thyristor 701 and a second thyristor 702, as can be seen in FIG.
  • the thyristor element is designed as a disc cell 630 .
  • the disk cell is mechanically braced in particular between the third electrical conductor 623 and the second electrical conductor 622 .
  • the third electrical conductor 623, the thyristor element 630 and the second electrical conductor 622 form a clamping assembly.
  • This clamping arrangement brings about good electrical contact between the third electrical conductor 623, the thyristor element 630 and the second electrical conductor 622 .
  • the electrical contacting of the thyristor element 630 is mechanically so stable due to the bracing or the clamping assembly that the electrical contacting can reliably absorb the current forces acting due to a large discharge current.
  • the thyristor element 630 has the form of a disc cell; the thyristor element 630 has a disc cell case 632 .
  • the thyristor element 630 has a circular cylindrical shape with a round base and a round top surface. With such disc cell-shaped thyristor elements or.
  • thyristors can be implemented as mechanically stable clamping assemblies.
  • the thyristor element 630 has a disk-shaped semiconductor wafer 635 which contains the semiconductor material of the first thyristor 701 and in particular also the semiconductor material of the second thyristor 702 .
  • the 701 is thus integrated into the semiconductor wafer 635, in particular the first thyristor 701 and the second thyristor
  • the semiconductor wafer 635 forms a disk (disc-shaped semiconductor material, semiconductor material disk).
  • the semiconductor wafer 635 is shown in cross-section. In the side view, the semiconductor wafer 635 has a circular shape.
  • the first electrical conductor 621, the second electrical conductor 622 and/or the third electrical conductor 633 each have at least one flat outer surface 626; they are each implemented as a planar busbar.
  • the semiconductor material of the first thyristor 701 is arranged in the disk-shaped semiconductor wafer 635, and the disk-shaped semiconductor wafer 635 is parallel to min- at least one of the flat outer surfaces 626 is arranged.
  • the disc-shaped semiconductor wafer 635 is arranged parallel to the planar outer surface 626 of the second electrical conductor 622 .
  • the module 201 is shown in FIG. 7 with an exemplary power semiconductor circuit 605 , the thyristor element 630 and the electrical energy store 210 .
  • the electrical energy store 210 is an electrical capacitor 210, more precisely a unipolar electrical capacitor (with a positive capacitor connection (+) and a negative capacitor connection ( ⁇ )).
  • the first electrical conductor 621 is a positive electrical conductor; the second electrical conductor 622 is a negative electrical conductor.
  • the energy store 210 can also be another energy store, for example a different type of capacitor, an electric battery or an electric accumulator.
  • the thyristor element 630 has an anti-parallel circuit made up of the first thyristor 701 and the second thyristor 702; the first thyristor 701 and the second thyristor 702 are therefore connected antiparallel.
  • the thyristor element 630 can also be used as a bidirectional thyristor element or can be referred to as a bidirectional thyristor.
  • the first thyristor 701 and the second thyristor 702 are formed as a single semiconductor component 630 .
  • the thyristor element 630 represents such a semiconductor component.
  • the first thyristor 701 and the second thyristor 702 are formed as a single semiconductor component 630 .
  • the thyristor element 630 represents such a semiconductor component.
  • the first thyristor 701 and the second thyristor 702 are formed as a single semiconductor component 630 .
  • the thyristor element 630 represents such a semiconductor component.
  • the first thyristor element 630 represents such a semiconductor component.
  • Thyristor 701 and the second thyristor 702 (together) integrated in the (single or common) semiconductor wafer 635.
  • each a separate semiconductor wafer be available for the first thyristor and the second thyristor ristor but also j each a separate semiconductor wafer be available.
  • a semiconductor component which has two thyristors in an anti-parallel circuit is known per se to a person skilled in the art.
  • the power semiconductor circuit 605 has the first electronic switching element 202 , the second electronic switching element 206 , the first diode 204 and the second diode 208 . It can be seen that the first module connection 212 is electrically connected to the third electrical conductor 623 . The second module connection 215 is electrically connected to the second electrical conductor 622 .
  • the first module connection 212 is connected to the connection point between the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 .
  • the connection of the first switching element 202 which is opposite the connection point (here: the collector ) is electrically connected to the first conductor 621 .
  • the second diode 208 and the second electronic switching element 206 are connected between the first module connection 212 and the second module connection 215 .
  • the first module connection 212 is connected to the cathode of the second diode 208, the second module connection 215 is connected to the anode of the second diode 208.
  • the thyristor element 630 has the first thyristor 701 and the second thyristor 702, the first thyristor 701 and the second thyristor 702 being connected in anti-parallel (anti-parallel connection).
  • One terminal of the anti-parallel circuit is electrically connected to the third electrical conductor 623; the other terminal of the anti-parallel circuit is electrically connected to the second electrical conductor 622 .
  • the anode (anode terminal ) of the first thyristor 701 is electrically connected to the third electrical conductor 623 .
  • the cathode (cathode terminal ) of the first thyristor 701 is electrically connected to the second electrical conductor 622 .
  • the gate (gate connection) of the first thyristor 701 is unconnected in the exemplary embodiment. In other words, this gate is open, that is, not connected to other components.
  • the current flows from the third electrical conductor 623 through the thyristor element 630 to the second electrical conductor 622 .
  • the current then flows in the opposite direction to the direction of arrow 705 .
  • both thyristors 701 and 702 are turned on, current can flow through thyristor element 630 in either direction. This is also the case, for example, when the first thyristor or the second thyristor has broken down (due to a high current flow and the resulting heat in the semiconductor material); then a current flow in both directions is possible. This is illustrated by a second arrow 708 symbolizing two directions 708 of flow.
  • module 201 In the event of an error, the following procedure takes place in module 201: As a starting point, it is assumed that electrical energy store 210 is charged. The thyristors 701 and 702 are switched off (not fired), that is, the thyristors 701 and 702 block the current flow. An error then occurs in the power semiconductor circuit 605 (that is to say an internal module error): for example (by error) the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 become electrically conductive at the same time; a so-called bridge short circuit occurs in the circuit formed by the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 half bridge on . As a result, the electrical energy store 210 is short-circuited and a discharge current 715 suddenly begins to flow.
  • the discharge current 715 initially flows from the positive connection of the energy store 210 via the first electrical conductor 621 to the power semiconductor circuit 605 .
  • the discharge current 715 flows there via the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 .
  • the discharge current 715 then flows back via the second electrical conductor 622 to the negative connection of the energy store 210 .
  • the discharge current in the first electrical conductor 621 and in the second electrical conductor 622 has opposite directions.
  • the discharge current 715 is only limited by stray capacitances and ohmic resistances that occur in the first electrical conductor, the second electrical conductor and the power semiconductor circuit 605 . Therefore, the discharge current 715 increases relatively quickly.
  • a time-varying magnetic field is generated around the first electrical conductor 621. Due to the discharge current 715 , a time-varying magnetic field is also generated around the second electrical conductor 622 . These two magnetic fields are superimposed and both penetrate the thyristor element 630 and thus the semiconductor material of the first thyristor 701 and the second thyristor 702 .
  • the thyristors 701 and 702 are namely arranged spatially adjacent to the first electrical conductor 621 and the second electrical conductor 622 . In particular, the thyristors 701 and 702 are arranged spatially adjacent to the second electrical conductor 622 .
  • the thyristors 701 and 702 have an outer housing made of anti-magnetic material, which does not or only slightly impede the magnetic field penetrating the thyristors 701 and 702.
  • a current for example an eddy current, is induced in particular in the semiconductor material of the first thyristor 701 by the time-varying magnetic field.
  • This current acts as a gate current (internal gate current, inner gate current) or firing current and causes the first thyristor 701 to turn on (i.e., firing the first thyristor 701).
  • the first thyristor 701 then electrically connects the third electrical conductor 623 to the second electrical conductor 622 .
  • the first thyristor 701 electrically connects the first module connection 212 to the second module connection 215 .
  • the first thyristor 701 short-circuits the first module connection 212 to the second module connection 215 .
  • the first thyristor 701 thus operates as a bypass switch. If a module-internal error occurs, which results in a sudden discharge of the energy store 201 , the first thyristor 701 fires (ie the bypass switch 701 closes) and thereby bypasses the module 201 .
  • the module 201 is then no longer active in the respective module series circuit; the power converter can continue to work without this module.
  • the thyristor 701 breaks down due to the high discharge current 715 and is then permanently conductive in both directions (even without a gate current flowing). As a result, conduct-on-fail behavior of the first thyristor 701 is achieved.
  • the first thyristor 701 or the thyristor element 630 (continues) to be cooled.
  • a water cooling system can be used for this purpose, for example.
  • a surface of the second electrical conductor 622 can be cooled by means of the water cooling, whereby the first thyristor 701 or the thyristor element 630 is cooled.
  • that surface of the second electrical conductor 622 which is opposite the outer surface 626 of the second electrical conductor 622 can be cooled.
  • the other power electronic components of the module 201 can of course borrowed also be cooled, for example by means of water cooling.
  • the first thyristor 701 is thus switched on by the induced current (eddy current).
  • the gate (the gate connection) of the first thyristor 701 can be unconnected. The gate does not even have to be brought out of the housing of the thyristor element 630 .
  • the first thyristor 701 is only switched on by the induced current (gate current or ignition current) when the change in the magnetic field over time exceeds a predetermined threshold value.
  • the decisive factor here is the change in the magnetic field over time at the location of the semiconductor material of the first thyristor.
  • the first thyristor 701 is switched on by the induced current (gate current or ignition current) when the change over time in the discharge current (in particular in the second electrical conductor 622) exceeds a threshold value.
  • This threshold value can be, for example, at a value between 5 and 50 kA per ps.
  • the gate can also be terminated by means of a constant non-zero impedance.
  • a control unit can also be connected to the gate, which in the event of a discharge-free error (i.e. an error that is not associated with a discharge of the energy storage device 210 or with a short-circuit-type discharge current 715 of the energy storage device) introduces a gate current into the gate of the first thyristor 701 feeds.
  • a discharge-free error can be, for example, an overcharging of the energy store 210, which does not lead directly to a short-circuit-type discharge current 715, but should nevertheless be prevented.
  • the second thyristor 702 can then be triggered (switched on) in a known manner if a short circuit occurs on the DC side of the power converter due to a fault and the short-circuit current threatens to overload the second diode 208 .
  • the second thyristor 702 then relieves the second diode 208 by allowing a large portion of the short circuit current to flow through the thyristor 702 .
  • the bypass switch and the snubber circuit for the diode are combined in the thyristor element 630, ie advantageously in a single element.
  • the thyristor element 630 is arranged in the DC bus bar region 625 of the module.
  • a module of a modular multilevel power converter has been described that can be constructed in a particularly compact manner and in which the module is reliably bridged if a fault occurs within the module.
  • High-voltage direct current transmission system High-voltage direct current connection a first high-voltage direct current lineb second high-voltage direct current line
  • Reactive power compensator 507, 509 phase modules
  • Disk cell housing Semiconductor wafer First thyristor Second thyristor Direction of current flow Directions of current flow Discharge current

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul (201) eines modularen Multilevelstromrichters (1) mit einem ersten Modulanschluss (212), einem zweiten Modulanschluss (215), einem ersten elektrischen Leiter (621), einem zweiten elektrischen Leiter (622), einem dritten elektrischen Leiter (623), einer Leistungshalbleiterschaltung (605) und einem elektrischen Energiespeicher (210), wobei die Leistungshalbleiterschaltung (605) ein erstes elektronisches Schaltelement (202) und ein zweites elektronisches Schaltelement (206) aufweist, wobei dem ersten elektronischen Schaltelement (202) eine erste Diode (204) antiparallel geschaltet ist und dem zweiten elektronischen Schaltelement (206) eine zweite Diode (208) antiparallel geschaltet ist, wobei die Leistungshalbleiterschaltung (605) mittels des ersten elektrischen Leiters (621) und des zweiten elektrischen Leiters (622) mit dem Energiespeicher (210) verbunden ist, - der erste Modulanschluss (212) mit dem dritten elektrischen Leiter (623) verbunden ist, und zwischen den dritten elektrischen Leiter (623) und den zweiten elektrischen Leiter (622) ein erster Thyristor (701) und ein zweiter Thyristor (702) geschaltet sind, wobei der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) eine Antiparallelschaltung bilden.

Description

Beschreibung
Modul eines modularen Multilevelstromrichters
Die Erfindung betri f ft ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers bei einem solchen Modul .
Ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters weist oftmals einen Bypassschalter auf , mit dem die Modulanschlüsse bei Auftreten eines modulinternen Fehlers elektrisch überbrückt werden können . Dies ermöglicht es , den Betrieb des modularen Multilevelstromrichters ohne das fehlerhafte Modul fortzusetzen .
Wenn ein modularer Multilevelstromrichter als Gleichrichter betrieben wird und auf der Gleichstromseite ein Kurzschluss auftritt , dann kann der auftretende Kurzschlussstrom durch mindestens eine der modulinternen Dioden, die j eweils antiparallel zu den elektronischen Schaltelementen geschaltet sind, fließen und diese Diode überlasten . Daher ist es denkbar, im Fehlerfall mittels eines zusätzlichen Bauelements die Dioden zu entlasten . Dann kann ein Großteil des auftretenden Fehlerstroms durch das zusätzliche Bauelement fließen und nur ein kleiner Teil des Fehlerstroms fließt über die Diode .
Um ein Modul derart aus zurüsten, würde also ein Bypassschalter und ein zusätzliches Bauelement benötigt werden .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers bei einem solchen Modul anzugeben, bei denen das Modul kompakt aufgebaut werden kann .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Modul und ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen . Vor- teilhafte Aus führungs formen des Moduls und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben .
Of fenbart wird ein Modul eines modularen Multilevelstromrich- ters
- mit einem ersten Modulanschluss , einem zweiten Modulanschluss , einem ersten elektrischen Leiter, einem zweiten elektrischen Leiter, einem dritten elektrischen Leiter, einer Leistungshalbleiterschaltung und einem elektrischen Energiespeicher,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung ein erstes elektronisches Schaltelement und ein zweites elektronisches Schaltelement aufweist , wobei dem ersten elektronischen Schaltelement eine erste Diode antiparallel geschaltet ist und dem zweiten elektronischen Schaltelement eine zweite Diode antiparallel geschaltet ist ,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung mittels des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters mit dem Energiespeicher verbunden ist ,
- der erste Modulanschluss mit dem dritten elektrischen Leiter verbunden ist , und
- zwischen den dritten elektrischen Leiter und den zweiten elektrischen Leiter ein erster Thyristor und ein zweiter Thyristor geschaltet sind, wobei der erste Thyristor und der zweite Thyristor eine Antiparallelschaltung bilden . Mit anderen Worten sind der erste Thyristor und der zweite Thyristor antiparallel zueinander geschaltet . Dabei ist vorteilhaft , dass die Antiparallelschaltung des ersten Thyristors und des zweiten Thyristors sehr kompakt und dadurch platzsparend aufgebaut werden kann . Der erste Thyristor kann dann die Funktion des Bypassschalters übernehmen, der zweite Thyristor dient der Entlastung mindestens einer der Dioden .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der dritte elektrische Leiter ( in einem Zwischenraum) zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist .
Dies ermöglicht ebenfalls einen kompakten Aufbau . Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor und der zweite Thyristor ( in einem Zwischenraum) zwischen dem dritten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet sind .
Mit anderen Worten gesagt , sind in dem Zwischenraum zwischen dem dritten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter die beiden Thyristoren in Antiparallelschaltung angeordnet , wobei ein Pol der Antiparallelschaltung elektrisch mit dem dritten elektrischen Leiter verbunden ist und ein zweiter Pol der Antiparallelschaltung elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter verbunden ist .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor und der zweite Thyristor zwischen dem dritten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter mechanisch verspannt sind .
Dadurch sind auch bei großen Strömen auftretende Kräfte ( Stromkräfte ) beherrschbar .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor und der zweite Thyristor ( in einem Zwischenraum) zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet sind .
Dadurch befinden sich der erste Thyristor und der zweite Thyristor in dem Bereich, in dem die um den ersten elektrischen Leiter und den zweiten elektrischen Leiter herum entstehenden, sich zeitlich ändernden Magnetfelder besonders stark sind .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor und der zweite Thyristor als ein ( einziges ) Halbleiterbauelement ausgebildet sind .
Dies spart Platz und Verschaltungsaufwand .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- das Halbleiterbauelement ein Scheibenzellengehäuse aufweist . Insbesondere ist das Scheibenzellengehäuse zwischen dem dritten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter mechanisch verspannt .
Dies ermöglicht eine sichere Befestigung der beiden Thyristoren .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor derart ( räumlich bzw . in dem Zwischenraum) zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist , dass aufgrund eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds , welches aufgrund eines durch den ersten elektrischen Leiter und/oder den zweiten elektrischen Leiter fließenden Entladestroms des Energiespeichers entsteht und welches das Halbleitermaterial des ersten Thyristors durchdringt , in dem Halbleitermaterial ein Strom induziert wird, der den ersten Thyristor einschaltet .
Dabei kann der erste Thyristor insbesondere derj enige Thyristor sein, dessen Durchlassrichtung der Durchlassrichtung des zweiten elektronischen Schaltelements entspricht . Das Modul kann also insbesondere so ausgestaltet sein, dass der induzierte Strom denj enigen Thyristor der antiparallel geschalteten Thyristoren einschaltet , dessen Durchlassrichtung der Durchlassrichtung des zweiten elektronischen Schaltelements entspricht .
Wenn der erste Thyristor und der zweite Thyristor als ein ( einziges ) Halbleiterbauelement ausgebildet sind, dann kann das Modul so ausgestaltet sein, dass das Halbleiterbauelement derart ( räumlich bzw . in dem Zwischenraum) zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist , dass aufgrund eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds , welches aufgrund eines durch den ersten elektrischen Leiter und/oder den zweiten elektrischen Leiter fließenden Entladestroms des Energiespeichers entsteht und welches das Halbleitermaterial des Halbleiterbauelements durchdringt , in dem Halbleitermaterial ein Strom induziert wird, der mindestens einen der antiparallel geschalteten Thyristoren des Halbleiterbauelements einschaltet . Insbesondere kann der induzierte Strom den ersten Thyristor einschalten . Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste elektrische Leiter, der zweite elektrische Leiter und/oder der dritte elektrische Leiter j eweils als eine ( insbesondere flächig ausgebildete ) Stromschiene ausgestaltet sind .
Dadurch kann insbesondere das aufgrund des Stromflusses durch den ersten elektrischen Leiter und den zweiten elektrischen Leiter entstehende , sich zeitlich ändernde Magnetfeld besonders gut das Halbleitermaterial des ersten Thyristors und/oder des zweiten Thyristors durchdringen . Außerdem kann mittels einer derartigen Stromschiene auch ein großer Entladestrom des Energiespeichers sicher geleitet werden . An einer Stromschiene können die Thyristoren mechanisch stabil verspannt werden .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor in einem ( scheibenförmigen) Halbleiterwafer integriert ist .
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- der erste Thyristor und der zweite Thyristor ( gemeinsam) in einem ( einzigen bzw . gemeinsamen) scheibenförmigen Halbleiterwafer integriert sind .
Dadurch kann die Antiparallelschaltung der Thyristoren besonders kompakt und preisgünstig realisiert werden .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- der erste elektrische Leiter, der zweite elektrische Leiter und/oder der dritte elektrische Leiter j eweils eine ebene Außenfläche aufweisen, das Halbleitermaterial des ersten Thyristors in einem scheibenförmigen Halbleiterwafer angeordnet ist und der scheibenförmige Halbleiterwafer parallel zu mindestens einer der ebenen Außenflächen angeordnet ist .
Dadurch kann der Strom besonders gut in dem Halbleitermaterial induziert werden . Dabei kann insbesondere der erste elektrische Leiter eine erste ebene Außenfläche aufweisen, der zweite elektrische Leiter eine zweite ebene Außenfläche aufweisen, die erste ebene Außenfläche parallel zu der zweiten ebenen Außenfläche angeordnet sein, das Halbleitermaterial des Thyristors den scheibenförmigen Halbleiterwafer ( also eine Scheibe ) bilden und der scheibenförmige Halbleiterwafer parallel zu der ersten ebenen Außenfläche und zu der zweiten ebenen Außenfläche angeordnet sein . Eine derartige Anordnung ermöglicht vorteilhafterweise einen geringen Abstand zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter . Dadurch kann zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter ein besonders starkes Magnetfeld erzeugt werden . Außerdem hat sich gezeigt , dass bei einer derartigen Anordnung das sich zeitlich ändernde Magnetfeld das Halbleitermaterial des Thyristors besonders gut durchdringt , so dass in dem Halbleitermaterial des Thyristors zuverlässig der Strom ( der als Gatestrom wirkt ) induziert wird .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- das erste elektronische Schaltelement und das zweite elektronische Schaltelement zu einer Halbbrückenschaltung verschaltet sind .
Dabei kann die Halbbrückenschaltung parallel zu dem Energiespeicher geschaltet sein . Die Halbbrückenschaltung kann aber insbesondere auch ein Teil einer größeren Schaltung sein, beispielsweise ein Teil einer Vollbrückenschaltung . Das Modul kann also beispielsweise ein Halbbrückenmodul oder ein Vollbrückenmodul sein .
Of fenbart wird auch ein modularer Multilevelstromrichter mit einer Viel zahl von solchen Modulen .
Of fenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers bei einem Modul eines modularen Multi level Stromrichters
- wobei das Modul einen ersten Modulanschluss , einen zweiten Modulanschluss , einen ersten elektrischen Leiter, einen zwei- ten elektrischen Leiter, einen dritten elektrischen Leiter, eine Leistungshalbleiterschaltung und den Energiespeicher aufweist ,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung ein erstes elektronisches Schaltelement und ein zweites elektronisches Schaltelement aufweist , wobei dem ersten elektronischen Schaltelement eine erste Diode antiparallel geschaltet ist und dem zweiten elektronischen Schaltelement eine zweite Diode antiparallel geschaltet ist ,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung mittels des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters mit dem Energiespeicher verbunden ist ,
- der erste Modulanschluss mit dem dritten elektrischen Leiter verbunden ist , und
- zwischen den dritten elektrischen Leiter und den zweiten elektrischen Leiter ein erster Thyristor und ein zweiter Thyristor geschaltet sind, wobei der erste Thyristor und der zweite Thyristor eine Antiparallelschaltung bilden, wobei bei dem Verfahren
- aufgrund eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds , welches aufgrund eines durch den ersten elektrischen Leiter und/oder den zweiten elektrischen Leiter fließenden Entladestroms des Energiespeichers entsteht und welches das Halbleitermaterial des ersten Thyristors durchdringt , in dem Halbleitermaterial ein Strom induziert wird, wodurch der erste Thyristor eingeschaltet wird .
Dabei kann der erste Thyristor insbesondere derj enige Thyristor sein, dessen Durchlassrichtung der Durchlassrichtung des zweiten elektronischen Schaltelements entspricht . Das Verfahren kann also insbesondere so ablaufen, dass durch den ( induzierten) Strom derj enige Thyristor der antiparallel geschalteten Thyristoren eingeschaltet wird, dessen Durchlassrichtung der Durchlassrichtung des zweiten elektronischen Schaltelements entspricht . Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul der Energiespeicher schlagartig entladen wird, wodurch der Entladestrom des Energiespeichers zu fließen beginnt , und
- mittels des eingeschalteten ersten Thyristors der erste Modulanschluss und der zweite Modulanschluss kurzgeschlossen werden .
Bei dem Modul und dem Verfahren ist besonders vorteilhaft , dass das sich zeitlich ändernde Magnetfeld (welches aufgrund des ansteigenden Entladestroms des Energiespeichers entsteht ) unmittelbar dazu genutzt wird, um den ersten Thyristor einzuschalten ( das heißt , den ersten Thyristor zu zünden) . Dazu sind keine weiteren Bauelemente und auch keine weitere Auswerteschaltung notwendig . Dadurch lässt sich dieses Verfahren sehr einfach, kostengünstig und zuverlässig realisieren . Außerdem werden Zeitverzögerungen beim Einschalten des Thyristors vermieden . Eine Auswerteschaltung, die aus zusätzlichen elektronischen Bauelementen besteht , würde naturgemäß solche Verzögerungen mit sich bringen . Es handelt sich also um einen selbst zündenden Thyristor ohne eine zusätzliche Schaltverzugs zeit aufgrund zusätzlicher Detektions- bzw . Zündelektroniken in einer zusätzlichen Auswerteschaltung . Aufgrund der Abwesenheit von zusätzlichen Bauelementen und einer zusätzlichen Auswerteschaltung treten auch keine zusätzlichen elektrischen Verluste auf . Insbesondere bei einem modularen Multilevelstromrichter , in dem sehr viele Module vorhanden sind, können dadurch die elektrischen Verluste nennenswert verringert werden . Dadurch kann die Energieef fi zienz der Anlage verbessert werden .
Das Modul und das Verfahren ermöglichen also aufgrund der Vermeidung von zusätzlichen elektronischen Bauelemente beziehungsweise der Vermeidung einer zusätzlichen elektronischen Auswerteschaltung eine Kosteneinsparung sowie eine Reduzierung der Aus fallrate ( FIT-Rate , FIT = failure in time ) . Da die nicht vorhandenen Bauelemente nicht kaputtgehen können, wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlers deutlich reduziert .
Durch die Verwendung des ersten Thyristors und des zweiten Thyristors in einer Antiparallelschaltung kann das Modul sehr kompakt auf gebaut werden . Besonders kompakt kann das Modul aufgebaut werden, wenn der erste Thyristor und der ( antiparallele ) zweite Thyristor in einem einzigen Halbleiterbauelement angeordnet sind . Insbesondere kann dadurch auch eine Ge- wichtsreduktion und eine Kosteneinsparung erreicht werden .
Das Modul und das Verfahren weisen gleiche oder gleichartige Vorteile auf .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert . Gleiche Bezugs zeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente . Dazu ist in
Figur 1 ein Aus führungsbeispiel eines Stromrichters , der eine Viel zahl von Modulen aufweist , in
Figur 2 ein Aus führungsbeispiel eines Moduls , in
Figur 3 ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Moduls , in
Figur 4 ein Aus führungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage , in
Figur 5 ein Aus führungsbeispiel einer Blindleistungs-Kompensationsanlage , in
Figur 6 in Aus führungsbeispiel eines Moduls mit zwei antiparallel geschalteten Thyristoren und in
Figur 7 das Modul aus Figur 6 mit weiteren beispielhaften Details dargestellt .
In Figur 1 ist ein Stromrichter 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel converter, MMC ) dargestellt . Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5 , einen zweiten Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten Wechselspannungsanschluss 9 auf . Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodul zweig 11 und einem zweiten Phasenmodul zweig 13 verbunden . Der erste Phasenmodul zweig 11 und der zweite Phasenmodul zweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1 . Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodul zweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodul zweigs 13 ist mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden . Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver Gleichspannungsanschluss ; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss .
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodul zweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodul zweigs 21 elektrisch verbunden . Der dritte Phasenmodul zweig 18 und der vierte Phasenmodul zweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24 . Der dritte Wechselspannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodul zweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten Phasenmodul zweigs 29 elektrisch verbunden . Der fünfte Phasenmodul zweig 27 und der sechste Phasenmodul zweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31 .
Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodul zweigs 18 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden . Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodul zweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodul zweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden .
Jeder Phasenmodul zweig weist eine Mehrzahl von Modulen ( 1_1 , 1_2 , 1_3 , 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw . ) auf , welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse ) elektrisch in Reihe ge- schaltet sind . Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet . Im Aus führungsbeispiel der Figur 1 weist j eder Phasenmodul zweig n Module auf . Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet , es können aber auch beispielsweise 50 , 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein . Im Aus führungsbeispiel ist n = 36 : der erste Phasenmodul zweig 11 weist also 36 Module 1_1 , 1_2 , 1_3 , ... 1_36 auf . Die anderen Phasenmodul zweige 13 , 18 , 21 , 27 und 29 sind gleichartig auf gebaut .
Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine Steuereinrichtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt . Von dieser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Nachrichten über eine optische Kommunikationsverbindung 37 ( zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter ) zu den einzelnen Modulen übertragen . Die Nachrichtenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und einem Modul ist j eweils symbolhaft durch eine Linie 37 dargestellt ; die Richtung der Nachrichtenübertragung ist durch die Pfeilspitzen an den Linien 37 symbolisiert . Dies ist am Beispiel der Module 1_1 , 1_4 und 4_5 dargestellt ; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Nachrichten gesendet beziehungsweise von diesen Modulen Nachrichten empfangen . Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung 35 an die einzelnen Module j eweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das j eweilige Modul bereitstellen soll .
In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Moduls 201 dargestellt . Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodul zweigs 11 ( oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module ) handeln . Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet . Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 202 ( ein- und abschaltbares Schaltelement 202 ) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf . Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschalt- bares elektronisches Schaltelement 206 ( ein- und abschaltbares Schaltelement 206 ) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf . Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind j eweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor ) ausgestaltet . Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 . Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212 angeordnet . An dem Anschluss des zweiten Schaltelements 206 , welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt , ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 215 angeordnet . Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten Schaltelements 202 , der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt .
Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten Schaltelement 202 und dem zweiten Schaltelement 206 . Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 durch eine modulinterne elektronische Modulsteuereinrichtung 220 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten galvanischen Modulanschluss 212 und dem zweiten galvanischen Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird ( d . h . eine Nullspannung ausgegeben wird) . Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodul zweige kann so die j eweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden .
In Figur 3 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Moduls 301 des modularen Multilevel-Stromrichters 1 dargestellt . Bei diesem Modul 301 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_2 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module ) handeln . Neben dem bereits aus Figur 2 bekannten ersten Schaltelement 202 , zweiten Schaltelement 206 , erster Diode 204 , zweiter Diode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Diode 304 sowie ein viertes ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 306 mit einer antiparallel geschalteten vierten Diode 308 auf . Das dritte ein- und abschaltbare Schaltelement 302 und das vierte ein- und abschaltbare Schaltelement 306 sind j eweils als ein IGBT ausgestaltet . Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite galvanische Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten Schaltelement 302 und dem vierten Schaltelement 306 .
Das Modul 301 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 301 . Dieses Vollbrücken-Modul 301 zeichnet sich dadurch aus , dass bei entsprechender Ansteuerung der vier Schaltelemente zwischen dem ersten galvanischen Modulanschluss 212 und dem zweiten galvanischen Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210 , die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann . Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden . Der Stromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 201 , nur Vollbrücken-Module 301 oder auch Halbbrücken-Module 201 und Vollbrücken-Module 301 aufweisen . Uber den ersten galvanischen Modulanschluss 212 und den zweiten galvanischen Modulanschluss 215 , 315 fließen große elektrische Ströme des Stromrichters .
In Figur 4 ist schematisch ein Aus führungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsanlage 401 dargestellt . Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsanlage 401 weist zwei Stromrichter 1 auf , wie sie in Figur 1 dargestellt sind . Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 elektrisch miteinander verbunden . Dabei sind die beiden positiven Gleich- Spannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405b elektrisch miteinander verbunden . Mittels einer derartigen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 kann elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 weist dann eine entsprechende Länge auf .
In Figur 5 ist ein Aus führungsbeispiel eines Stromrichters 501 dargestellt , welcher als ein Blindleistungskompensator 501 dient . Dieser Stromrichter 501 weist lediglich die drei Phasenmodul zweige 11 , 18 und 27 auf , welche drei Phasenmodule 505 , 507 und 509 des Stromrichters bilden . Die Anzahl der Phasenmodule 505 , 507 und 509 entspricht der Anzahl der Phasen eines Wechselspannungsnetzes 511 , an das der Stromrichter 501 angeschlossen ist .
Die drei Phasenmodul zweige 11 , 18 und 27 sind sternförmig miteinander verbunden . Das dem Sternpunkt entgegengesetzte Ende der drei Phasenmodul zweige ist mit j eweils einer Phasenleitung 515 , 517 und 519 des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes 511 elektrisch verbunden . Die drei Phasenmodule 505 , 507 und 509 können in einem anderen Aus führungsbeispiel anstelle in Sternschaltung auch in Dreieckschaltung geschaltet sein . Der Stromrichter 501 kann das Wechselspannungsnetz 511 mit Blindleistung versorgen oder Blindleistung aus dem Wechselspannungsnetz 511 entnehmen .
In Figur 6 ist beispielhaft der konstruktive Aufbau des Moduls 201 dargestellt . Ein Gehäuse 603 mit einer nicht näher dargestellten Leistungshalbleiterschaltung 605 weist den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215 auf . Die Leistungshalbleiterschaltung 605 ist mittels eines ersten elektrischen Leiters 621 und eines zweiten elektrischen Leiters 622 mit dem nicht näher dargestellten elektri- sehen Energiespeicher 210 elektrisch verbunden . Der elektrische Energiespeicher 210 ist in einem Energiespeichergehäuse 624 angeordnet . In einem Zwischenraum zwischen dem ersten elektrischen Leiter 621 und dem zweiten elektrischen Leiter 622 ist ein dritter elektrischer Leiter 623 angeordnet . Der erste elektrische Leiter 621 , der zweite elektrische Leiter 622 und der dritte elektrische Leiter 623 sind im Aus führungsbeispiel j eweils als eine Stromschiene ausgestaltet . Diese Stromschiene weist insbesondere j eweils ein Flachprofil auf . Der erste elektrische Leiter, der zweite elektrische Leiter und/oder der dritte elektrische Leiter weisen also j eweils mindestens eine ebene Außenfläche 626 auf .
Im Bereich zwischen der Leistungshalbleiterschaltung 605 und dem elektrischen Energiespeicher 210 sind also der erste elektrische Leiter 621 , der zweite elektrische Leiter 622 und der dritte elektrische Leiter 623 angeordnet . Dieser Bereich kann als Gleichspannungs-Stromschienenbereich 625 bezeichnet werden .
Zwischen dem dritten elektrischen Leiter 623 und dem zweiten elektrischen Leiter 622 ist ein Thyristorelement 630 angeordnet . Das Thyristorelement 630 befindet sich im Bereich 625 der Gleichspannungs-Stromschienen, also im Gleichspannungs- Stromschienenbereich 625 . Das Thyristorelement 630 weist eine Antiparallelschaltung mit einem ersten Thyristor 701 und einem zweiten Thyristor 702 auf , wie in der Figur 7 zu erkennen ist .
Das Thyristorelement ist im Aus führungsbeispiel als eine Scheibenzelle 630 ausgestaltet . Die Scheibenzelle ist insbesondere zwischen dem dritten elektrischen Leiter 623 und dem zweiten elektrischen Leiter 622 mechanisch verspannt . Der dritte elektrische Leiter 623 , das Thyristorelement 630 und der zweite elektrische Leiter 622 bilden einen Spannverband . Dieser Spannverband (beziehungsweise die mechanische Verspannung) bewirken einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem dritten elektrischen Leiter 623 , dem Thyristorelement 630 und dem zweiten elektrischen Leiter 622 . Außerdem ist die elektrische Kontaktierung des Thyristorelements 630 aufgrund der Verspannung beziehungsweise des Spannverbandes mechanisch so stabil , dass die elektrische Kontaktierung die aufgrund eines großen Entladestromes wirkenden Stromkräfte zuverlässig aufnehmen kann .
Das Thyristorelement 630 hat im Aus führungsbeispiel die Form einer Scheibenzelle ; das Thyristorelement 630 weist ein Scheibenzellengehäuse 632 auf . Mit anderen Worten hat das Thyristorelement 630 eine kreis zylinderförmige Gestalt mit einer runden Grundfläche und einer runden Deckfläche . Mit solchen scheibenzellenförmigen Thyristorelementen bzw . Thyristoren lassen sich insbesondere mechanisch stabile Spannverbände realisieren .
Das Thyristorelement 630 weist einen scheibenförmigen Halbleiterwafer 635 auf , der das Halbleitermaterial des ersten Thyristors 701 und insbesondere auch das Halbleitermaterial des zweiten Thyristors 702 beinhaltet . Der erste Thyristor
701 ist also in den Halbleiterwafer 635 integriert , insbesondere sind der erste Thyristor 701 und der zweite Thyristor
702 in einem einzigen bzw . gemeinsamen Halbleiterwafer 635 integriert .
Der Halbleiterwafer 635 bildet eine Scheibe ( scheibenförmiges Halbleitermaterial , Halbleitermaterial-Scheibe ) . Der Halbleiterwafer 635 ist im Querschnitt dargestellt . In der Seitenansicht hat der Halbleiterwafer 635 eine kreis förmige Gestalt .
Der erste elektrische Leiter 621 , der zweite elektrische Leiter 622 und/oder der dritte elektrische Leiter 633 weisen j eweils mindestens die eine ebene Außenfläche 626 auf ; sie sind j eweils als eine flächig ausgebildete Stromschiene realisiert . Das Halbleitermaterial des ersten Thyristors 701 ist in dem scheibenförmigen Halbleiterwafer 635 angeordnet und der scheibenförmige Halbleiterwafer 635 ist parallel zu min- destens einer der ebenen Außenflächen 626 angeordnet . Insbesondere ist der scheibenförmige Halbleiterwafer 635 parallel zu der ebenen Außenfläche 626 des zweiten elektrischen Leiters 622 angeordnet . Dadurch kann das sich zeitlich ändernde Magnetfeld das Halbleitermaterial des ersten Thyristors besonders gut durchdringen, so dass in dem Halbleitermaterial des ersten Thyristors zuverlässig ein Strom ( der als Gatestrom wirkt ) induziert werden kann .
In Figur 7 ist das Modul 201 mit einer beispielhaften Leistungshalbleiterschaltung 605 , dem Thyristorelement 630 und dem elektrischen Energiespeicher 210 dargestellt .
Der elektrische Energiespeicher 210 ist im Aus führungsbeispiel ein elektrischer Kondensator 210 , genauer gesagt ein unipolarer elektrischer Kondensator (mit einem positiven Kondensatoranschluss ( + ) und einem negativen Kondensatoranschluss ( - ) ) . Der erste elektrische Leiter 621 ist ein positiver elektrischer Leiter ; der zweite elektrische Leiter 622 ist ein negativer elektrischer Leiter . Der Energiespeicher 210 kann aber in anderen Aus führungsbeispielen auch ein anderer Energiespeicher sein, beispielsweise ein anderer Typ Kondensator, eine elektrische Batterie oder ein elektrischer Akkumulator . Das Thyristorelement 630 weist eine Antiparallelschaltung aus dem ersten Thyristor 701 und dem zweiten Thyristor 702 auf ; der erste Thyristor 701 und der zweiten Thyristor 702 sind also antiparallel geschaltet . Das Thyristorelement 630 kann auch als ein bidirektionales Thyristorelement bzw . als ein bidirektionaler Thyristor bezeichnet werden .
Im Aus führungsbeispiel sind der erste Thyristor 701 und der zweite Thyristor 702 als ein einziges Halbleiterbauelement 630 ausgebildet . Das Thyristorelement 630 stellt ein solches Halbleiterbauelement dar . Dabei sind insbesondere der erste
Thyristor 701 und der zweite Thyristor 702 ( gemeinsam) in dem ( einzigen bzw . gemeinsamen) Halbleiterwafer 635 integriert .
Alternativ kann für den ersten Thyristor und den zweiten Thy- ristor aber auch j eweils ein eigener Halbleiterwafer vorhanden sein . Ein Halbleiterbauelement , das zwei Thyristoren in einer Antiparallelschaltung aufweist , ist dem Fachmann als solches bekannt .
Die Leistungshalbleiterschaltung 605 weist das erste elektronische Schaltelement 202 , das zweite elektronische Schaltelement 206 , die erste Diode 204 und die zweite Diode 208 auf . Es ist zu erkennen, dass der erste Modulanschluss 212 elektrisch mit dem dritten elektrischen Leiter 623 verbunden ist . Der zweite Modulanschluss 215 ist elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter 622 verbunden .
An den Verbindungspunkt zwischen dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 ist der erste Modulanschluss 212 angeschlossen . Der Anschluss des ersten Schaltelements 202 , welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt , (hier : der Kollektor ) ist elektrisch mit dem ersten Leiter 621 verbunden . Zwischen den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215 ist die zweite Diode 208 und das zweite elektronische Schaltelement 206 geschaltet . Der erste Modulanschluss 212 ist mit der Kathode der zweiten Diode 208 verbunden, der zweite Modulanschluss 215 mit der Anode der zweiten Diode 208 verbunden ist .
Das Thyristorelement 630 weist den ersten Thyristor 701 und den zweiten Thyristor 702 auf , wobei der erste Thyristor 701 und der zweite Thyristor 702 antiparallel geschaltet sind (Antiparallelschaltung) . Ein Anschluss der Antiparallelschaltung ist elektrisch mit dem dritten elektrischen Leiter 623 verbunden; der andere Anschluss der Antiparallelschaltung ist elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter 622 verbunden .
Die Anode (Anodenanschluss ) des ersten Thyristors 701 ist elektrisch mit dem dritten elektrischen Leiter 623 verbunden . Die Kathode (Kathodenanschluss ) des ersten Thyristors 701 ist elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter 622 verbunden . Das Gate ( Gateanschluss ) des ersten Thyristors 701 ist im Aus führungsbeispiel unbeschaltet . Mit anderen Worten ist dieses Gate of fen, das heißt , nicht mit anderen Bauelementen verbunden .
Wenn der zweite Thyristor 702 eingeschaltet ( gezündet ) wird, dann fließt ein Strom von dem zweiten elektrischen Leiter 622 durch das Thyristorelement 630 zu dem dritten elektrischen Leiter 623 . Die Richtung 705 des Stromflusses ist durch einen Pfeil dargestellt .
Wenn der erste Thyristor 701 eingeschaltet ( gezündet ) wird, dann fließt der Strom von dem dritten elektrischen Leiter 623 durch das Thyristorelement 630 zu dem zweiten elektrischen Leiter 622 . Der Strom fließt dann also in die entgegengesetzte Richtung zu der Richtung des Pfeiles 705 . Wenn beide Thyristoren 701 und 702 eingeschaltet sind, dann kann der Strom in beiden Richtungen durch das Thyristorelement 630 fließen . Dies ist beispielsweise auch dann der Fall , wenn der erste Thyristor oder der zweite Thyristor ( aufgrund eines hohen Stromflusses und der dadurch entstehenden Wärme im Halbleitermaterial ) durchlegiert ist ; dann ist ein Stromfluss in beiden Richtungen möglich . Dies ist durch einen zweiten Pfeil 708 dargestellt , der zwei Richtungen 708 des Stromes symbolisiert .
Im Fehlerfall läuft bei dem Modul 201 folgendes Verfahren ab : Als Ausgangspunkt sei angenommen, dass der elektrische Energiespeicher 210 aufgeladen ist . Die Thyristoren 701 und 702 sind ausgeschaltet (nicht gezündet ) , das heißt , die Thyristoren 701 und 702 sperren den Stromfluss . Daraufhin tritt in der Leistungshalbleiterschaltung 605 ein Fehler ( also ein modulinterner Fehler ) auf : Beispielsweise werden ( fehlerhafterweise ) das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 gleichzeitig elektrisch leitend; es tritt ein sogenannter Brückenkurzschluss in der durch das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 gebildeten Halbbrücke auf . Dadurch wird der elektrische Energiespeicher 210 kurzgeschlossen und ein Entladestrom 715 beginnt plötzlich zu fließen .
Der Entladestrom 715 fließt zunächst ausgehend von dem positiven Anschluss des Energiespeichers 210 über den ersten elektrischen Leiter 621 zu der Leistungshalbleiterschaltung 605 . Dort fließt der Entladestrom 715 über das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 . Danach fließt der Entladestrom 715 über den zweiten elektrischen Leiter 622 zurück zu dem negativen Anschluss des Energiespeichers 210 . Dabei weist der Entladestrom im ersten elektrischen Leiter 621 und in dem zweiten elektrischen Leiter 622 j eweils entgegengesetzte Richtungen auf . Der Entladestrom 715 wird lediglich begrenzt durch Streukapazitäten und ohmsche Widerstände , welche in dem ersten elektrischen Leiter, dem zweiten elektrischen Leiter sowie der Leistungshalbleiterschaltung 605 auftreten . Daher steigt der Entladestrom 715 relativ schnell an .
Aufgrund des ( ansteigenden) Entladestroms 715 wird um den ersten elektrischen Leiter 621 herum ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt . Aufgrund des Entladestroms 715 wird auch um den zweiten elektrischen Leiter 622 herum ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt . Diese beiden Magnetfelder überlagern sich und durchdringen beide das Thyristorelement 630 und damit das Halbleitermaterial des ersten Thyristors 701 und des zweiten Thyristors 702 . Die Thyristoren 701 und 702 sind nämlich räumlich benachbart zu dem ersten elektrischen Leiter 621 und dem zweiten elektrischen Leiter 622 angeordnet . Insbesondere sind die Thyristoren 701 und 702 räumlich benachbart zu dem zweiten elektrischen Leiter 622 angeordnet . Die Thyristoren 701 und 702 weisen ein Außengehäuse aus anti-magnetischem Material auf , welches das die Thyristoren 701 und 702 durchdringende Magnetfeld nicht oder nur wenig behindert . Durch das sich zeitlich ändernde Magnetfeld wird insbesondere in dem Halbleitermaterial des ersten Thyristors 701 ein Strom induziert , beispielsweise ein Wirbelstrom . Dieser Strom wirkt als ein Gatestrom ( interner Gatestrom, innerer Gatestrom) oder Zündstrom und bewirkt ein Einschalten des ersten Thyristors 701 ( d . h . ein Zünden des ersten Thyristors 701 ) . Der erste Thyristor 701 verbindet dann den dritten elektrischen Leiter 623 elektrisch mit dem zweiten elektrischen Leiter 622 . Dadurch verbindet der erste Thyristor 701 den ersten Modulanschluss 212 elektrisch mit dem zweiten Modulanschluss 215 . Mit anderen Worten gesagt , schließt der erste Thyristor 701 den ersten Modulanschluss 212 mit dem zweiten Modulanschluss 215 kurz . Der erste Thyristor 701 arbeitet also im Aus führungsbeispiel als ein Bypassschalter . Bei Auftreten eines modulinternen Fehlers , der eine schlagartige Entladung des Energiespeichers 201 zur Folge hat , zündet der erste Thyristor 701 ( d . h . der Bypassschalter 701 schließt ) und überbrückt dadurch das Modul 201 . Das Modul 201 ist dann in der j eweiligen Modul-Reihenschaltung nicht mehr aktiv; der Stromrichter kann ohne dieses Modul Weiterarbeiten .
Der Thyristor 701 legiert aufgrund des hohen Entladestroms 715 durch und ist danach in beiden Richtungen dauerhaft leitend ( auch ohne dass ein Gatestrom fließt ) . Dadurch wird ein conduct-on- f ail-Verhalten des ersten Thyristors 701 erreicht .
Nachdem der erste Thyristors 701 durchlegiert ist , kann optional der erste Thyristors 701 bzw . das Thyristorelement 630 (weiterhin) gekühlt werden . Dazu kann beispielsweise eine Wasserkühlung eingesetzt werden . Zum Beispiel kann mittels der Wasserkühlung eine Fläche des zweiten elektrischen Leiters 622 gekühlt werden, wodurch indirekt auch der erste Thyristors 701 bzw . das Thyristorelement 630 gekühlt wird . Insbesondere kann diej enige Fläche des zweiten elektrischen Leiters 622 gekühlt werden, die der Außenfläche 626 des zweiten elektrischen Leiters 622 gegenüberliegt . Die anderen leistungselektronischen Bauelemente des Moduls 201 können natür- lieh auch gekühlt werden, beispielsweise mittels der Wasserkühlung .
Der erste Thyristor 701 wird also durch den induzierten Strom (Wirbelstrom) eingeschaltet . Das Gate ( der Gateanschluss ) des ersten Thyristors 701 kann dabei unbeschaltet sein . Das Gate braucht nicht einmal aus dem Gehäuse des Thyristorelements 630 herausgeführt zu sein . Der erste Thyristor 701 wird insbesondere erst dann durch den induzierten Strom ( Gatestrom oder Zündstrom) eingeschaltet , wenn die zeitliche Änderung des Magnetfelds einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet . Entscheidend ist dabei die zeitliche Änderung des Magnetfelds am Ort des Halbleitermaterials des ersten Thyristors . Am Halbleitermaterial des ersten Thyristors lassen sich besonders große zeitliche Änderungen des Magnetfeldes realisieren, wenn der erste Thyristor sehr nahe an dem zweiten elektrischen Leiter 622 angeordnet ist . Mit anderen Worten gesagt , wird durch den induzierten Strom ( Gatestrom oder Zündstrom) der erste Thyristor 701 eingeschaltet , wenn die zeitliche Änderung des Entladestroms ( insbesondere in dem zweiten elektrischen Leiter 622 ) einen Schwellwert überschreitet . Dieser Schwellwert kann beispielsweise bei einem Wert zwischen 5 und 50 kA pro ps liegen .
Als Alternative zu dem unbeschalteten ( oder sogar gar nicht aus dem Thyristorgehäuse herausgeführten) Gate kann das Gate auch mittels einer konstanten Impedanz ungleich Null abgeschlossen sein . Als eine weitere Alternative kann an das Gate aber auch eine Ansteuereinheit angeschlossen sein, die bei einem entladefreien Fehler ( also bei einem Fehler, der nicht mit einem Entladen des Energiespeichers 210 bzw . mit einem kurzschlussartigen Entladestrom 715 des Energiespeichers einhergeht ) einen Gatestrom in das Gate des ersten Thyristors 701 einspeist . Ein derartiger entladefreier Fehler kann beispielsweise ein Überladen des Energiespeichers 210 sein, was zwar nicht unmittelbar zu einem kurzschlussartigen Entladestrom 715 führt , aber dennoch verhindert werden sollte . Der zweite Thyristor 702 kann auf bekannte Art und Weise dann gezündet ( eingeschaltet ) werden, wenn aufgrund eines Fehlers auf der Gleichstromseite des Stromrichters ein Kurzschluss auftritt und der Kurzschlussstrom die zweite Diode 208 zu überlasten droht . Der zweite Thyristor 702 entlastet dann die zweite Diode 208 , indem ein großer Teil des Kurzschlussstroms über den Thyristor 702 fließt .
Die Erfindung wurde am Beispiel eines Halbbrückenmoduls erläutert . In anderen Aus führungsbeispielen können aber auch andere Module eines modularen Multilevelstromrichters gleichartig ausgestaltet sein, beispielsweise andere Arten von Halbbrückenmodulen oder ein Vollbrückenmodul .
Bei dem Modul sind der Bypassschalter und die Entlastungsschaltung für die Diode in dem Thyristorelement 630 vereint , also vorteilhafterweise in einem einzigen Element . Das Thyristorelement 630 ist im Gleichspannungs-Stromschienenbereich 625 des Moduls angeordnet . Dadurch wird erreicht , dass bei einer schlagartigen Entladung des Energiespeichers ( z . B . bei einer sogenannten Zwischenkreisentladung) automatisch eine Selbst Zündung des ersten Thyristors erfolgt . Dadurch wird das Modul überbrückt ; es ist daraufhin in der Reihenschaltung der Module in dem Stromrichter ( in dem j eweiligen Phasenmodulzweig) nicht mehr wirksam . Gleichzeitig legiert der erste Thyristor durch und ist dadurch dauerhaft in beiden Richtungen leitend . Der erste Thyristor realisiert also eine Conduct-on- f ail-Funktion . Dadurch wird ein dauerhafter Bypass-Pfad geschaf fen, so dass der Zweigstrom des Stromrichters weiterhin fließen kann . Der Stromrichter kann also Weiterarbeiten, insbesondere auch dann, wenn das Modul beschädigt ist und daher nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert .
Es wurde ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters beschrieben, dass insbesondere kompakt aufgebaut werden kann und bei dem bei Auftreten eines modulinternen Fehlers zuverlässig eine Modulüberbrückung erfolgt . Be zugs Zeichen
I Multilevelstromrichter
5 erster Wechselspannungsanschluss
7 zweiter Wechselspannungsanschluss
9 dritter Wechselspannungsanschluss
I I erster Phasenmodul zweig
13 zweiter Phasenmodul zweig
15 erstes Phasenmodul
16 erster Gleichspannungsanschluss
17 zweiter Gleichspannungsanschluss
18 dritter Phasenmodul zweig
21 vierter Phasenmodul zweig
24 zweites Phasenmodul
27 fünfter Phasenmodul zweig
29 sechster Phasenmodul zweig
31 drittes Phasenmodul
35 Steuereinrichtung
37 Kommunikationsverbindung
1_1 ... 6_n
Module
201 Modul
202 erstes elektronisches Schaltelement
204 erste antiparallel geschaltete Diode
206 zweites elektronisches Schaltelement
208 zweite antiparallel geschaltete Diode
210 elektrischer Energiespeicher
212 erster Modulanschluss
215 zweiter Modulanschluss
220 Modulsteuereinrichtung
301 Modul
302 drittes elektronisches Schaltelement
304 dritte antiparallel geschaltete Diode
306 viertes elektronisches Schaltelement
308 vierte antiparallel geschaltete Diode
315 zweiter Modulanschluss Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage Ho chspannungs- Gl eichstrom-Verb indung a erste Ho chspannungs -Gleichstrom- Leitungb zweite Ho chspannungs -Gleichstrom- Leitung
Blindleistungskompensator , 507 , 509 Phasenmodule
Wechsel spannungsnetz , 517 , 519
Phasenleitungen
Gehäuse
Leistungshalbleiterschaltung erster elektrischer Leiter zweiter elektrischer Leiter dritter elektrischer Leiter Ene rgie spei ehe rgehäuse Gleichspannungs-Stromschienenbereich ebene Außenfläche Thyristorelement
Scheibenzellengehäuse Halbleiterwafer erster Thyristor zweiter Thyristor Richtung des Stromflusses Richtungen des Stromflusses Entladestrom

Claims

Patentansprüche
1. Modul (201) eines modularen Multilevelstromrichters (1)
- mit einem ersten Modulanschluss (212) , einem zweiten Modulanschluss (215) , einem ersten elektrischen Leiter (621) , einem zweiten elektrischen Leiter (622) , einem dritten elektrischen Leiter (623) , einer Leistungshalbleiterschaltung (605) und einem elektrischen Energiespeicher (210) ,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung (605) ein erstes elektronisches Schaltelement (202) und ein zweites elektronisches Schaltelement (206) aufweist, wobei dem ersten elektronischen Schaltelement (202) eine erste Diode (204) antiparallel geschaltet ist und dem zweiten elektronischen Schaltelement (206) eine zweite Diode (208) antiparallel geschaltet ist,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung (605) mittels des ersten elektrischen Leiters (621) und des zweiten elektrischen Leiters (622) mit dem Energiespeicher (210) verbunden ist,
- der erste Modulanschluss (212) mit dem dritten elektrischen Leiter (623) verbunden ist, und
- zwischen den dritten elektrischen Leiter (623) und den zweiten elektrischen Leiter (622) ein erster Thyristor (701) und ein zweiter Thyristor (702) geschaltet sind, wobei der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) eine Antiparallelschaltung bilden.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der dritte elektrische Leiter (623) zwischen dem ersten elektrischen Leiter (621) und dem zweiten elektrischen Leiter (622) angeordnet ist.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) zwischen dem dritten elektrischen Leiter (623) und dem zweiten elektrischen Leiter (622) angeordnet sind.
4. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) zwischen dem dritten elektrischen Leiter (623) und dem zweiten elektrischen Leiter (622) mechanisch verspannt sind.
5. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) zwischen dem ersten elektrischen Leiter (621) und dem zweiten elektrischen Leiter (622) angeordnet sind.
6. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) als ein Halbleiterbauelement (630) ausgebildet sind.
7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Halbleiterbauelement (630) ein Scheibenzellengehäuse (632) aufweist.
8. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Thyristor (701) derart zwischen dem ersten elektrischen Leiter (621) und dem zweiten elektrischen Leiter (622) angeordnet ist, dass aufgrund eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds, welches aufgrund eines durch den ersten elektrischen Leiter (621) und/oder den zweiten elektrischen Leiter (622) fließenden Entladestroms (715) des Energiespeichers (210) entsteht und welches das Halbleitermaterial des ersten Thyristors (701) durchdringt, in dem Halbleitermaterial ein Strom induziert wird, der den ersten Thyristor (701) einschaltet .
9. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste elektrische Leiter (621) , der zweite elektrische Leiter (622) und/oder der dritte elektrische Leiter (623) jeweils als eine Stromschiene ausgestaltet sind.
10. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Thyristor (701) in einem Halbleiterwafer (635) integriert ist, insbesondere der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) in dem Halbleiterwafer (635) integriert sind.
11. Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste elektrische Leiter (621) , der zweite elektrische Leiter (622) und/oder der dritte elektrische Leiter (623) jeweils eine ebene Außenfläche (626) aufweisen, das Halbleitermaterial des ersten Thyristors (701) in dem scheibenförmigen Halbleiterwafer (635) angeordnet ist und der scheibenförmige Halbleiterwafer (635) parallel zu mindestens einer der ebenen Außenflächen (626) angeordnet ist.
12. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste elektronische Schaltelement (202) und das zweite elektronische Schaltelement (206) zu einer Halbbrückenschaltung verschaltet sind.
13. Modularer Multilevelstromrichter (1) mit einer Vielzahl von Modulen (1_1, 1_2, ... 6_n) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers (210) bei einem Modul (201) eines modularen Multilevel- stromrichters (1)
- wobei das Modul (201) einen ersten Modulanschluss (212) , einen zweiten Modulanschluss (215) , einen ersten elektrischen Leiter (621) , einen zweiten elektrischen Leiter (622) , einen dritten elektrischen Leiter (623) , eine Leistungshalbleiterschaltung (605) und den Energiespeicher (210) aufweist,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung (605) ein erstes elektronisches Schaltelement (202) und ein zweites elektronisches Schaltelement (206) aufweist, wobei dem ersten elektronischen Schaltelement (202) eine erste Diode (204) antiparallel geschaltet ist und dem zweiten elektronischen Schaltelement (206) eine zweite Diode (208) antiparallel geschaltet ist,
- wobei die Leistungshalbleiterschaltung (605) mittels des ersten elektrischen Leiters (621) und des zweiten elektrischen Leiters (622) mit dem Energiespeicher (210) verbunden ist,
- der erste Modulanschluss (212) mit dem dritten elektrischen Leiter (623) verbunden ist, und
- zwischen den dritten elektrischen Leiter (623) und den zweiten elektrischen Leiter (622) ein erster Thyristor (701) und ein zweiter Thyristor (702) geschaltet sind, wobei der erste Thyristor (701) und der zweite Thyristor (702) eine Antiparallelschaltung bilden, wobei bei dem Verfahren
- aufgrund eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds, welches aufgrund eines durch den ersten elektrischen Leiter (621) und/oder den zweiten elektrischen Leiter (622) fließenden Entladestroms (715) des Energiespeichers (210) entsteht und welches das Halbleitermaterial des ersten Thyristors (701) durchdringt, in dem Halbleitermaterial ein Strom induziert wird, der den ersten Thyristor (701) einschaltet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul (201) der Energiespeicher (210) schlagartig entladen wird, wodurch der Entladestrom (715) des Energiespeichers (210) zu fließen beginnt, und
- mittels des eingeschalteten ersten Thyristors (701) der erste Modulanschluss (212) und der zweite Modulanschluss (215) kurzgeschlossen werden.
PCT/EP2022/053765 2022-02-16 2022-02-16 Modul eines modularen multilevelstromrichters WO2023155979A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9525348B1 (en) * 2015-07-31 2016-12-20 Abb Schweiz Ag Power converter having integrated capacitor-blocked transistor cells
EP3485565B1 (de) * 2016-09-05 2020-05-27 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum entladen eines elektrischen energiespeichers
EP3622619B1 (de) * 2017-07-07 2021-02-17 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Elektrische kurzschliesseinrichtung
EP3796540A1 (de) * 2019-09-17 2021-03-24 Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Zelle zur verwendung in einem konverter

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