WO2023208554A1 - Vorrichtung und verfahren zur symmetrischen stromverteilung bei parallel geschalteten dreipunkt-npc-wechserichter phasen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur symmetrischen stromverteilung bei parallel geschalteten dreipunkt-npc-wechserichter phasen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for symmetrical current distribution of a total current in a high-voltage power electronics assembly.
  • the invention also relates to the use of the device in power hardware-in-the-loop applications and to a computer program product.
  • High-voltage power electronics assemblies are used in many technical areas. For example, in power hardware-in-the-loop applications they are used as responsive power sources in order to be able to electrically simulate the required phase currents (e.g. from emulated motors or batteries).
  • HV high voltage
  • high voltage is often used in the context of a description of vehicle technology, especially in hybrid and fuel cell technology as well as in battery-electric vehicles and in test systems from the context mentioned.
  • NPC topology Neutral Point Clamped
  • an NPC topology offers an additional voltage level at the output.
  • the potential at the output of the half bridge not only jumps to a first potential DC+ and a second potential DC-, but can also assume the state 0 (zero volts).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the internal IGBT switches are called NP (neutral point) IGBTs and the midpoint of the intermediate circuit is switched to the output.
  • NP neutral point
  • VMod,i, VMod,2, VMod,3 at the center tap 5 of each branch can be 3 x assume discrete values: + VDC/2, 0 V and - VDC/2.
  • the associated switching combinations are listed in Table 1.
  • each half-bridge branch 3 are coupled to both neighboring branches in the opposite winding direction via inductive components, for example via magnetically coupled two-winding chokes MR, M23, M31, and guided to a common collection point 4.
  • inductive components for example via magnetically coupled two-winding chokes MR, M23, M31, and guided to a common collection point 4.
  • the two-winding chokes M12, M23, M31 only act inductively between the connected branches 3 if there is an unequal current distribution. If both branch currents ii, i2, iß under consideration are the same size, the magnetic fluxes introduced cancel each other out and only the leakage inductance of the two-wave choke has an effect.
  • both branch currents ii, i2, iß under consideration are of different sizes, a permanent flow is formed in the core of the two-winding choke M12, M23, M31 and this acts as an inductance.
  • This inductive behavior is directed in such a way that it counteracts the asymmetry of the branch currents ii, i2, i3.
  • a positive current change is excited in the smaller branch current ii, i2, i3, and a negative current change is excited in the larger branch current ii, i2, i3.
  • This means that an instance is implemented on the hardware side that counteracts the asymmetry of the branch currents i1, i2, i3.
  • this hardware implementation is not able to completely compensate for the asymmetry of the branch currents ii, i2, i3.
  • the object according to the invention is achieved by a device for symmetrical current distribution of a total current in a high-voltage power electronics assembly, the power electronics assembly comprising at least two N-level half-bridge branches connected in parallel, the half-bridge branches comprising at least N switches set up by suitable switching combinations
  • Output voltage of a half-bridge branch can be set at a center tap of the half-bridge branch, with discrete values being adjustable for the output voltage N, the center taps of each half-bridge branch being coupled to all other parallel half-bridge branches via at least one opposite magnetic coupling and being guided to a common collection point, with an output voltage can assume discrete voltage values at the collection point
  • the power electronics assembly being set up to set the discrete output voltage
  • the device for symmetrical current distribution comprising a switching state selector, the switching state selector being set up to select that switching combination from the possible redundant switching combinations of the half-bridge branches
  • the basic idea of the present invention is to use redundant switching combinations of N-level half bridges connected in parallel to ensure that the total current is distributed symmetrically over the at least two parallel branches. This does not affect the output voltage at the common collection point.
  • a switching state selector selects from the possible switching states the switching combination which counteracts an asymmetrical current distribution of the branch currents on the at least two parallel half-bridge branches, with at least one smallest branch current being increased or at least a largest branch current is reduced, so that the total current is distributed symmetrically over time into the branch currents on the at least two parallel half-bridge branches.
  • the power electronics assembly can be used both as a voltage source and as a current source.
  • each half-bridge branch with all other parallel half-bridge branches can also be reduced.
  • the proposed invention also actively prevents saturation in the opposite magnetic coupling, for example in two-winding chokes. Due to asymmetries in the branch currents, the switches used in the modules are subjected to different loads. For operating points close to the maximum current, any asymmetries that occur would have to be taken into account when designing the switches and higher current-carrying capacities would have to be used. The proposed control actively prevents these asymmetries.
  • the power electronics assembly comprises three parallel 3-level half-bridge branches.
  • Better voltage resolution can be achieved through more levels in the half-bridge branch and/or a larger number of parallel half-bridge branches.
  • As the number of parallel half-bridges increases either the maximum permissible total current or the current load on the individual half-bridges can be reduced, as the current can be distributed over more half-bridge branches.
  • three parallel 3-level half-bridge branches are particularly advantageous because seven discrete states can be set directly, with four of the discrete states each being implemented via three redundant switch positions.
  • three parallel 3-level half-bridge branches provide a good compromise between the voltage strength and the number of components, the price and the complexity of the circuit.
  • the N-level half-bridge branches are N-level NPC half-bridge branches.
  • NPC half-bridge branches have the advantage that the components only require half the reverse voltage capability required for conventional topologies.
  • the N-level NPC half-bridge branches have SiC MOSFETs.
  • MOSFETs made of silicon carbide SiC MOSFETs
  • SiC MOSFETs have the advantage that they have low conduction and switching losses and a more compact shape compared to silicon-based components.
  • SiC MOSFETs have additional advantages. These include higher efficiency and lower power loss.
  • switching speeds are up to ten times higher than with silicon. This in turn enables the use of smaller inductors and capacitors. This makes it possible to implement lighter and more cost-effective systems.
  • the volume and weight of power supplies can be greatly reduced using SiC components.
  • Another advantage of silicon carbide is the larger bandgap. This means that SiC is able to support electric fields that are up to ten times stronger than components made of silicon.
  • the power electronics assembly for the opposite magnetic coupling comprises at least two inductors.
  • the inductors are at least one coupled two-winding choke in the opposite winding direction.
  • the power electronics assembly comprises at least one inductive component after the common collection point.
  • the power electronics assembly is set up to set the discrete output voltage using carrier signals from a multi-carrier pulse width modulation.
  • one carrier signal is provided per level.
  • the negative output voltages of the half bridge can be provided by using a corresponding carrier signal for the positive output voltage and inverting the corresponding output signal.
  • the power electronics assembly comprises a device for measuring current after each center tap of the half-bridge branch.
  • the device for symmetrical current distribution comprises a computing unit, wherein the computing unit is set up to determine a smallest and/or largest branch current of the individual half-bridge branches and the computing unit is further set up to select the switching combination which corresponds to an asymmetrical Current distribution of the branch currents to the at least two parallel half-bridge branches counteracts.
  • the smallest and/or largest branch current of the individual half-bridges can be determined quickly and reliably. Corner branches are determined in order to select and switch the corresponding switching combination, which counteracts an asymmetrical current distribution of the branch currents on the at least two parallel half-bridge branches.
  • the computing unit comprises an integrated circuit or a programmable logic module.
  • integrated circuits tailored precisely to the task to be solved can be provided.
  • Programmable logic components such as FPGAs (Field Programmable Gate Array) in which a corresponding logical circuit can be implemented are particularly advantageous.
  • the object according to the invention is achieved by a method for symmetrical current distribution of a total current in a high-voltage power electronics assembly, the method comprising the following steps: Providing a device for symmetrical current distribution according to one of the preceding claims, the power electronics assembly comprising: at least two N-level half-bridge branches connected in parallel, the half-bridge branches comprising at least N switches set up by suitable switching combinations to set a respective output voltage of a half-bridge branch at a center tap of the half-bridge branch, with N discrete values being adjustable for the output voltage, the center taps of each half-bridge branch via an opposite magnetic Coupling are each coupled to all other parallel half-bridge branches and are guided to a common collection point, an output voltage at the collection point being able to assume discrete voltage values, the power electronics assembly being set up to set the discrete output voltage, the device for symmetrical current distribution having a switching state selector and the method includes the following further steps: - Using the switching state selector, selecting from the possible redundant switching
  • the step of selecting the switching combination using the switching state selector is always called when the power electronics assembly requires a new discrete output voltage or the switching state selector cyclically after an adjustable time has elapsed without requesting a changed one discrete output voltage is called.
  • the frequency of the selector interventions can be freely chosen and is not linked to the PWM frequency of the carrier signal.
  • the symmetry takes place at smaller time intervals, which means that the asymmetries in the currents can be counteracted more quickly. This reduces the amount of short-term deviations in the branch currents.
  • inductive assemblies with a lower saturation current can be used, which means they are smaller and cheaper.
  • the inductive assemblies namely at least the opposite magnetic couplings, have a smaller saturation current compared to a saturation current of an inductive assembly from the initially described FIG. 1 with the same maximum output power of the half-bridge branches.
  • the invention also relates to the use of the device for symmetrical current distribution of a total current in a high-voltage power electronics assembly in power hardware-in-the-loop applications.
  • High-voltage power electronics assemblies are used, for example, in power hardware-in-the-loop applications as a fast-reacting power source in order to be able to electrically simulate the required phase currents (e.g. from emulated motors or batteries).
  • the object according to the invention is solved by a computer program product comprising instructions which cause the previously described device to carry out the previously described method steps.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a high-voltage power electronics assembly from the prior art
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a high-voltage power electronics assembly with a device for symmetrical power distribution according to an exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 3 is a diagram of a schematic course of carrier signals according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 The prior art shown in FIG. 1 has already been described in the introductory part of the description.
  • the power electronics assembly 1 shown in FIG. 2 comprises three three-level half-bridge branches 3 connected in parallel in the exemplary embodiment shown in FIG. 2. However, at least two or more half-bridge branches 3 can also be provided.
  • the half-bridge branches 3 can also have more than three or at least two levels.
  • the half-bridge branches 3 each include 4 switches Sn, S12, S13, Su and are set up by suitable switching combinations to provide a respective output voltage VMod,i, VMod,2, VMod,3 Half-bridge branch 3 at a center tap 5 of the half-bridge branch 3.
  • the half-bridge branches can be 3 NPC half-bridge branches and include SiC MOSFETs.
  • an NPC topology offers an additional voltage level at the output. The potential not only jumps to DC+ and DC-, but can also assume the state 0.
  • MOSFETs made of silicon carbide SiC MOSFETs
  • the center taps 5 of each half-bridge branch 3 are each coupled to all other parallel half-bridge branches 3 via an opposite magnetic coupling by means of inductive components M12, M23, M31 and guided to a common collection point 4.
  • the output voltage VMod,out at collection point 4 can assume discrete voltage values.
  • the power electronics module 1 is set up to set the discrete output voltage VMod,out.
  • the discrete output voltage VMod,out can be set, for example, using carrier signals uci, uc2, uc3, uc4, uc5, uc6 of a multi-carrier pulse width modulation 9. This will be described in more detail in connection with FIG. 3.
  • seven discrete values can be set for the output voltage VMod,out, which are shown in Table 2.
  • the device for symmetrical current distribution 2 comprises a switching state selector 6.
  • the switching state selector 6 is set up in such a way to select from the possible redundant switching combinations of the half-bridge branches 3 the switching combination which counteracts an asymmetrical current distribution of the branch currents ii, i2, i3 to the three parallel half-bridge branches 3. At least a smallest branch current ii, i2, i3 is increased or at least a largest branch current ii, i2, i3 is reduced, so that the total current kc is continuously divided into the branch currents ii, i2, i3 on the three parallel half-bridge branches 3 symmetrically distributed.
  • the device comprises a device for measuring current 7 after each center tap 5 of the half-bridge branch 3.
  • a computing unit can be provided, which can also include, for example, a programmable logic module such as FPGAs (Field Programmable Gate Array), in which a corresponding logic circuit can be implemented.
  • FPGAs Field Programmable Gate Array
  • a sufficiently powerful FPGA component for example one that includes a correspondingly designed so-called soft core or hardcore, is provided as a computing unit in one exemplary embodiment.
  • the computing unit can further be set up to select the switching combination which counteracts an asymmetrical current distribution of the branch currents ii, i2, iß on the three parallel half-bridge branches 3.
  • the proposed invention also actively prevents saturation in the opposite magnetic coupling Mi2, M23, M31, for example in two-winding chokes, or at least reduces the probability of saturation occurring. This also makes it possible to install chokes with lower saturation currents, since only branch currents ii, i2, iß of different sizes can cause flooding and saturation.
  • a consumer is connected to the power electronics assembly 1 via a coupling choke with inductance Lc.
  • Table 2 shows the switching states of half-bridge branch 3 and the qualitative current changes.
  • column one the switching states of the half-bridge branches 3 are shown
  • column two the output voltage VMod,out corresponding to the switching state is shown
  • in columns three, four and five are the respective corresponding output voltages VMod,i, VMod,2, VMod,3 des respective half-bridge branch 3 is shown and the qualitative current changes of the individual branch currents are shown in columns six, seven and eight.
  • the switching state selector 6 selects the combination that increases the branch current ii.
  • the additional switching states and the qualitative current changes are summarized in Table 3.
  • the device 2 described above can also be implemented in this fifth discrete output voltage using the method described above for balancing the branch currents ii, i2, iß.
  • the discrete output voltage to be set can be determined, for example, using multi-carrier pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the previously determined control signal is compared with six carrier signals uci to uce, each of which is offset from one another by a vertical offset; this is shown in FIG. 3.
  • Fig. 3 shows the schematic progression of six carrier signals uci to uce.
  • control signal is greater than the course of uce, the highest output voltage
  • VMod + VDC/2 set.
  • the switching state selector 6 can, for example, be called by two events. On the one hand, whenever a new output voltage is required from the multi-carrier PWM. On the other hand, the switching state selector 6 is called up at a higher frequency than the PWM frequency and cyclically after an adjustable time has elapsed without requiring a changed output voltage. It can happen that the switching state changes without changing the output voltage VMod,out. In one exemplary embodiment, for example, only the three positive carrier signals uc4, ucs and uce can be generated and compared with the amount of the control voltage.
  • Carrier signal uc4 Carrier signal ucs

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Abstract

Bei einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1) mit zumindest zwei parallel geschalteten N-Level Halbbrückenzweigen (3) soll eine symmetrische Stromverteilung auf die Halbbrückenzweige (3) erreicht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) einen Schaltzustand-Selektor (6) umfasst, wobei der Schaltzustand-Selektor (6) derart eingerichtet ist, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige (3) diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom (i1, i2, i3) erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom (i1, i2, i3) reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom (iLC) jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme (i1, i2, i3) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) symmetrisch verteilt. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms (iLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1) sowie ein Computerprogrammprodukt.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR SYMMETRISCHEN STROMVERTEILUNG BEI PARALLEL GESCHALTETEN DREIPUNKT-NPC-WECHSERICHTER PHASEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe. Auch betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen sowie ein Computerprogrammprodukt.
Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppen werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise werden Sie in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen als reaktionsschnelle Stromquellen eingesetzt, um die geforderten Phasenströme (beispielsweise von emulierten Motoren oder Batterien) elektrisch nachbilden zu können.
Von einer elektrischen Spannung, der das Attribut „Hochvolt“ (HV) zugeordnet wird, ist in der Fachwelt üblicherweise die Rede, wenn
(i) bei Gleichspannung (DC) der Spannungsbetrag größer als 60 Volt und maximal 1500 Volt ist, oder
(ii) bei Wechsel Spannung (AC) der maximale Effektivwert der Spannung größer als 30 Volt und maximal 1000 Volt ist.
Der Begriff „Hochvolt“ wird häufig im Kontext einer Beschreibung von Fahrzeugtechnik, besonders in der Hybrid- und Brennstoffzellentechnologie sowie bei batterieelektrischen Fahrzeugen und bei Testsystemen aus dem genannten Kontext verwendet.
In dreiphasigen PV-Wechselrichtem und unterbrechungsfreien Stromversorgungen werden insbesondere Leistungselektronik-Baugruppen mit NPC-Topologie (Neutral Point Clamped) eingesetzt. Im Gegensatz zu einer einfachen Halbbrücke (Zwei-Level Modul) bietet eine NPC-Topologie eine zusätzliche Spannungsebene am Ausgang. Das Potenzial am Ausgang der Halbbrücke springt nicht nur auf ein erstes Potential DC+ und ein zweites Potential DC-, sondern kann auch den Zustand 0 (null Volt) annehmen. Beispielsweise können Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) verwendet werden. Die inneren IGBT-Schalter werden als NP (neutral point) IGBTs bezeichnet und der Mittelpunkt des Zwischenkreises wird zum Ausgang geschaltet. In Fig. 1 ist ein Beispiel einer Hochvolt-Leistungselektronik- Baugruppe 1 aus dem Stand der Technik gezeigt. Die in Fig. 1 gezeigte Leistungselektronik- Baugruppe 1 umfasst drei parallel angeordnete 3 -Level Halbbrückenzweige 3. Unter Level ist in der Beschreibung eines Halbbrückenzweigs 3 ein Potentialniveau der Spannungsversorgung des Halbbrückenzweiges 3 zu verstehen. Durch geeignete Schaltkombination der in den Halbbrückenzweigen 3 verbauten Schalter S i bis SY4 (mit x = { 1;2;3 }) kann die jeweilige Ausgangsspannung VMod,i, VMod,2, VMod,3 am Mittelabgriff 5 jedes Zweigs 3 x diskrete Werte annehmen.: + VDC/2, 0 V und - VDC/2. Die zugehörigen Schaltkombinationen sind in Tabelle 1 aufgelistet.
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Tabelle 1
Die Mittelabgriffe 5 jedes Halbbrückenzweigs 3 werden über induktive Bauelemente beispielsweise über magnetisch gekoppelte Zweiwickeldrosseln M R, M23, M31 im entgegengesetzten Wicklungssinn jeweils mit beiden Nachbarzweigen gekoppelt und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt 4 geführt. Damit wird verhindert, dass unterschiedliche Ausgangspotenziale zweier Drei -Level -Zweige 3 hart aufeinander geschaltet werden. Abgesehen von deren Streuin- duktivität wirken die Zweiwickeldrosseln M12, M23, M31 nur dann induktiv zwischen den angeklemmten Zweigen 3, wenn eine ungleiche Stromverteilung vorliegt. Sind beide betrachteten Zweigströme ii, i2, iß gleich groß, heben sich die jeweils eingebrachten magnetischen Durchflutungen auf und es wirkt lediglich die Streuinduktivität der Zweiwi ekel drossel. Sind beide betrachteten Zweigströme ii, i2, iß unterschiedlich groß, bildet sich eine bleibende Durchflutung im Kem der Zweiwickeldrossel M12, M23, M31 aus und diese wirkt als Induktivität. Dieses induktive Verhalten ist so gerichtet, dass sie der Asymmetrie der Zweigströme ii, i2, i3 entgegenwirkt. Im kleineren Zweigstrom ii, i2, i3 wird eine positive Stromänderung angeregt, im größeren Zweigstrom ii, i2, i3 eine negative Stromänderung. Damit ist hardwareseitig eine Instanz implementiert, die der Asymmetrie der Zweigströme i 1, i2, i3 entgegenwirkt. Diese hardwareseitige Implementierung ist aber nicht in der Lage, die Asymmetrie der Zweigströme ii, i2, i3 vollständig auszugleichen.
Im Fall, dass die Asymmetrie der Zweigströme ii, i2, i3 zu groß gerät, steigt die Durchflutung im Kern der Zweiwi ekel drossel M12, M23, M31 und führt zur Sättigung derselben. Damit reduziert sich, bzw. verschwindet die induktive Wirkung der Drossel M12, M23, M31 und hat eine Mitkopplung zur Folge. Aus weniger Induktivität folgt eine größere Strom- Asymmetrie was mehr Durchflutung und mehr Sättigung und noch weniger Induktivität bewirkt. Dies hat negative Auswirkungen auf die symmetrische Stromverteilung der einzelnen Zweigströme ii, i2, i3.
Es ist daher die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe bereitzustellen, die die symmetrische Stromverteilung in der Leistungselektronik-Baugruppe verbessert.
Diese Aufgabe wird durch technische Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Technisch vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen. Gemäß eines Aspektes wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe gelöst, die Leistungselektronik-Baugruppe umfassend zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige, die Halbbrückenzweige umfassend zumindest N Schalter eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung eines Halbbrückenzweigs an einem Mittelabgriff des Halbbrückenzweigs einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe jedes Halbbrückenzweigs über zumindest eine entgegengesetzte magnetische Kopplung jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung am Sammelpunkt diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung umfassend einen Schaltzustand-Selektor, wobei der Schaltzustand-Selektor derart eingerichtet ist, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige symmetrisch verteilt.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, anhand von redundanter Schaltkombinationen parallel geschalteter N-Level Halbbrücken zu bewirken, dass sich der Gesamtstrom jeweils symmetrisch auf die zumindest zwei parallelen Zweige verteilt. Die Ausgangsspannung am gemeinsamen Sammelpunkt wird dadurch nicht beeinflusst. Dabei wählt ein Schaltzustand-Selektor aus den möglichen Schaltzuständen diejenige Schaltkombination aus, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom j eweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige symmetrisch verteilt. Die Leistungselektronik-Baugruppe kann sowohl als Spannungsquelle als auch als Stromquelle eingesetzt werden. Durch die entgegengesetzte magnetische Kopplung eines jeden Halbbrückenzweigs mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen kann zusätzlich eine Asymmetrie der Ströme reduziert werden. Durch die vorgeschlagene Erfindung wird auch die Sättigung in der entgegengesetzten magnetischen Kopplung, beispielsweise in Zweiwickeldrosseln, aktiv verhindert. Durch Asymmetrien der Zweigströme werden die eingesetzten Schalter in den Modulen unterschiedlich stark belastet. Für Arbeitspunkte nahe dem Maximalstrom müssten auftretende Asymmetrien bei der Auslegung der Schalter berücksichtigt werden und auf höhere Stromtragfähigkeiten zurückgegriffen werden. Die vorgeschlagene Ansteuerung verhindert aktiv diese Asymmetrien.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe drei parallele 3 -Level Halbbrückenzweige. Durch mehr Level in dem Halbbrückenzweig und/oder einer größeren Anzahl an parallelen Halbbrückenzweigen kann eine bessere Spannungsauflösung erreicht werden. Je mehr Level die verwendete Halbbrückentopologie hat desto weniger spannungsfest müssen die einzelnen Bauteile ausgelegt werden. Mit zunehmender Zahl paralleler Halbbrücken kann entweder der maximal zulässige Gesamtstrom oder die Strombelastung der einzelnen Halbbrücken gesenkt werden, da sich der Strom auf mehr Halbbrückenzweige verteilen kann. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass drei parallelen 3-Level Halbbrückenzweigen besonders vorteilhaft sind, da direkt sieben diskrete Zustände gestellt werden können, wobei vier der diskreten Zustände jeweils über drei redundante Schalterstellungen realisiert werden können. Mehr Level oder mehr parallele Halbleiterbrücken führen nicht zu einem linearen Wachstum des Aufwandes (Komplexität und Kosten der Hardware) und Nutzen (mögliche diskrete Zustände und mögliche diskrete Schalterstellungen) sondern der Aufwand wächst überproportional gegenüber dem Nutzen. Daher liefern ge- mäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung bereits drei parallele 3 -Level Halbbrückenzweige einen guten Kompromiss zwischen der Spannungsfestigkeit und der Anzahl der Bauelemente, dem Preis und der Komplexität der Schaltung.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die N-Level Halbbrückenzweige N-Level NPC Halbbrückenzweige. NPC Halbbrückenzweige haben den Vorteil, dass von den Bauteilen nur die Hälfte der Sperrspannungsfähigkeit, die für herkömmliche Topologien benötigt wird, erfordert wird.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weisen die N-Level NPC Halbbrückenzweige SiC-MOSFETs auf. MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC-MOSFETs) haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Bausteinen auf Basis von Silizium niedrige Leitungsund Schaltverlust sowie kompaktere Form aufweisen. Im Vergleich zu klassischen Silizium- Versionen weisen SiC-MOSFETs weitere Vorzüge auf. Dazu zählen der höhere Wirkungsgrad und eine geringere Verlustleistung. Hinzu kommen bis zu zehnfach höhere Schaltgeschwindigkeiten als bei Silizium. Das wiederum ermöglicht den Einsatz kleinerer Induktivitäten und Kondensatoren. Hierdurch besteht die Möglichkeit, leichtere und kostengünstigere Systeme zu realisieren. Bei Stromversorgungen lassen sich das Volumen und das Gewicht mithilfe von SiC- Komponenten stark reduzieren. Ein weiterer Vorteil von Siliziumkarbid ist der größere Bandabstand (Bandgap). Dadurch ist SiC in der Lage, etwa bis zu zehn Mal stärkere elektrische Felder zu unterstützen als Komponenten aus Silizium. Hinzu kommt die bessere thermische Leitfähigkeit, die sich in einer etwa um den Faktor drei höheren Energiedichte niederschlägt.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe für die entgegengesetzte magnetische Kopplung zumindest zwei Induktivitäten. In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die Induktivitäten zumindest eine gekoppelte Zweiwickeldrosseln im entgegengesetzten Wicklungssinn.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe nach dem gemeinsamen Sammelpunkt zumindest ein induktives Bauelement.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Leistungselektronik- Baugruppe derart eingerichtet, die diskrete Ausgangsspannung mittels Carrier-Signalen einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation einzustellen. In einer vorteilhaften Ausführungsform einer Mehrlevel-Halbbrücke wird pro Level ein Carrier-Signal bereitgestellt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können bei symmetrischen Ausgängen die negativen Ausgangsspannungen der Halbbrücke dadurch bereitgestellt werden, indem ein korrespondierendes Carrier-Signal für die positive Ausgangsspannung verwendet und das korrespondierende Ausgangssignal invertiert wird.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe nach jedem Mittelabgriff des Halbbrückenzweigs eine Vorrichtung zur Strommessung.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit derart eingerichtet ist, einen kleinsten und/oder größten Zweigstrom der einzelnen Halbbrückenzweige zu bestimmen und die Recheneinheit weiter derart eingerichtet ist, diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt. Mittels einer Recheneinheit kann schnell und zuverlässig zum einen der kleinste und/oder größte Zweigstrom der einzelnen Halbbrü- ckenzweige bestimmt werden um die entsprechende Schaltkombination, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, auszuwählen und zu schalten.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Recheneinheit eine integrierte Schaltung oder einen programmierbaren Logikbaustein. In einer Ausführungsform der Erfindung können beispielsweise genau auf die zu lösende Aufgabe eingerichtete integrierte Schaltungen vorgesehen sein. Vorteilhaft sind insbesondere programmierbare Logikbausteine wie z.B. FPGAs (Field Programmable Gate Array) in denen eine entsprechende logische Schaltung realisiert werden kann.
Gemäß eines weiteren Aspektes wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik- Baugruppe gelöst, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, die Leistungselektronik-Baugruppe umfassend: zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige, die Halbbrückenzweige umfassend zumindest N Schalter eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung eines Halbbrückenzweigs an einem Mittelabgriff des Halbbrückenzweigs einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe jedes Halbbrückenzweigs über eine entgegengesetzte magnetische Kopplung jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung am Sammelpunkt diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung einen Schaltzustand-Selektor umfasst und das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:- Auswählen mittels des Schaltzustand-Selektors aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige diejenige Schaltkombination, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom erhöht oder ein größter Zweigstrom reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige verteilt.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Schritt des Auswählens der Schaltkombination mittels des Schaltzustand-Selektors immer dann aufgerufen, wenn von der Leistungselektronik-Baugruppe eine neue diskrete Ausgangsspannung gefordert wird oder der Schaltzustand-Selektor zyklisch nach Ablauf einer einstellbaren Zeit ohne Anforderung einer geänderten diskreten Ausgangsspannung aufgerufen wird. Im Vergleich zum Stand der Technik kann die Frequenz der Selektor-Eingriffe frei gewählt werden und ist nicht an die PWM-Frequenz des Carrier Signals geknüpft. Durch einen höherfrequenten Aufruf des Selektors findet die Symmetrierung in kleineren Zeitabständen statt, was dazu führt, dass den Asymmetrien der Ströme schneller entgegengewirkt werden kann. Dadurch verringert sich der Betrag der kurzzeitigen Abweichungen der Zweigströme. Mittels der Erfindung können induktive Baugruppen mit einem geringeren Sättigungsstrom verwendet werden, sie sind daher kleiner und günstiger. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die induktiven Baugruppen, nämlich zumindest die entgegengesetzten magnetischen Kopplungen einen kleineren Sättigungsstrom im Vergleich zu einem Sättigungsstrom einer induktiven Baugruppe aus der eingangs beschriebenen Figur 1 bei gleicher maximaler Ausgangsleistung der Halbbrückenzweige auf.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung der Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen. Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppen werden beispielsweise in Power Hardware-in-the-Loop Anwendungen als reaktionsschnelle Stromquelle eingesetzt, um die geforderten Phasenströme (beispielsweise von emulierten Motoren oder Batterien) elektrisch nachbilden zu können. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch Computerprogrammprodukt gelöst, umfassend Befehle, die bewirken, dass die zuvor beschriebene Vorrichtung die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte ausführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe aus dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe mit einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 ein Diagramm eines schematischen Verlaufs von Carrier-Signalen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte Stand der Technik wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe 1 mit einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in Fig. 2 gezeigte Leistungselektronik-Baugruppe 1 umfasst in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel drei parallel geschaltete Drei -Level Halbbrückenzweige 3. Es können jedoch auch zumindest zwei oder auch mehr Halbbrückenzweige 3 vorgesehen sein. Auch können die Halbbrückenzweige 3 über mehr als drei oder zumindest zwei Level verfügen. Die Halbbrückenzweige 3 umfassen jeweils 4 Schalter Sn, S12, S13, Su und sind eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung VMod,i, VMod,2, VMod,3 eines Halbbrückenzweigs 3 an einem Mittelabgriff 5 des Halbbrückenzweigs 3 einzustellen. Insbesondere können die Halbbrückenzweige 3 NPC Halbbrückenzweige sein und SiC-MOSFETs umfassen. Im Gegensatz zu einem einfachen Halbbrücken-Modul bietet eine NPC-Topologie eine zusätzliche Spannungsebene am Ausgang. Das Potenzial springt nicht nur auf DC+ und DC-, sondern kann auch den Zustand 0 annehmen. MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC-MOS- FETs) haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Bausteinen auf Basis von Silizium niedrige Leitungs- und Schaltverlust sowie kompaktere Form aufweisen. Die Mittelabgriffe 5 jedes Halbbrückenzweigs 3 sind über eine entgegengesetzte magnetische Kopplung mittels induktiver Bauelemente M12, M23, M31 jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen 3 gekoppelt und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt 4 geführt. Die Ausgangsspannung VMod,out am Sammelpunkt 4 kann dabei diskrete Spannungswerte annehmen. Die Leistungselektronik- Baugruppe 1 ist dabei derart eingerichtet, die diskrete Ausgangsspannung VMod,out einzustellen. Die diskrete Ausgangsspannung VMod,out kann beispielsweise mittels Carrier-Signalen uci, uc2, uc3, uc4, uc5, uc6 einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation 9 eingestellt werden. Dies wird im Zusammenhang mit Fig. 3 genauer beschrieben. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind für die Ausgangsspannung VMod,out sieben diskrete Werte einstellbar, die in Tabelle 2 gezeigt sind. Um anhand redundanter Schaltkombinationen der drei parallel geschalteter Drei- Level Halbbrückenzweige 3 zu bewirken, dass sich der Gesamtstrom c jeweils symmetrisch auf die drei parallelen Zweige 3 verteilt, umfasst die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung 2 einen Schaltzustand-Selektor 6. Der Schaltzustand-Selektor 6 ist derart eingerichtet, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige 3 diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme ii, i2, i3 auf die drei parallelen Halbbrückenzweige 3 entgegenwirkt. Dabei wird zumindest ein kleinster Zweigstrom ii, i2, i3 erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom ii, i2, i3 reduziert, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom kcjeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme ii, i2, i3 auf die drei parallelen Halbbrückenzweige 3 symmetrisch verteilt. Hierfür umfasst die Vorrichtung in einem Ausführungsbeispiel nach jedem Mittelabgriff 5 des Halbbrückenzweigs 3 eine Vorrichtung zur Strommessung 7. Die Messwerte der Strommessungen werden dann einer Vorrichtung zur Bestimmung des kleinsten/größten Stroms zugeführt. Für die Bestimmung des kleinsten/größten Stroms kann eine Recheneinheit vorgesehen sein, die beispielsweise auch einen programmierbaren Logikbaustein wie z.B. FPGAs (Field Programmable Gate Array) umfassen kann, in den eine entsprechende logische Schaltung realisiert werden kann. Ein ausreichend leistungsfähiger FPGA-Baustein, beispielsweise ein solcher, der einen entsprechend ausgestalteten sog. Softcore oder Hardcore umfasst, ist in einem Ausführungsbeispiel als Recheneinheit vorgesehen. Die Recheneinheit kann weiter dazu eingerichtet sein, diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme ii, i2, iß auf die drei parallelen Halbbrückenzweige 3 entgegenwirkt. Durch die vorgeschlagene Erfindung wird auch die Sättigung in der entgegengesetzte magnetische Kopplung Mi2, M23, M31, beispielsweise in Zweiwickeldrosseln, aktiv verhindert oder zumindest die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Sättigung reduziert. Hierdurch wird auch der Einbau von Drosseln mit geringerem Sättigungsstrom ermöglicht, da nur unterschiedlich große Zweigströme ii, i2, iß eine Durchflutung und Sättigung hervorrufen können. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Verbraucher über eine Koppeldrossel mit Induktivität Lc mit der Leistungselektronik-Baugruppe 1 verbunden.
In Tabelle 2 sind die Schaltzustände der Halbbrückenzweig 3 und die qualitative Stromänderungen gezeigt. In Spalte eins sind Schaltzustände der Halbbrückenzweige 3 gezeigt, in Spalte zwei ist die jeweilig zum Schaltzustand korrespondierende Ausgangsspannung VMod,out gezeigt, in den Spalten drei, vier und fünf sind die jeweiligen korrespondierenden Ausgangsspannungen VMod,i, VMod,2, VMod,3 des jeweiligen Halbbrückenzweigs 3 gezeigt und in den Spalten sechs, sieben und acht sind die qualitativen Stromänderungen der einzelnen Zweigströme gezeigt.
Figure imgf000015_0001
Tabelle 2
Soll beispielsweise die Ausgangsspannung VMod,out = 1/6 • VDC eingestellt werden und es gilt beispielsweise für die Zweigströme ii < i2 < 13, wählt der Schaltzustand-Selektor 6 jene Kombination aus, welche den Zweigstrom ii erhöht. In diesem Fall die Kombination [1 0 0], In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ausgangsspannung VMod, out = 0 V mit sechs weiteren Schaltkombinationen erzielt werden kann. Die zusätzlichen Schaltzustände und die qualitativen Stromänderungen sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Somit kann die oben beschriebene Vorrichtung 2 mit dem oben beschriebenen Verfahren zur Symmetrierung der Zweigströme ii, i2, iß auch in dieser fünften diskreten Ausgangsspannung realisiert werden.
Figure imgf000016_0001
Tabelle 3
Die einzustellende diskrete Ausgangsspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation (PWM) bestimmt werden. Das zuvor ermittelte Steuersignal wird mit sechs Carrier-Signalen uci bis uce verglichen, welche jeweils um einen vertikalen Versatz zueinander verschoben sind, dies ist in Fig. 3 gezeigt.
Fig. 3 zeigt den schematischen Verlauf von sechs Carrier-Signale uci bis uce. Die Carrier-Signale können auch eine zeitliche Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Für Zeitdauern, in denen das Steuersignal kleiner ist als der Verlauf von uci, wird die niedrigste Ausgangsspannung VMod = - VDC/2 eingestellt. Für Zeitdauern, in denen
- das Steuersignal zwischen uci und uc2 verläuft, wird die zweitniedrigste Ausgangsspannung VMod = - 2/6 • VDC eingestellt,
- das Steuersignal zwischen uc2 und uc3 verläuft, wird die drittniedrigste Ausgangsspannung VMod = - 1/6 • VDC eingestellt,
- das Steuersignal zwischen uc3 und uc4 verläuft, wird die Ausgangsspannung VMod = 0 V eingestellt,
- das Steuersignal zwischen uc4 und ucs verläuft, wird die dritthöchste Ausgangsspannung VMod = 1/6 • VDC eingestellt,
- das Steuersignal zwischen ucs und uce verläuft, wird die zweithöchste Ausgangsspannung VMod = 2/6 • VDC eingestellt und für Zeitdauern, in denen
- das Steuersignal größer ist als der Verlauf von uce, wird die höchste Ausgangsspannung
VMod = + VDC/2 eingestellt.
Der Schaltzustand-Selektor 6 kann beispielsweise von zwei Ereignissen aufgerufen werden. Zum einen immer dann, wenn von der Multi-Carrier PWM eine neue Ausgangsspannung gefordert wird. Zum anderen wird der Schaltzustand-Selektor 6 höherfrequent als die PWM-Fre- quenz und zyklisch nach Ablauf einer einstellbaren Zeit ohne Anforderung einer geänderten Ausgangsspannung aufgerufen. So kann es passieren, dass sich der Schaltzustand ändert, ohne dass die Ausgangsspannung VMod,out verändert wird. In einem Ausführungsbeispiel können beispielsweise auch nur die drei positiven Carrier-Signale uc4, ucs und uce generiert und mit dem Betrag der Steuerspannung verglichen werden.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren, auch wenn diese zu unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben worden sind. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Patentansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmalen nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste
Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe 1
Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung 2
N-Level Halbbrückenzweig 3 gemeinsamer Sammelpunkt 4
Mittelabgriff 5
Schaltzustand-Selektor 6
Vorrichtung zur Strommessung 7
Vorrichtung zur Bestimmung des 8 kleinsten/größten Stroms
Multi-Carrier-Modulation 9
Schalter Sn
Schalter S12
Schalter S13
Schalter S14
Gesamtstrom c erster Zweigstrom ii zweiter Zweigstrom i2 dritter Zweigstrom is
Ausgangsspannung des ersten Halbbrückenzweigs VMod,i
Ausgangsspannung des zweiten Halbbrückenzweigs VMod,2
Ausgangsspannung des dritten Halbbrückenzweigs VMod,3 diskrete Ausgangsspannung VMod,out
Induktives Bauelement M12
Induktives Bauelement M23
Induktives Bauelement M31 Induktives Bauelement Lc
Carrier-Signal uci
Carrier-Signal uc2
Carrier-Signal uc3
Carrier-Signal uc4 Carrier-Signal ucs
Carrier-Signal uce

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) eines Gesamtstroms GLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1), die Leistungselektronik-Baugruppe (1) umfassend zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige (3), die Halbbrückenzweige (3) umfassend zumindest N Schalter (Sn, S12, S13, S14) eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung (VMO<I,I, VMod,2, VMod,3) eines Halbbrückenzweigs (3) an einem Mittelabgriff (5) des Halbbrückenzweigs (3) einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung (vMod,i, VMod,2, VMod,3) N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe (5) jedes Halbbrückenzweigs (3) über zumindest eine entgegengesetzte magnetische Kopplung (M12, M23, M31) jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen (3) gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt (4) geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung (vMod,out) am Sammelpunkt (4) diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe (1) derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) umfassend einen Schalt- zustand-Selektor (6), wobei der Schaltzustand-Selektor (6) derart eingerichtet ist, aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige (3) diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (ii, i2, is) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom (ii, i2, is) erhöht oder zumindest ein größter Zweigstrom (ii, i2, is) reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom (ILC) jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme (ii, i2, is) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) symmetrisch verteilt. 2. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) drei parallele 3-Level Halbbrückenzweige (3) umfasst.
3. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Level Halbbrückenzweige (3) N-Level NPC Halbbrückenzweige sind.
4. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Level NPC Halbbrückenzweige (3) SiC-MOSFETs umfassen.
5. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) für die entgegengesetzte magnetische Kopplung (M12, M23, M31) zumindest zwei induktive Bauelemente umfasst.
6. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Bauelemente zumindest eine gekoppelte Zweiwickeldrossel im entgegengesetzten Wicklungssinn sind.
7. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe nach dem gemeinsamen Sammelpunkt (4) zumindest ein induktives Bauelement (Lc) umfasst.
8. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) mittels Carrier-Signalen (uci, uc2, uc3, uc4, uc5, UCÖ) einer Multi-Carrier Pulsweitenmodulation (9) einzustellen. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Baugruppe (1) nach jedem Mittelabgriff (5) des Halbbrückenzweigs (3) eine Vorrichtung zur Strommessung (7) umfasst. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit derart eingerichtet ist, einen kleinsten und/oder größten Zweigstrom (ii, i2, iß) der einzelnen Halbbrückenzweige (3) zu bestimmen und die Recheneinheit weiter derart eingerichtet ist, diejenige Schaltkombination auszuwählen, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (ii, i2, iß) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt. Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit eine integrierte Schaltung oder einen programmierbaren Logikbaustein umfasst. Verfahren zur symmetrischen Stromverteilung eines Gesamtstroms (i LC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1), das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, die Leistungselektronik-Baugruppe (1) umfassend: zumindest zwei parallel geschaltete N-Level Halbbrückenzweige (3), die Halbbrückenzweige (3) umfassend zumindest N Schalter (Sn, S12, S13, S14) eingerichtet durch geeignete Schaltkombinationen eine jeweilige Ausgangsspannung (VMO<I,I, VMod,2, VMOCU) eines Halbbrückenzweigs (3) an einem Mittelabgriff (5) des Halbbrückenzweigs (3) einzustellen, wobei für die Ausgangsspannung (VMO<I,I, VMod,2, VMod,3) N diskrete Werte einstellbar sind, wobei die Mittelabgriffe (5) jedes Halbbrückenzweigs (3) über eine entgegengesetzte magnetische Kopplung (M12, M23, M31) jeweils mit allen anderen parallelen Halbbrückenzweigen (3) gekoppelt sind und auf einen gemeinsamen Sammelpunkt (4) geführt sind, wobei eine Ausgangsspannung (vMod,out) am Sammelpunkt (4) diskrete Spannungswerte annehmen kann, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe (1) derart eingerichtet ist, die diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) einzustellen, die Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) einen Schaltzustand-Selektor (6) umfasst und das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:- Auswählen mittels des Schaltzustand-Selektors (6) aus den möglichen redundanten Schaltkombinationen der Halbbrückenzweige (3) diejenige Schaltkombination, welche einer unsymmetrischen Stromverteilung der Zweigströme (ii, i2, is) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) entgegenwirkt, wobei zumindest ein kleinster Zweigstrom (ii, i2, is) erhöht oder ein größter Zweigstrom (ii, i2, is) reduziert wird, so dass bewirkt wird, dass sich der Gesamtstrom (ILC) jeweils zeitkontinuierlich in die Zweigströme (ii, i2, is) auf die zumindest zwei parallelen Halbbrückenzweige (3) verteilt. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Auswählens der Schaltkombination mittels des Schaltzustand-Selektors (6) immer dann aufgerufen wird, wenn von der Leistungselektronik-Baugruppe (1) eine neue diskrete Ausgangsspannung (vMod,out) gefordert wird oder der Schaltzustand-Selektor (6) zyklisch nach Ablauf einer einstellbaren Zeit ohne Anforderung einer geänderten diskreten Ausgangsspannung (vMod,out) aufgerufen wird.
14. Verwendung der Vorrichtung zur symmetrischen Stromverteilung (2) eines Gesamtstroms (iLC) in einer Hochvolt-Leistungselektronik-Baugruppe (1) in Power Hardware- in-the-Loop Anwendungen. 15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 12 oder 13 ausführt.
PCT/EP2023/059003 2022-04-29 2023-04-05 Vorrichtung und verfahren zur symmetrischen stromverteilung bei parallel geschalteten dreipunkt-npc-wechserichter phasen Ceased WO2023208554A1 (de)

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