DE102013218799A1

DE102013218799A1 - Modular power converter

Info

Publication number: DE102013218799A1
Application number: DE201310218799
Authority: DE
Inventors: Marcel Lutze; Michael Kopf; Mirjam Mantel; Stefan Völkel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen modularen Stromrichter (1) mit mindestens zwei Submodulen (2), die eingangsseitig in Reihe an einen Versorgerkreis (4) mit einer anschließbaren Gleichspannungsquelle (6) geschaltet sind, und von denen jedes einen Pulswechselrichter (54) umfasst, der eingangsseitig über einen Zwischenkreis (50) mit einer darin angeordneten, parallel zum Pulswechselrichter (54) geschalteten Zwischenkreiskapazität (52) mit dem Versorgerkreis (4) verschaltet ist, und der ausgangsseitig an einen mehrphasigen Lastkreis (26) anschließbar ist. Im angegebenen Stromrichter ist der jeweilige Zwischenkreis (50) im Betrieb des Stromrichters (1) permanent leitend mit dem Versorgerkreis (4) verbunden. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Stromrichters (1), in welchem die Zwischenkreisspannungen (16) einzelner Submodule (2) des Stromrichters (1) auf näherungsweise gleichen Werten gehalten werden, indem in einem oder jedem Submodul (2) die jeweilige Zwischenkreisspannung (16) durch Variation eines feldbildenden Stromanteils (40) und/oder eines dreh-momentbildenden Stromanteils (42) eines durch den jeweiligen Pulswechselrichter (54) ausgangsseitig ausgegebenen Laststroms (36, 44) geregelt wird.The invention relates to a modular power converter (1) with at least two submodules (2), which are connected in series to a supply circuit (4) with a connectable DC voltage source (6), and each of which comprises a pulse inverter (54), the input side is connected to the supply circuit (4) via an intermediate circuit (50) having a DC link capacitance (52) connected in parallel to the pulse inverter (54) and connectable to a multiphase load circuit (26) on the output side. In the specified power converter, the respective intermediate circuit (50) is permanently conductively connected to the supply circuit (4) during operation of the power converter (1). Furthermore, the invention relates to a method for operating such a power converter (1), in which the DC link voltages (16) of individual submodules (2) of the power converter (1) are kept at approximately the same values by the respective in one or each submodule (2) DC link voltage (16) by variation of a field-forming current component (40) and / or a torque-forming current component (42) of the respective pulse inverter (54) output side output load current (36, 44) is controlled.

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Stromrichter mit mindestens zwei Submodulen, die eingangsseitig in Reihe an einen Versorgerkreis mit einer anschließbaren Gleichspannungsquelle geschaltet sind, und die ausgangsseitig an jeweils einen mehrphasigen Lastkreis anschließbar sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Stromrichters. The invention relates to a modular power converter with at least two submodules, which are connected on the input side in series to a supply circuit with a connectable DC voltage source, and the output side are connected to a respective multi-phase load circuit. The invention further relates to a method for operating such a power converter.

Eine Stromrichterschaltung der eingangs genannten Art ist in der WO 2013/092041 A1 zur elektrischen Energieversorgung der Motorwicklungen eines elektrischen Antriebsmotors in einem Fahrzeugantrieb offenbart. A power converter circuit of the type mentioned is in the WO 2013/092041 A1 discloses for electrical power supply of the motor windings of an electric drive motor in a vehicle drive.

Der dort genannte modulare Stromrichter ist dazu vorgesehen, eine Gleichspannung aus einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs in mehrere Wechselspannungen umzuwandeln. Die einzelnen Wechselspannungen werden dabei jeweils in mehreren Submodulen erzeugt, die in Reihe in den Versorgungsstromkreis der Traktionsbatterie geschaltet sind. Jedes Submodul ist dabei eingangsseitig über eine Halbbrücke mit dem Versorgungsstromkreis verbunden. Zur Erzeugung der mehrphasigen Wechselspannung weist jedes Submodul ausgangsseitig einen drei Halbbrücken umfassenden Pulswechselrichter auf, von denen jede über einen Laststromkreis mit jeweils einer Phasenwicklung des Antriebsmotors des Fahrzeugs verschaltet ist. Submodulintern sind die eingangsseitige Halbbrücke und der Pulswechselrichter zusammen mit einer Zwischenkreiskapazität bzw. einem Zwischenkreiskondensator in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis parallelgeschaltet. The modular power converter mentioned there is intended to convert a DC voltage from a traction battery of a vehicle into a plurality of AC voltages. The individual AC voltages are generated in each case in several sub-modules, which are connected in series in the supply circuit of the traction battery. Each submodule is connected on the input side via a half-bridge to the supply circuit. To generate the polyphase AC voltage, each submodule has on the output side a pulse generator comprising three half bridges, each of which is connected via a load circuit to a respective phase winding of the drive motor of the vehicle. Submoduletern the input side half-bridge and the pulse inverter are connected in parallel with a DC link capacitor or a DC link capacitor in a DC voltage intermediate circuit.

Im Betrieb des modularen Stromrichters, in dem über die Submodule des Stromrichters elektrische Leistung aus dem Versorgungsstromkreis in den jeweiligen Laststromkreis transportiert wird, werden die eingangsseitigen Halbbrücken der Submodule in Zusammenwirkung mit einer im Versorgungsstromkreis angeordneten Induktivität bzw. einer Drossel als Hochsetzsteller betrieben. Hierzu werden üblicherweise die Zwischenkreiskapazitäten der Submodule versetzt getaktet in den Versorgungsstromkreis geschaltet. Die eingangsseitigen Halbbrücken werden zu diesem Zweck in der Regel mit periodischen Trägersignalen angesteuert. During operation of the modular power converter, in which electrical power is transported from the supply circuit into the respective load circuit via the submodules of the power converter, the input half bridges of the submodules are operated in conjunction with an inductance or a choke arranged as a boost converter in the supply circuit. For this purpose, the DC link capacitances of the submodules are usually switched switched clocked into the supply circuit. The input half bridges are usually controlled for this purpose with periodic carrier signals.

Ein wichtiger Grund dafür, die Versorgung der Last mit mehrphasigem Wechselstrom auf mehrere in Reihe geschaltete Submodule aufzuteilen, ist die maximal zulässige Spannung (Sperrspannung) der in den Submodulen verwendeten Schaltelemente. Üblicherweise werden in Stromrichterschaltungen Bipolar- oder Feldeffekt-Transistoren (IGBT bzw. MOSFET) verwendet, welche hinsichtlich der Spannung einen vorgegebenen Arbeitsbereich aufweisen, oberhalb dessen es zu Beschädigungen der Transistoren kommen kann. An important reason for dividing the supply of the load with polyphase alternating current to several series-connected submodules is the maximum permissible voltage (blocking voltage) of the switching elements used in the submodules. Usually bipolar or field-effect transistors (IGBT or MOSFET) are used in power converter circuits, which have a predetermined working range in terms of voltage, above which damage to the transistors may occur.

Um die mögliche Leistungsabgabe der Stromrichterschaltung weitgehend ausreizen zu können, ohne die Schaltelemente zu gefährden, sind daher im Betrieb in den einzelnen Submodulen die jeweiligen Zwischenkreisspannungen mittels der Regelung der jeweiligen Hochsetzsteller zu begrenzen. Die Regelung soll hierbei auch Schwankungen der Batteriespannung ausgleichen und die über den einzelnen Submodulen abfallende Spannung symmetrieren, damit der Motor mit konstanter und in jeder Motorwicklung näherungsweise gleicher Spannung betrieben werden kann. In order to be able to largely exploit the possible power output of the converter circuit without endangering the switching elements, the respective intermediate circuit voltages must therefore be limited by means of the regulation of the respective boost converter during operation in the individual submodules. The control should also compensate for fluctuations in the battery voltage and balance the voltage drop across the individual submodules, so that the motor can be operated with a constant and in each motor winding approximately the same voltage.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten modularen Stromrichter hinsichtlich der Effizienz und des Regelbedarfes zu verbessern, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen verbesserten Stromrichters anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen modularen Stromrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. The object of the invention is to improve the said modular power converter in terms of efficiency and the control requirement, and to provide a method for operating such an improved power converter. This object is achieved by a modular power converter with the features of claim 1 and a method having the features of claim 7. Advantageous and partly inherently inventive embodiments and further developments of the invention are set forth in the dependent claims and the description below.

Die Erfindung geht aus von einem modularen Stromrichter mit mindestens zwei Submodulen, die eingangsseitig in Reihe an einen Versorgerkreis mit einer anschließbaren Gleichspannungsquelle geschaltet sind, und von denen jedes einen Pulswechselrichter umfasst, der eingangsseitig über einen Zwischenkreis mit einer darin angeordneten, parallel zum Pulswechselrichter geschalteten Zwischenkreiskapazität mit dem Versorgerkreis verschaltet ist, und der ausgangsseitig an einen mehrphasigen Lastkreis anschließbar ist. Erfindungsgemäß ist der jeweilige Zwischenkreis im Betrieb des Stromrichters permanent leitend mit dem Versorgerkreis verbunden. The invention is based on a modular power converter with at least two submodules, which are connected in series to a supply circuit with a connectable DC voltage source, and each of which comprises a pulse inverter, the input side via an intermediate circuit with an arranged therein, parallel to the pulse inverter switched DC link capacitance is connected to the supplier circuit, and the output side is connected to a multi-phase load circuit. According to the invention, the respective intermediate circuit is permanently conductively connected to the supply circuit during operation of the power converter.

Die Zwischenkreiskapazität wird vorzugsweise durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet. Insbesondere können die Zwischenkreiskapazitäten der einzelnen Submodule bis auf Toleranzen gleich sein. Der Zwischenkreis kann dabei – wie beim modularen Stromrichter nach Stand der Technik – grundsätzlich auch über einen Schalter mit dem Versorgerkreis verschaltet sein. Vorzugsweise ist der Zwischenkreis mit dem Versorgerkreis „festverdrahtet“, also über eine einfache Draht-Leitung oder Stromschiene galvanisch mit dem Versorgerkreis verbunden; sofern wie beim modularen Stromrichter nach Stand der Technik ein Schalter zwischen dem Zwischenkreis und dem Versorgerkreis angeordnet ist, ist dieser Schalter im Betrieb des Stromrichters permanent, also für die gesamte Dauer des Betriebszustandes, leitend geschaltet. Unter leitend ist hierbei ein ermöglichter nennenswerter Ladungsträgerfluss in beide Richtungen zu verstehen. The DC link capacitance is preferably formed by one or more capacitors. In particular, the DC link capacitances of the individual submodules can be the same except for tolerances. The DC link can - as in the modular power converter according to the prior art - basically be connected via a switch with the utility circuit. Preferably, the DC link is "hard-wired" to the utility circuit, that is, electrically connected to the utility circuit via a simple wire line or busbar; If, as in the case of the modular power converter according to the prior art, a switch is arranged between the intermediate circuit and the supply circuit, this switch is permanently switched during operation of the power converter, ie for the entire duration of the operating state. Under conductive this is to be understood as meaning a significant carrier flow in both directions.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Schaltelemente in einem modularen Stromrichter bei jedem Schaltvorgang einerseits einen Leistungsverlust verursachen, den es zu minimieren gilt. Da beispielsweise bei einem Ausschaltvorgang eine Sperrspannung nicht instantan aufgebaut werden kann, fließt über einen kurzen Zeitraum noch ein Reststrom, welcher im Schaltelement eine Verlustleistung verursacht. Andererseits ist für jedes Schaltelement eine Ansteuerung seitens einer wie auch immer gearteten Steuereinheit notwendig. Darüber hinaus kann gegebenenfalls eine Einbindung in einen Regelkreislauf vonnöten sein. Dementsprechend wird der Systemaufwand durch eine Einsparung der eingangsseitigen Halbbrücken in den Submodulen sowohl hinsichtlich des Bedarfes an Bauelementen als auch hinsichtlich der Komplexität verringert. The invention is based on the finding that the switching elements in a modular power converter on the one hand cause a power loss during each switching operation, which is to be minimized. For example, since a blocking voltage can not be instantaneously established during a turn-off, a residual current flows over a short period of time, which causes a power loss in the switching element. On the other hand, a control by any type of control unit is necessary for each switching element. In addition, if necessary, integration into a control circuit may be required. Accordingly, the overhead is reduced by saving the input half bridges in the submodules both in terms of device requirements and complexity.

Da im genannten Stand der Technik eine im Versorgerkreis angeordnete Induktivität in ihrer Hauptfunktion zusammen mit der eingangsseitigen Halbbrücke und der Zwischenkreiskapazität eines Submoduls einen Hochsetzsteller bildet, kann bei einem Einsparen der eingangsseitigen Halbbrücken offensichtlich auch der Versorgerkreis frei von einer Induktivität ausgebildet sein, was den Bauelementbedarf und damit die Kosten weiter reduziert. Since in the cited prior art arranged in the supplier circuit inductance in its main function together with the input side half-bridge and the DC link capacity of a submodule forms a step-up converter, can obviously be formed in a saving of input side half-bridges and the supply circuit of an inductor, which the device requirements and so that the costs are further reduced.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Stromrichters ist in mindestens einem der Submodule ein Symmetrierwiderstand parallel zur Zwischenkreiskapazität geschaltet. Vorzugsweise ist hierbei in jedem der Submodule ein derart geschalteter Symmetrierwiderstand vorgesehen. Während einer Pulssperre in einem Submodul, also in einer Betriebsphase, in der über den jeweiligen Pulswechselrichter keine Leistung an die Last abgegeben wird, kann an der Zwischenkreiskapazität die Spannung einen gewünschten Wert übersteigen. Über einen Symmetrierwiderstand kann ein Ladungsausgleich stattfinden, so dass die an der Zwischenkreiskapazität abfallende Spannung begrenzt werden kann. Hierdurch kann verhindert werden, dass Schaltelemente eines zur betreffenden Zwischenkreiskapazität parallel geschalteten Pulswechselrichters einer Überspannung ausgesetzt werden. In an advantageous development of the power converter, a balancing resistor is connected in parallel to the DC link capacitance in at least one of the submodules. In this case, a balancing resistor connected in this way is preferably provided in each of the submodules. During a pulse lock in a submodule, ie in an operating phase in which no power is delivered to the load via the respective pulse inverter, the voltage at the DC link capacitance may exceed a desired value. Charge compensation can take place via a balancing resistor so that the voltage drop across the intermediate circuit capacitance can be limited. This makes it possible to prevent switching elements of a pulse inverter connected in parallel with the relevant intermediate circuit capacitance from being exposed to an overvoltage.

Bevorzugt ist in mindestens einem der Submodule parallel zur Zwischenkreiskapazität ein elektrischer Bypass schaltbar angeordnet. Ein solcher elektrischer Bypass stellt eine Verbindung zwischen den galvanisch getrennten Elektroden der Zwischenkreiskapazität dar. Im Falle einer Überspannung an der Zwischenkreiskapazität eines Submoduls, beispielsweise während dynamischer Vorgänge wie Laständerungen und/oder Leistungsrückflüssen von der mehrphasigen Last, kann der elektrische Bypass zugeschaltet werden, und somit ein Ladungsausgleich erfolgen. Hierdurch kann die an der Zwischenkreiskapazität abfallende Spannung abgesenkt und somit verhindert werden, dass Schaltelemente des Pulswechselrichters im betreffenden Submodul einer Überspannung ausgesetzt werden. Insbesondere kann der elektrische Bypass wieder abgeschaltet werden, sobald ein gewünschter Schwellwert für diese Spannung unterschritten wird, so dass der Leistungsfluss zur Last optimiert wird. Preferably, an electrical bypass is arranged switchable in at least one of the submodules parallel to the DC link capacitance. Such an electrical bypass constitutes a connection between the galvanically isolated electrodes of the DC link capacitance. In the event of an overvoltage at the DC link capacitance of a submodule, for example during dynamic processes such as load changes and / or power returns from the polyphase load, the electrical bypass can be switched on, and thus a charge balance done. As a result, the voltage dropping across the intermediate circuit capacitance can be lowered and thus prevented that switching elements of the pulse-controlled inverter are subjected to an overvoltage in the relevant submodule. In particular, the electrical bypass can be switched off again as soon as a desired threshold value for this voltage is undershot, so that the power flow to the load is optimized.

Vorteilhafterweise ist der elektrische Bypass durch einen ohmschen Widerstand mit einem in Reihe geschalteten Schalter gebildet. Insbesondere ist hierbei unter einem ohmschen Widerstand ein Widerstand zu verstehen, welcher signifikant höher als ein Kurzschlusswiderstand im entsprechenden Submodul ist. Der ohmsche Widerstand kann dabei auch als ein Varistor ausgebildet sein, wobei dann kein gesondert anzusteuernder Schalter erforderlich ist. Ein schaltbarer ohmscher Widerstand ermöglicht es, beim Zuschalten eine Verlustleistung abzuführen. Bei einer Überspannung an einer Zwischenkreiskapazität wird ein Ladungsausgleich durch Zuschalten des elektrischen Bypasses somit nicht einfach dadurch erreicht, dass die Überspannung über eine leitende Verbindung kurzgeschlossen wird, und somit aufgrund eines fehlenden Spannungsabfalles eine Überspannung in einem anderen Submodul entstehen könnte. Vielmehr führt ein ohmscher Widerstand aufgrund der abgeführten Verlustleistung über den damit verbundenen Spannungsabfall im Bypass zu einem kontrollierten Absenken der Überspannung. Advantageously, the electrical bypass is formed by an ohmic resistance with a series-connected switch. In particular, an ohmic resistance is to be understood as a resistance which is significantly higher than a short-circuit resistance in the corresponding submodule. The ohmic resistance can also be designed as a varistor, in which case no separately to be controlled switch is required. A switchable ohmic resistor makes it possible to dissipate a power loss when connecting. In the event of an overvoltage at a DC link capacitance, charge compensation by switching on the electrical bypass is thus not achieved simply by short-circuiting the overvoltage via a conductive connection, and thus could result in overvoltage in another submodule due to a missing voltage drop. Rather, an ohmic resistance leads due to the dissipated power loss on the associated voltage drop in the bypass to a controlled lowering of the overvoltage.

Alternativ ist es möglich, dass der elektrische Bypass durch eine Überspannungsschutzschaltung gebildet ist. Insbesondere kann die Überspannungsschutzschaltung auch aus einem einzelnen Schaltelement, beispielsweise einer Zener-Diode oder einer Avalanche-Diode, gebildet sein, welche in Sperrrichtung zur betriebsgemäßen Gleichspannung des Versorgerkreises geschaltet ist. Eine derartige Diode arbeitet in Durchlassrichtung wie eine normale Diode, verfügt aber in Sperrrichtung über eine exakt referenzierte Durchbruchspannung, jenseits derer der Widerstand deutlich verringert ist, wobei der Durchbruch bis zu einer bauteilabhängigen Maximalleistung reversibel ist und die Diode nicht beschädigt. Daher kann eine solche Diode zur Begrenzung von Spannungen eingesetzt werden, indem eine Überspannung an der in Sperrrichtung geschalteten Diode einen Durchbruch verursacht und dementsprechend abfallen kann. Alternatively, it is possible that the electrical bypass is formed by an overvoltage protection circuit. In particular, the overvoltage protection circuit can also be formed from a single switching element, for example a Zener diode or an avalanche diode, which is connected in the reverse direction to the operational DC voltage of the supply circuit. Such a diode operates in the forward direction as a normal diode, but has in the reverse direction over a precisely referenced breakdown voltage, beyond which the resistance is significantly reduced, the breakthrough is reversible up to a component-dependent maximum power and the diode is not damaged. Therefore, such a diode can be used to limit voltages by causing an overvoltage on the reverse-connected diode to break through and drop accordingly.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Stromrichter eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, für eines oder jedes der Submodule die jeweilige Zwischenkreisspannung durch Variation eines feldbildenden Stromanteils und/oder eines drehmomentbildenden Stromanteils eines durch den jeweiligen Pulswechselrichter ausgangsseitig ausgegebenen Laststroms zu regeln. In an advantageous embodiment, the power converter comprises a control unit which is set up for each or each of the submodules the respective intermediate circuit voltage by varying a field-forming current component and / or a To regulate torque-forming current component of a output by the respective pulse inverter output side load current.

Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb eines vorbeschriebenen Stromrichters ist vorgesehen, dass die Zwischenkreisspannungen einzelner Submodule des Stromrichters auf näherungsweise gleichen Werten gehalten werden, indem in einem oder jedem Submodul die jeweilige Zwischenkreisspannung über Sollwerte für einen feldbildenden und/oder einen drehmomentbildenden Stromanteil eines durch den jeweiligen Pulswechselrichter ausgangsseitig ausgegebenen Laststroms geregelt wird. With regard to the method for operating a converter described above, it is provided that the intermediate circuit voltages of individual submodules of the power converter are kept at approximately the same values by the respective DC link voltage in one or each submodule over set values for a field-forming and / or a torque-forming current component through the respective pulse inverter output side output load current is controlled.

Unter näherungsweise gleichen Werten ist hierbei zu verstehen, dass die relative Abweichung einer Zwischenkreisspannung vom anzunehmenden Durchschnittswert, welcher gegeben ist durch die Gleichspannung des Versorgerkreises geteilt durch die Anzahl der Submodule, in einem eng begrenzten, vorher zu definierenden Bereich bleibt. Dieser Bereich kann gegeben sein durch eine Abweichung von bis zu 20%, bevorzugt bis zu 10%, bevorzugt bis zu 5%. Hierzu kann die Batteriespannung und/oder die jeweilige Zwischenkreisspannung gemessen werden. By approximately equal values, it is to be understood here that the relative deviation of an intermediate circuit voltage from the average value, which is given by the DC voltage of the supply circuit divided by the number of submodules, remains within a narrowly defined range to be predefined. This range can be given by a deviation of up to 20%, preferably up to 10%, preferably up to 5%. For this purpose, the battery voltage and / or the respective intermediate circuit voltage can be measured.

Vereinfacht dargestellt bedeutet eine Überspannung an einer Zwischenkreiskapazität eine erhöhte Konzentration von Ladungen. Diese gilt es über einen geeigneten Mechanismus aus dem Submodul abzuführen. Der daraus resultierende erhöhte Ladungsfluss bedeutet daher eine Erhöhung der Ausgangsstromstärke, welche an die Last abgegeben wird. Aus einem Submodul wird ein Strom zur Last zunächst in Abhängigkeit von einer übergeordneten Leistungsregelung ausgegeben. Hierzu werden Sollwerte für einen drehmoment- und/oder einen feldbildenden Stromanteil des Ausgangsstromes ermittelt. Im Submodul mit der größten Zwischenkreisspannung können nun diese Sollwerte entsprechend erhöht werden, so dass der Ladungsfluss aus diesem Submodul an die Last erhöht wird. Durch das Abfließen eines Teils der Ladung sinkt die entsprechende Spannung, welche am Zwischenkreiskondensator abfällt. In simple terms, an overvoltage at a DC link capacitance means an increased concentration of charges. This should be removed from the submodule via a suitable mechanism. The resulting increased charge flow therefore means an increase in the output current that is delivered to the load. From a submodule, a current is first output to the load as a function of a higher-level power control. For this purpose, setpoint values for a torque and / or a field-forming current component of the output current are determined. In the submodule with the largest intermediate circuit voltage, these setpoint values can now be correspondingly increased so that the charge flow from this submodule to the load is increased. Due to the outflow of a portion of the charge, the corresponding voltage drops, which drops at the DC link capacitor.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zwischenkreisspannung in einem oder jedem Submodul kontrolliert, und es wird, wenn im entsprechenden Submodul die Zwischenkreisspannung einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, im Submodul parallel zur Zwischenkreiskapazität ein elektrischer Bypass zugeschaltet, bis im entsprechenden Submodul die Zwischenkreisspannung einen vordefinierten Schwellwert unterschreitet. Eine Überspannung in einem Zwischenkreis kann vereinfacht als eine kritisch erhöhte Konzentration von Ladungsträgern in der Zwischenkreiskapazität aufgefasst werden. Durch ein Zuschalten des Bypasses existiert im Submodul eine Möglichkeit des Ladungsausgleiches an der Zwischenkreiskapazität vorbei, so dass die Zwischenkreisspannung absinkt. Vorzugsweise wird im Bypass der Ladungsausgleich nicht durch ein einfaches Kurzschließen des Zwischenkreises erreicht, sondern auch eine Leistungsabfuhr, insbesondere über einen ohmschen Widerstand, herbeigeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Überspannung im Zwischenkreis des Submoduls nicht einfach nahezu unverändert in ein anderes Submodul verlagert wird. In an advantageous embodiment of the method, the intermediate circuit voltage is controlled in one or each submodule and, if the intermediate circuit voltage in the corresponding submodule exceeds a predefined limit value, an electrical bypass is activated in the submodule parallel to the intermediate circuit capacitance until the intermediate circuit voltage in the corresponding submodule has a predefined threshold value below. An overvoltage in a DC link can be understood in a simplified way as a critically increased concentration of charge carriers in the DC link capacitance. By connecting the bypass there is a possibility of charge compensation at the intermediate circuit capacity in the submodule, so that the intermediate circuit voltage drops. Preferably, in the bypass, the charge balance is not achieved by a simple short-circuiting of the intermediate circuit, but also a power dissipation, in particular via an ohmic resistance, brought about. This ensures that the overvoltage in the DC bus of the submodule is not simply shifted almost unchanged to another submodule.

Bei einem Unterschreiten des vordefinierten Schwellwertes kann der Bypass dann wieder abgeschaltet werden. Durch diesen Verfahrensschritt kann ein Submodul wirksam vor einer Überspannung geschützt werden, welche beispielsweise während einer Laständerung oder eines Leistungsrückflusses von der mehrphasigen Last auftreten kann, und dann die im Pulswechselrichter des Submoduls angeordneten Schaltelemente gefährden kann. If the predefined threshold value is undershot, the bypass can then be switched off again. By means of this method step, a submodule can be effectively protected from an overvoltage which can occur, for example, during a load change or a power return flow from the multiphase load, and can then jeopardize the switching elements arranged in the pulse inverter of the submodule.

Bevorzugt wird durch das Verfahren in einem Submodul zunächst die Zwischenkreiskapazität über einen zu ihr parallelen Symmetrierwiderstand und/oder über einen zu ihr parallelen, schaltbaren elektrischen Bypass entladen, und dann das Submodul über mindestens eine Halbbrücke des Pulswechselrichters kurzgeschlossen. Dies stellt einen stabilen Betrieb des Stromrichters selbst im Fehlerfall sicher, beispielsweise bei einem Defekt in einem leistungselektronischen Element des Submoduls. Insbesondere kann hierbei ein elektrischer Bypass mittels eines ohmschen Widerstandes bei einem Entladen der Zwischenkreiskapazität eine Verlustleistung herbeiführen. In einem fehlerhaften Submodul wird eine mögliche Überspannung somit zunächst in einer für die Schaltelemente des Submoduls und für die anderen Submodule ungefährlichen Weise abgebaut. Anschließend wird durch den Kurzschluss des Submoduls über mindestens eine der Halbbrücken des Pulswechselrichters erreicht, dass die anderen Submodule des Stromrichters den ordnungsgemäßen Betrieb ohne das fehlerhafte Submodul aufrecht erhalten können. Preferably, by the method in a submodule first the DC link capacitance is discharged via a parallel to it balancing resistor and / or via a parallel, switchable electrical bypass, and then shorted the submodule via at least one half-bridge of the pulse inverter. This ensures stable operation of the converter even in the event of a fault, for example in the case of a defect in a power electronic element of the submodule. In particular, in this case, an electrical bypass by means of an ohmic resistance at a discharge of the DC link capacitance cause a power loss. In a faulty submodule, a possible overvoltage is thus first degraded in a manner which is harmless for the switching elements of the submodule and for the other submodules. Subsequently, it is achieved by the short circuit of the submodule via at least one of the half bridges of the pulse inverter that the other submodules of the power converter can maintain proper operation without the faulty submodule.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Hereby show:

1 in einer schematischen Darstellung ein vereinfachtes Schaltbild eines modularen Stromrichters mit mehreren in Reihe geschalteten Submodulen, an welchen jeweils eine mehrphasige Last angebunden ist, und 1 in a schematic representation of a simplified circuit diagram of a modular power converter with a plurality of submodules connected in series, to each of which a multi-phase load is connected, and

2 in einer schematischen Darstellung ein vereinfachtes Schaltbild eines Submoduls des modularen Stromrichters nach 1. 2 in a schematic representation of a simplified circuit diagram of a submodule of the modular converter after 1 ,

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and sizes are provided in all figures with the same reference numerals.

In 1 ist in einer schematischen Darstellung das Schaltbild eines modularen Stromrichters 1 mit vier Submodulen 2 gezeigt. Die Submodule 2 sind in Reihe in einen Versorgerkreis 4 geschaltet, in welchem eine Gleichspannungsquelle 6, hier als Batterie 7 ausgebildet, dazu eingerichtet ist, im Betrieb des modularen Stromrichters 1 eine Gleichspannung 8 bereitzustellen. Durch diese Gleichspannung 8 werden die Submodule 2 im Betrieb mit einem Gleichstrom 10 versorgt. In 1 is a schematic representation of the diagram of a modular power converter 1 with four submodules 2 shown. The submodules 2 are in series in a utility circle 4 switched, in which a DC voltage source 6 , here as a battery 7 designed to be configured in the operation of the modular power converter 1 a DC voltage 8th provide. By this DC voltage 8th become the submodules 2 in operation with a direct current 10 provided.

Jedes Submodul 2 weist eingangsseitig eine erste Eingangsklemme 12 und eine zweite Eingangsklemme 14 auf, zwischen denen eine Teilspannung 16 abfällt. Ausgangsseitig weist jedes Submodul 2 drei Ausgangsklemmen 20, 22, 24 auf, welche über Leitungen 21, 23, 25 jeweils an einen dreiphasigen Lastkreis 26 angeschlossen sind. Der Lastkreis 26 wird im Ausführungsbeispiel durch einzelne Motorwicklungen 28 eines Elektromotors 30 gebildet, welche in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Des Weiteren umfasst der modulare Stromrichter 1 eine Steuereinheit 32, welche an die Submodule 2 Steuersignale 34 übermittelt, gemäß derer die Submodule 2 den aus dem Versorgerkreis 4 bereitgestellten Gleichstrom 10 in einen dreiphasigen Wechselstrom 36 umwandeln und an den Lastkreis 26 abgeben. Hierzu kann die Steuereinheit 32 ein Regelsignal 38 empfangen, welches von einem an den Leitungen 21, 23, 25 abgreifenden Sensor 39 gesendet wird und Aufschluss über einen feldbildenden Anteil 40 und einen drehmomentbildenden Anteil 42 des an den Lastkreis 26 ausgegebenen Laststromes 44 gibt. Each submodule 2 has on the input side a first input terminal 12 and a second input terminal 14 on, between which a partial tension 16 drops. On the output side, each submodule has 2 three output terminals 20 . 22 . 24 on which via wires 21 . 23 . 25 each to a three-phase load circuit 26 are connected. The load circuit 26 is in the embodiment by individual motor windings 28 an electric motor 30 formed, which are shown schematically in the drawing. Furthermore, the modular power converter includes 1 a control unit 32 which are connected to the submodules 2 control signals 34 according to which the submodules 2 from the supplier circle 4 provided direct current 10 in a three-phase alternating current 36 convert and to the load circuit 26 submit. For this purpose, the control unit 32 a control signal 38 which one of the wires 21 . 23 . 25 tapping sensor 39 is sent and information about a field-forming portion 40 and a torque-forming portion 42 to the load circuit 26 output load current 44 gives.

Überschreitet an einem bestimmten Submodul 2 eine Teilspannung 16 einen vorgegebenen Grenzwert, kann die Steuereinheit 32 den feldbildenden Anteil 40 und/oder den drehmomentbildenden Anteil 42 des vom betreffenden Submodul abgegebenen Laststromes 44 auf Basis des Regelsignals 38 in noch zu beschreibender Weise dahingehend verändern, dass durch eine veränderte Leistungsabgabe an den Lastkreis 26 die Teilspannung 16 einen vorgegeben Schwellwert wieder unterschreitet, ohne dass hierbei das Drehmoment des Elektromotors 30 wesentlich verändert wird. Exceeds at a certain submodule 2 a partial voltage 16 a predetermined limit, the control unit 32 the field-forming part 40 and / or the torque-forming portion 42 of the load delivered by the submodule concerned 44 based on the control signal 38 in a manner to be described to change that by an altered power output to the load circuit 26 the partial tension 16 falls below a predetermined threshold again, without in this case the torque of the electric motor 30 is changed significantly.

In 2 ist in schematischer Darstellung ein vereinfachtes Schaltbild eines Submoduls 2 des modularen Stromrichters 1 gezeigt. Zwischen der ersten Eingangsklemme 12 und der zweiten Eingangsklemme 14 ist ein Zwischenkreis 50 angeordnet, in welchem eine Zwischenkreiskapazität 52 angeordnet ist. Parallel zum Zwischenkreis 50 ist ein Pulswechselrichter 54 geschaltet. Der Pulswechselrichter 54 wird gebildet durch drei im Zwischenkreis 50 parallel geschaltete Halbbrücken 56, welche ihrerseits gebildet werden durch je zwei Schalter 58, 60, zwischen denen jeweils an einer Ausgangsklemme 20, 22, 24 eine Leitung 21, 23, 25 zu je einer Motorwicklung 28 im Lastkreis 26 führt. Parallel zu jedem Schalter 58, 60 ist eine Freilaufdiode 62 in Sperrrichtung zur betriebsgemäßen Gleichspannung 8 des Versorgerkreises 4 angeordnet. Da die Funktionsweise des Pulswechselrichters 54 dem Fachmann bekannt ist, wird auf diese nicht näher eingegangen. In 2 is a schematic representation of a simplified circuit diagram of a submodule 2 of the modular power converter 1 shown. Between the first input terminal 12 and the second input terminal 14 is a DC link 50 arranged, in which a DC link capacity 52 is arranged. Parallel to the DC link 50 is a pulse inverter 54 connected. The pulse inverter 54 is formed by three in the intermediate circuit 50 parallel half bridges 56 , which in turn are formed by two switches 58 . 60 , between each of which at an output terminal 20 . 22 . 24 a line 21 . 23 . 25 to one motor winding each 28 in the load circuit 26 leads. Parallel to each switch 58 . 60 is a freewheeling diode 62 in the reverse direction to the operational DC voltage 8th of the supplier circle 4 arranged. Because the functioning of the pulse inverter 54 the expert is known, will not be discussed in more detail.

Parallel zur Zwischenkreiskapazität 52 ist im Zwischenkreis 50 des Weiteren ein Symmetrierwiderstand 64 und ein schaltbarer elektrischer Bypass 66 angeordnet, welcher durch einen Schalter 68 und einen ohmschen Widerstand 70 gebildet wird. Parallel zum Schalter 68 ist eine Freilaufdiode 62 vorgesehen. Der Schalter 68 und der ohmsche Widerstand 70 können in ihrer Reihenfolge innerhalb des Bypasses 66 auch vertauscht angeordnet sein. Parallel to the DC link capacity 52 is in the DC link 50 Furthermore, a balancing resistor 64 and a switchable electrical bypass 66 arranged, which by a switch 68 and an ohmic resistance 70 is formed. Parallel to the switch 68 is a freewheeling diode 62 intended. The desk 68 and the ohmic resistance 70 can in their order within the bypass 66 also be arranged reversed.

Im Zwischenkreis 50 fällt nun als Zwischenkreisspannung eine Teilspannung 16 über der Zwischenkreiskapazität 52 ab. Der Strom 72 im Zwischenkreis 50 wird vom Pulswechselrichter 54 in einen dreiphasigen Wechselstrom 36 umgewandelt, welcher als Laststrom 44 an die Motorwicklungen 28 im Lastkreis 26 abgegeben wird. Ist nun die Teilspannung 16 in einem Submodul 2 kritisch größer als der anzunehmende Mittelwert aller Teilspannungen 16, gegeben durch die Gleichspannung 8 der Gleichspannungsquelle 6 geteilt durch die Anzahl der Submodule 2 (hier: vier), so kann im betreffenden Submodul 2 der Sollwert für den Ausgabestrom 44, welcher in Abhängigkeit des vom Elektromotor 30 zu erzeugenden Drehmoments ermittelt wird, um einen Korrekturstrom erhöht werden. Dieser Korrekturstrom ist auf die drei Strangströme, welche vom betreffenden Submodul über die Leitungen 21, 23, 25 zu den entsprechenden Motorwicklungen geführt werden, unter Berücksichtigung des jeweiligen Schaltzustandes jeder der drei Halbbrücken 56 des Pulswechselrichters 54 in für den Fachmann bekannter Weise aufzuteilen. In the intermediate circuit 50 now falls as a DC link voltage a partial voltage 16 over the DC link capacity 52 from. The current 72 in the intermediate circuit 50 is from the pulse inverter 54 in a three-phase alternating current 36 converted, which as a load current 44 to the motor windings 28 in the load circuit 26 is delivered. Is now the partial voltage 16 in a submodule 2 critically larger than the assumed average of all partial voltages 16 given by the DC voltage 8th the DC voltage source 6 divided by the number of submodules 2 (here: four), so in the relevant submodule 2 the setpoint for the output current 44 , which depends on the electric motor 30 to be generated torque is increased to a correction current. This correction current is based on the three phase currents flowing from the relevant submodule via the lines 21 . 23 . 25 to the corresponding motor windings are performed, taking into account the respective switching state of each of the three half-bridges 56 of the pulse inverter 54 to divide in a manner known to those skilled in the art.

Überdies kann im Fall einer kritisch erhöhten Teilspannung 16 im Zwischenkreis 50 der Schalter 68 im elektrischen Bypass 66 geschlossen werden, so dass die an der Zwischenkreiskapazität 52 konzentrierten Ladungen über den Widerstand 70 unter Erzeugung einer Verlustleistung abfließen können, ohne dass ein kritischer Ladungsträgerüberschuss an der Zwischenkreiskapazität 52 durch einen Kurzschluss in ein anderes Submodul 2 verlagert wird. Ist einer der Schalter 58, 60 im Pulswechselrichter 54 eines Submoduls 2 defekt, kann über das oben beschriebene Verfahren die Zwischenkreiskapazität 52 zunächst entladen werden, und dann das Submodul 2 über die Schalter 58, 60 einer nicht defekten Halbbrücke 56 kurzgeschlossen werden, um so den ordnungsgemäßen Betrieb des modularen Stromrichters 1 sichern zu können. Moreover, in the case of a critically elevated partial stress 16 in the intermediate circuit 50 the desk 68 in the electrical bypass 66 be closed, so that at the DC link capacity 52 concentrated charges across the resistor 70 can dissipate generating a power loss, without a critical charge carrier excess at the DC link capacitance 52 through a short circuit to another submodule 2 is relocated. Is one of the switches 58 . 60 in the pulse inverter 54 a submodule 2 defective, the DC link capacity can be changed via the procedure described above 52 be discharged first, and then the submodule 2 over the switches 58 . 60 a non-defective half-bridge 56 be shorted so as to proper operation of the modular power converter 1 to secure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2013/092041 A1 [0002]

Claims

Modular converter ( 1 ) with at least two submodules ( 2 ), the input side in series to a supplier circuit ( 4 ) with a connectable DC voltage source ( 6 ), and each of which has a pulse inverter ( 54 ), the input side via a DC link ( 50 ) arranged therein, parallel to the pulse inverter ( 54 ) connected DC link capacitance ( 52 ) with the supplier circle ( 4 ) and the output side to a multiphase load circuit ( 26 ), whereby the respective intermediate circuit ( 50 ) during operation of the power converter ( 1 ) permanently conductive with the supply circuit ( 4 ) connected is.

Power converter ( 1 ) according to claim 1, wherein in at least one of the submodules ( 2 ) a balancing resistor ( 64 ) parallel to the DC link capacitance ( 52 ) is switched.

Power converter ( 1 ) according to claim 1 or claim 2, wherein in at least one of the submodules ( 2 ) parallel to the DC link capacitance ( 52 ) an electrical bypass ( 66 ) is arranged switchable.

Power converter ( 1 ) according to claim 3, wherein the electrical bypass ( 66 ) by an ohmic resistance ( 70 ) with a series-connected switch ( 68 ) is formed.

Power converter ( 1 ) according to claim 3, wherein the electrical bypass ( 66 ) is formed by an overvoltage protection circuit.

Power converter ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, with a control unit ( 34 ), which is adapted for one or each of the submodules ( 2 ) the respective DC link voltage ( 16 ) by varying a field-forming current component ( 40 ) and / or a torque-forming current component ( 42 ) one through the respective pulse inverter ( 54 ) Output current output ( 36 . 44 ).

Method for operating a power converter given according to one of the preceding claims ( 1 ), in which the DC link voltages ( 16 ) of individual submodules ( 2 ) of the power converter ( 1 ) are kept at approximately the same values by using in one or each submodule ( 2 ) the respective DC link voltage ( 16 ) by varying a field-forming current component ( 40 ) and / or a torque-forming current component ( 42 ) one through the respective pulse inverter ( 54 ) Output current output ( 36 . 44 ) is regulated.

A method according to claim 7 for operating a power converter according to claim 3 to claim 5 ( 1 ), the DC link voltage ( 16 ) in one or each submodule ( 2 ) and, if in the corresponding submodule ( 2 ) the DC link voltage ( 16 ) exceeds a predefined limit, in the submodule ( 2 ) parallel to the DC link capacitance ( 52 ) an electrical bypass ( 66 ) is switched on until in the corresponding submodule ( 2 ) the DC link voltage ( 16 ) falls below a predefined threshold.

Method according to Claim 7 or Claim 8 for operating a power converter (according to Claim 2 to Claim 5) ( 1 ), where in a submodule ( 2 ) first the DC link capacitance ( 52 ) via a parallel to it balancing resistor ( 64 ) and / or via an electrical bypass parallel to it ( 66 ) and then the submodule ( 2 ) via at least one half-bridge ( 56 ) of the pulse inverter ( 54 ) is short-circuited.