DE102019120615B3 - Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges - Google Patents

Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges Download PDF

Info

Publication number
DE102019120615B3
DE102019120615B3 DE102019120615.4A DE102019120615A DE102019120615B3 DE 102019120615 B3 DE102019120615 B3 DE 102019120615B3 DE 102019120615 A DE102019120615 A DE 102019120615A DE 102019120615 B3 DE102019120615 B3 DE 102019120615B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
module
connection
busbar
semiconductor switch
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102019120615.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Stefan Götz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
Priority to DE102019120615.4A priority Critical patent/DE102019120615B3/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102019120615B3 publication Critical patent/DE102019120615B3/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst, bei dem jedes Modul eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilig äußeren Halbbrücken durch eine äußere obere Stromschiene, die jeweilig inneren Halbbrücken durch eine innere obere Stromschiene und alle Halbbrücke durch eine untere Stromschiene miteinander verbunden werden, bei dem zwischen der inneren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene ein erster Energiespeicher und zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene ein Verbindungsschalter angeordnet wird, wobei durch ein so gebildetes Modul mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht wird.The invention relates to a method for providing extended switching states in a modular multilevel converter with half bridges, in which the modular multilevel converter comprises at least one strand with a first outer module, a second outer module and at least one inner module, in which each module has a first side and a having second side, which each comprise a first module connection and a second module connection, in which each side has an outer and an inner half-bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch and a respective associated freewheeling diode, the respective outer half-bridges by an outer upper Busbar, the respective inner half-bridges are connected to one another by an inner upper busbar and all half-bridges are connected to one another by a lower busbar, with a first energy store between the inner upper busbar and the lower busbar and between A connection switch is arranged in the outer upper busbar and the inner upper busbar, with at least one serial and parallel connection of the first energy store of the respective module with the respective first energy stores of adjacent modules being made possible by a module formed in this way.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände mit einem effizienten Überspringen eines jeweiligen Energiespeichers in einem modularen Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter als Basistopologie mehrere Halbbrücken aufweist. Ferner wird eine Schaltung zu diesen effizienten Schaltzuständen beansprucht.The present invention relates to a method for providing extended switching states with an efficient skipping of a respective energy store in a modular multilevel converter, the modular multilevel converter having a plurality of half bridges as the base topology. A circuit for these efficient switching states is also claimed.

Ein modulares Multilevelkonvertersystem, bspw. ein MMSPC beschrieben in „ Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 , erzeugt Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in Modulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände. Wird bspw. zwischen zwei Anschlussterminals durch die Module eine leicht geringere Spannung erzeugt als die Terminals aufweisen, fließt Strom und somit Ladung in die Energiespeicher der Module. Werden etwas mehr Module in Serie geschaltet, fließt Strom aus den Speichern dieser Module in die Anschlussterminals. Durch eine gezielte Regelung lassen sich Ströme und Spannungen sehr fein steuern. In einem solchen Prozess verhalten sich die Energiespeicher wie Eimer, die zeitweise von außen gefüllt oder entleert werden. Eine Steuerung kann dabei durch eine als Scheduling bezeichnete geeignete Auswahl der Schaltzustände jedes einzelnen Moduls entscheiden, welches Modul bei einem in einen Multilevelkonverter fließenden Strom geleert, gefüllt oder nicht beeinflusst wird.A modular multilevel converter system, for example an MMSPC described in " Goetz, SM; Peterchev, AV; Weyh, T., "Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109 / TPEL.2014.2310225 , generates voltage differences between two connection terminals, for example an energy network or a traction system of an electric car, by configuring an electrical connection of energy stores in modules and by switching modulation between switching states to form any intermediate states. If, for example, the modules generate a slightly lower voltage between two connection terminals than the terminals have, current and thus charge flow into the energy stores of the modules. If a few more modules are connected in series, current flows from the memories of these modules into the connection terminals. By means of targeted regulation, currents and voltages can be controlled very finely. In such a process, the energy stores behave like buckets that are temporarily filled or emptied from the outside. A controller can use a suitable selection of the switching states of each individual module, called scheduling, to decide which module is emptied, filled or not influenced by a current flowing into a multilevel converter.

Die Druckschrift WO 2017/016601 A1 offenbart hierzu einen modularen Multilevelkonverter, der einen bidirektionalen Schalter aufweist, durch den Strom in beiden Richtungen fließen kann. Die Teilmodule des beschriebenen modularen Multilevelkonverters sind auch in der Lage, höhere Spitzenströme zu führen.The publication WO 2017/016601 A1 discloses a modular multilevel converter that has a bidirectional switch through which current can flow in both directions. The sub-modules of the modular multilevel converter described are also able to carry higher peak currents.

Ein wesentliches Ziel bei einem Betrieb von modularen Multilevelkonvertern ist es, alle Energiespeicher ähnlich geladen zu halten oder zumindest zu vermeiden, dass einzelne Module über- oder unterladen werden. Daraus ergibt sich ein erster Ladungsausgleichmechanismus: ein jeweiliger Energieinhalt der Energiespeicher kann kontrolliert und beeinflusst werden, indem gezielt Module ladend in einen Stromfluss geschaltet (Eimer in den Wasserfluss gehalten werden) oder entladend in den Stromfluss geschaltet werden (Eimer mit in den bereits fließenden Wasserstrahl gegossen werden). Durch Messung oder Schätzung eines Ladezustandes oder der Spannung jedes Energiespeichers kann entsprechend durch die Steuerung ausgleichend eingegriffen werden.An essential goal in the operation of modular multilevel converters is to keep all energy stores similarly charged or at least to avoid that individual modules are overloaded or undercharged. This results in a first charge balancing mechanism: a respective energy content of the energy storage devices can be controlled and influenced by specifically switching modules into a current flow for charging (holding buckets in the water flow) or discharging them into the current flow (pouring buckets into the already flowing water jet) become). By measuring or estimating a state of charge or the voltage of each energy store, the controller can intervene accordingly.

Ferner kann auf diese Weise Ladung und Energie von einem Modul zu einem anderen Modul transferiert werden, indem bspw. ein Modul positiv in Serie und ein anderes Modul negativ in Serie geschaltet wird, oder, im Falle von Wechselstrom, eines der Module bevorzugt bei einer positiven Halbwelle (in Serienschaltung) eingesetzt wird, das Modul sich aber bei einer negativen Halbwelle vorzugsweise bspw. in einem Bypass-Betrieb befindet. Das andere Modul wird dann genau entgegengesetzt behandelt.Furthermore, charge and energy can be transferred from one module to another module in this way, for example by connecting one module positively in series and another module negatively in series, or, in the case of alternating current, one of the modules preferably with a positive one Half wave (in series connection) is used, but the module is preferably in a bypass mode in the case of a negative half wave. The other module is then treated in exactly the opposite way.

Bei modularen Multilevelkonvertern mit der Möglichkeit der Parallelschaltung von Modulen, bspw. beschrieben in der US-amerikanischen Druckschrift US 9,496,799 B2 , kann außerdem ein zweiter Prozess des Ladungs- und Energietransfers genutzt werden, indem zwei oder mehr Module mit gering unterschiedlich geladenen Energiespeichern zeitweise parallel verbunden werden. Die Ausgleichsströme vom volleren zum leereren Energiespeicher gleichen entsprechend die Ladung, Spannung und/oder Energie aus.In the case of modular multilevel converters with the possibility of connecting modules in parallel, for example described in the US publication US 9,496,799 B2 , a second process of charge and energy transfer can also be used by temporarily connecting two or more modules with slightly differently charged energy stores in parallel. The equalizing currents from the full to the empty energy storage equalize the charge, voltage and / or energy accordingly.

Allerdings kann Energie zwischen Modulen, und damit zwischen deren jeweiligen Energiespeichern, nur sehr begrenzt oder mit hohen Verlusten ausgetauscht werden, obwohl schon in einem Normalbetrieb eine zeitweise unterschiedlich starke Belastung der Module vorliegen kann, insbesondere wenn unterschiedliche Abgriffe für jeweils unterschiedliche Traktionsmaschinen eingesetzt werden. Dies betrifft bspw. in einer Mehrmaschinenkonfiguration den üblichen Fall, dass die einzelnen Traktionsmaschinen in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden, aber auch dass aufgrund der Wechselspannung eine Last je Modul mit einer Frequenz der Wechselspannung bzw. deren Harmonischen (insbesondere der doppelten Frequenz der Wechselspannung) fluktuieren kann. Diese Fluktuationen sind aufgrund des zeitlichen Versatzes der unterschiedlichen Phasen nicht zeitlich synchron und könnten sich zu nahezu konstanter Last kompensieren, wenn denn ein substantieller und effizienter Leistungsaustausch zwischen Modulen unterschiedlicher Abgriffe oder Stränge möglich wäre.However, energy between modules, and thus between their respective energy stores, can be exchanged only to a very limited extent or with high losses, although even during normal operation the modules can be loaded to different extents at times, in particular if different taps are used for different traction machines. In a multi-machine configuration, for example, this applies to the usual case that the individual traction machines are operated at different operating points, but also that due to the alternating voltage, a load per module can fluctuate with a frequency of the alternating voltage or its harmonics (in particular twice the frequency of the alternating voltage) . These fluctuations are not synchronized in time due to the time offset of the different phases and could compensate for an almost constant load if a substantial and efficient exchange of power between modules of different taps or lines would be possible.

Die US-amerikanische Druckschrift US 2019/0052187 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines mehrstufigen modularen Umrichters, dessen Module mit Doppel-Submodulen gebildet werden. Ein jeweilig in einem Submodul angeordneter Energiespeicher kann zwar über zwei Strompfade umgangen werden, eine Parallelschaltung oder ein Energieaustausch von Energiespeichern über ein jeweiliges Doppel-Submodul hinaus ist aber nicht möglich.The US publication US 2019/0052187 A1 discloses a method for controlling a multi-stage modular converter, the modules of which are formed with double submodules. An energy store arranged in each case in a submodule can be bypassed via two current paths, a parallel connection or an energy exchange of energy stores via one the respective double submodule is not possible.

Die WO 2016/ 012 247 A1 betrifft kaskadierte Stromrichter mit Vierpolmodulen und verwirklicht das Prinzip, dass sich beliebige Module eines Stranges unter Umgehung von Energiespeichern in dazwischen liegenden Modulen parallel schalten lassen.The WO 2016/012 247 A1 relates to cascaded power converters with four-pole modules and realizes the principle that any modules in a line can be connected in parallel by bypassing energy storage in modules in between.

Die DE 10 2015 106 196 B3 schlägt im Zusammenhang mit Zweipolmodulen vor, im Bypass-Modus zwei parallele Pfade freizugeben und hierfür den Modulenergiespeicher über einen in Reihe liegenden Schalter vom Modul trennen zu können.The DE 10 2015 106 196 B3 proposes in connection with two-pole modules to enable two parallel paths in bypass mode and to be able to separate the module energy storage from the module via a switch in series.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches in einem modularen Multilevelkonverter erweiterte Schaltzustände zu einem effizienten Überspringen oder Bypass eines jeweiligen Energiespeichers ermöglicht. Es soll dabei auch möglich sein, den jeweiligen Energiespeicher in mehreren benachbarten Modulen zu überspringen. Ferner soll eine Schaltung mit diesen effizienten Schaltzuständen vorgestellt werden.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method which, in a modular multilevel converter, enables expanded switching states for an efficient skipping or bypassing of a respective energy store. It should also be possible to skip the respective energy store in several neighboring modules. Furthermore, a circuit with these efficient switching states will be presented.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken vorgeschlagen, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen. Jede Seite weist eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet wird. Der jeweilig untere Halbleiterschalter wird mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit dem jeweiligen Modulanschluss der jeweiligen Seite verbunden, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden werden. Die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter werden durch eine untere Stromschiene, die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren Halbbrücken durch eine äußere obere Stromschiene und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren Halbbrücken werden durch eine innere obere Stromschiene verbunden. Mit der inneren oberen Stromschiene wird ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ein negativer Pol des ersten Energiespeichers verbunden. Zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene wird ein Verbindungsschalter angeordnet. Durch ein so gebildetes Modul wird mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht. Ein jeweiliges Modul wird von einer Steuerungseinheit als eine jeweilige erste Schalteinheit gesteuert. Schließlich wird durch mindestens einen Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit der Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen ersten Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit geleitet.To achieve the above object, a method for providing extended switching states in a modular multilevel converter with half bridges is proposed, in which the modular multilevel converter comprises at least one strand with a first outer module, a second outer module and at least one inner module. Each module has a first side and a second side, each of which comprises a first module connection and a second module connection. Each side has an outer and an inner half bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch and a respectively assigned freewheeling diode, the respective freewheeling diode in the flow direction from a source / emitter connection to a drain / collector connection of the respective unidirectional one Semiconductor switch is arranged. The respective lower semiconductor switch is connected with its drain / collector connection and the respective upper semiconductor switch with its source / emitter connection with the respective module connection on the respective side, the respective first module connection with the respective outer half bridge and the respective on each side each second module connection can be connected to the respective inner half bridge. The source / emitter connections of the respective lower semiconductor switches are by a lower busbar, the drain / collector connections of the respective outer half bridges by an outer upper busbar and the drain / collector connections of the respective inner half bridges are by an inner upper Busbar connected. A positive pole of a first energy store is connected to the inner upper busbar and a negative pole of the first energy store is connected to the lower busbar. A connection switch is arranged between the outer upper busbar and the inner upper busbar. A module formed in this way enables at least one serial and one parallel connection of the first energy store of the respective module with respective first energy stores of adjacent modules. A respective module is controlled by a control unit as a respective first switching unit. Finally, the current is conducted through at least one switching state of at least one first switching unit formed by an inner module via the respective outer upper busbar and the respective lower busbar, bypassing the respective first energy store of the at least one first switching unit.

Durch den erfindungsgemäß angeordneten Verbindungschalter werden, je nach geöffneter oder geschlossener Schalterstellung, zwei unterschiedliche Sätze an mit den Halbbrücken realisierbaren Schaltzuständen ermöglicht, bzw. kann mit dem Verbindungschalter zwischen diesen beiden Sätzen, ähnlich zu einer Registerumschaltung, hin und her geschaltet werden.Depending on the open or closed switch position, the connection switch arranged according to the invention enables two different sets of switching states which can be achieved with the half bridges, or can be switched back and forth between the two sets, similar to a register changeover, using the connection switch.

Im Folgenden wird ohne Einschränkung auf diesen Fall ein erfindungsgemäßes Zertrennen bzw. Aufteilen einer denkbaren gemeinsamen oberen Stromschiene in die äußere obere Stromschiene und innere obere Stromschiene mit dazwischen angeordnetem Verbindungschalter betrachtet. Alle für diesen Fall im Folgenden ausgeführten Offenbarungen gelten analog für den gleichfalls beanspruchten Fall eine Zertrennens bzw. Aufteilens der unteren Stromschiene in eine äußere untere Stromschiene und eine innere untere Stromschiene mit ebenfalls dazwischen angeordnetem Verbindungschalter, wobei hier der positive Pol des Energiespeichers mit der nun allen Halbbrücken gemeinsamen oberen Stromschiene und der negativen Pol des Energiespeichers mit der inneren unteren Stromschiene verbunden wird.In the following, without restriction to this case, an inventive separation or division of a conceivable common upper busbar into the outer upper busbar and inner upper busbar with a connection switch arranged therebetween is considered. All of the disclosures set out below for this case apply analogously to the case also claimed: the lower busbar is separated or divided into an outer lower busbar and an inner lower busbar with a connection switch likewise arranged in between, the positive pole of the energy store now having all of them here Half-bridge common upper busbar and the negative pole of the energy store is connected to the inner lower busbar.

Der jeweilige Energiespeicher wird als eine Gleichspannungsquelle oder ein Gleichspannungsspeicher mindestens aus folgender Liste gewählt: Batterie, Batteriepack, Primärzelle, Sekundärzelle, Kondensatoren jeglicher Bauart. Generell sind alle eine Gleichspannung bereitstellenden Energiequellen oder Gleichspannungsspeicher denkbar.The respective energy store is selected as a DC voltage source or a DC voltage store at least from the following list: battery, battery pack, primary cell, secondary cell, capacitors of any type. In general, all energy sources or DC voltage storage devices providing DC voltage are conceivable.

Die Schaltzustände eines bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Moduls können mindestens ein seriell-positives Verschalten, d. h. Verschalten ungleichnamiger Pole, ein seriell-negatives Verschalten, d. h. Verschalten gleichnamiger Pole, ein paralleles Verschalten des jeweiligen Energiespeichers des Moduls mit einem jeweiligen Energiespeicher eines benachbarten Moduls oder ein Umgehen bzw. Bypass des jeweiligen Energiespeichers des Moduls umfassen. Das bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Modul weist vorteilhaft eine Modultopologie auf, welche gegenüber dem Stand der Technik erweiterte Schaltzustände ermöglicht. So ist nun eine Umgehung bzw. Bypass des Energiespeichers des jeweiligen inneren Moduls auf zwei Stromschienen möglich, wodurch Durchleitungsverluste im Vergleich mit einer Leitung durch eine einzige Stromschiene reduziert werden. Damit wird zusätzlich ein neuer Bypass-Schaltzustand, hier auch als „Bypassboost“ bezeichnet, ermöglicht, bei dem der Verbindungsschalter geöffnet ist, und bspw. bei geöffneten inneren oberen Halbleiterschaltern alle unteren Halbleiterschalter sowie äußeren oberen Halbleiterschalter des jeweiligen inneren Moduls geschlossen sind und somit ein Strom zusätzlich zur unteren Stromschiene auch über die äußere obere Stromschiene geleitet werden kann. Mit diesem Bypass-Schaltzustand ist es nun auch vorteilhaft möglich, den jeweiligen Energiespeicher mehrerer benachbarter Module zu überspringen, was insbesondere bei stark ungleich geladenen Modulen wichtig ist, um ein Zusammenschalten stark ungleich geladener Module und die damit verbundenen hohen kurzen Ausgleichsströme und die dadurch bedingten Energieverluste zu vermeiden. Des Weiteren ist für das jeweilige innere Modul ein neuer Parallel-Überspring-Schaltzustand ermöglicht, bei dem zwischen einem linken Nachbarmodul und einem rechten Nachbarmodul, falls ein solches Nachbarmodul sich nicht ebenfalls in diesem Parallel-Überspring-Schaltzustand befindet, eine parallele Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher gebildet wird, jedoch der Energiespeicher des jeweiligen inneren Moduls dabei übersprungen wird. Sowohl der durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichte Bypass-Schaltzustand als auch der Parallel-Überspring-Schaltzustand ist daher geeignet, einen substantiellen und effizienten Leistungsaustausch zwischen Energiespeichern unterschiedlicher Module eines Strangs oder sogar unterschiedlicher Stränge zu ermöglichen. Damit wird vorteilhaft für die jeweiligen Energiespeicher auch eine über einen Zeitverlauf ausgeglichene nahezu konstante Last dargestellt.The switching states of a module formed in one embodiment of the method according to the invention can include at least one serial-positive interconnection, ie interconnection of poles of the same name, one serial-negative interconnection, ie interconnection of poles of the same name, a parallel interconnection of the respective energy store Module with a respective energy storage of an adjacent module or bypassing or bypassing the respective energy storage of the module. The module formed in one embodiment of the method according to the invention advantageously has a module topology which enables switching states which are expanded compared to the prior art. Bypassing or bypassing the energy store of the respective inner module on two busbars is now possible, as a result of which transmission losses are reduced in comparison with a line through a single busbar. This also enables a new bypass switching state, here also referred to as “bypass boost”, in which the connection switch is open and, for example, when the inner upper semiconductor switches are open, all lower semiconductor switches and outer upper semiconductor switches of the respective inner module are closed and thus one In addition to the lower conductor rail, electricity can also be conducted via the outer upper conductor rail. With this bypass switching state, it is now also advantageously possible to skip the respective energy store of a number of adjacent modules, which is particularly important in the case of highly unevenly charged modules, in order to interconnect highly unevenly charged modules and the associated high short equalization currents and the energy losses resulting therefrom to avoid. Furthermore, a new parallel skip switching state is made possible for the respective inner module, in which a parallel connection of the respective energy stores is carried out between a left neighboring module and a right neighboring module, if such a neighboring module is not also in this parallel skipping switching state is formed, but the energy storage of the respective inner module is skipped. Both the bypass switching state made possible by the method according to the invention and the parallel skip switching state are therefore suitable for enabling a substantial and efficient power exchange between energy stores of different modules of a line or even different lines. In this way, an almost constant load balanced over a time course is also advantageously represented for the respective energy stores.

Eine dynamische Umkonfigurierung der Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher der Module ermöglicht vorteilhaft eine Vereinigung mindestens dreier Funktionen, nämlich erstens einen Ladungsaustausch zwischen den Energiespeichern, um bspw. ein konventionelles Batteriemanagement durchzuführen, zweitens ein defektes Modulteil zu überbücken, ohne eine Gesamtfunktion des Multilevelkonverters zu verlieren, und drittens eine Erzeugung beliebiger Ausgangsspannungen und zeitlicher Strom-/Spannungsverläufe direkt durch den modularen Multilevelkonverter ohne den Bedarf eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters.Dynamic reconfiguration of the interconnection of the respective energy stores of the modules advantageously enables a combination of at least three functions, namely firstly a charge exchange between the energy stores, for example to carry out conventional battery management, secondly bridging a defective module part without losing an overall function of the multilevel converter, and thirdly, generation of any output voltages and temporal current / voltage curves directly through the modular multilevel converter without the need for an additional power electronic converter.

Durch die dynamische Rekonfiguration der Verschaltung der Energiespeicher kann direkt eine Wechselspannung und/oder Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. Vorteilhaft kann ein Modulationsindex bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Ferner sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch die Parallelschaltung von Energiespeichern ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können, wird eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung erzeugt. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.The dynamic reconfiguration of the interconnection of the energy stores can directly generate an AC voltage and / or a multi-phase voltage for one or more consumers. A modulation index can advantageously be kept to a maximum for all amplitudes. Furthermore, the losses decrease even at low voltages, because an effective internal resistance drops due to the parallel connection of energy stores. Since levels between the voltages of two configurations can be kept very low, an almost distortion-free output voltage is generated. In addition, switching voltages can be used to modulate between such voltages in order to further smooth out.

Es ist denkbar, dass ein in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordneter jeweiliger Halbleiterschalter ein Niederspannungsschalter ist, d. h., dass eine maximale Spannung, für die der Schalter ausgelegt sein muss, bspw. bei den für den jeweiligen Schalter relevanten Schalteinheiten, deutlich unter einer von dem Multilevelkonverter bereitgestellten Gesamtspannung liegt.It is conceivable that a respective semiconductor switch arranged in an embodiment of the method according to the invention is a low-voltage switch, i. That is to say that a maximum voltage for which the switch must be designed, for example in the switching units relevant to the respective switch, is significantly below an overall voltage provided by the multilevel converter.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbindungsschalter als ein mechanischer Schalter oder ein bidirektionaler Halbleiterschalter gewählt. Der mechanische Schalter kann bspw. durch ein Relais oder ein Schütz gebildet sein und wird vorteilhaft eingesetzt, wenn eine Schaltrate sehr niedrig ist oder eine sehr langsame Schaltgeschwindigkeit gewünscht wird. Alternativ kann ein bidirektionaler Halbleiterschalter eingesetzt werden, der bspw. als ein Transistor, der in beiden Stromflussrichtungen schaltbar ist, oder aus zwei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit jeweiliger Freilaufdiode gebildet werden kann. Bei solchen Verbindungsschaltern hängen die Schaltzustände des inneren Moduls nicht von Spannungsverhältnissen der oberen Stromschienen ab.In one embodiment of the method according to the invention, the connection switch is selected as a mechanical switch or a bidirectional semiconductor switch. The mechanical switch can be formed, for example, by a relay or a contactor and is used advantageously when a switching rate is very low or a very slow switching speed is desired. Alternatively, a bidirectional semiconductor switch can be used, which can be formed, for example, as a transistor that can be switched in both directions of current flow or from two unidirectional semiconductor switches with a respective free-wheeling diode. With such connection switches, the switching states of the inner module do not depend on the voltage conditions of the upper busbars.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbindungsschalter als ein unidirektionaler Halbleiterschalter mit Freilaufdiode gewählt, wobei die Freilaufdiode in „Rückwärtsrichtung“ zum bei geschlossenem unidirektionalem Halbleiterschalter entstehenden Stromfluss geschaltet wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bspw. bei der genannten Druckschrift US 9,496,799 B2 , welche zwingend bidirektionale Transistoren benötigt, um nicht direkt benachbarte Energiespeicher bzw. Module parallel zu schalten, sind bei dem gemäß dieser weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Modul nunmehr auch unidirektionale Halbleiterschalter ausreichend, und zwar explizit nicht ersatzweise eingesetzt als gegenpolig angeordnete Serienschaltung für einen bidirektionalen Transistor. Durch die Anordnung des unidirektionalen Halbleiterschalters mit Freilaufdiode wird jedoch eine Spannungsbedingung zwischen den beiden oberen Stromschienen erzwungen, da je nach Richtung der Freilaufdiode eine der beiden Spannungen der jeweiligen oberen Stromschienen niedriger sein darf als die andere, eine höhere Spannung sich aber durch die Freilaufdiode in die andere Stromschiene entladen würde. Bei dieser weiteren Ausführungsform mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter wird der erfindungsgemäß mit einem verringerten Leistungsverlust einhergehende Bypass-Schaltzustand daher je nach Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers und einer jeweiligen Ausrichtung des unidirektionalen Halbleiterschalters eingesetzt.In a further embodiment of the method according to the invention, the connection switch is selected as a unidirectional semiconductor switch with a free-wheeling diode, the free-wheeling diode being switched in the “reverse direction” to the current flow which occurs when the unidirectional semiconductor switch is closed. In contrast to the prior art, for example in the publication mentioned US 9,496,799 B2 , which absolutely requires bidirectional transistors in order not to connect energy stores or modules that are not directly adjacent in parallel, are now also sufficient in the module formed according to this further embodiment of the method according to the invention, and explicitly not used as a substitute as oppositely arranged Series connection for a bidirectional transistor. The arrangement of the unidirectional semiconductor switch with free-wheeling diode, however, forces a voltage condition between the two upper busbars, since depending on the direction of the free-wheeling diode, one of the two voltages of the respective upper busbars may be lower than the other, but a higher voltage can be found in the free-wheeling diode other track would discharge. In this further embodiment with a unidirectional semiconductor switch, the bypass switching state associated with a reduced power loss according to the invention is therefore used depending on the voltage potential of the energy store that may have to be skipped and a particular orientation of the unidirectional semiconductor switch.

In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unidirektionale Halbleiterschalter mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der äußeren oberen Stromschiene hin zu der inneren oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet. In einem Normalbetrieb mit geschlossenem Verbindungsschalter sind die äußere obere und die innere obere Stromschiene auf gleichem Potential. Bei offenem Verbindungschalter steht der Bypass-Schaltzustand stets zur Verfügung, der Parallel-Überspring-Schaltzustand nur dann, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers höher ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher aufladenden Strom der Fall.In a further continued embodiment of the method according to the invention, the unidirectional semiconductor switch with free-wheeling diode is connected with its source / emitter connection to the outer upper busbar and with its drain / collector connection to the inner upper busbar and the associated free-wheeling diode is connected accordingly from the outer upper busbar towards the inner upper busbar in the forward direction. In normal operation with the connection switch closed, the outer upper and the inner upper busbar are at the same potential. When the connection switch is open, the bypass switching state is always available, and the parallel skip switching state is only available if a voltage potential of the energy store that is possibly to be skipped is higher than the voltage potential of the closest non-skipped parallel energy store. This is the case, for example, in the case of a current which charges the energy store to be skipped.

In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unidirektionale Halbleiterschalter mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene verbunden und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der inneren oberen Stromschiene hin zu der äußeren oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet, so kann der Bypass-Schaltzustand nicht mehr eingesetzt werden, jedoch der Parallel-Überspring-Schaltzustand, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers niedriger ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher entladenden Strom der Fall.In a still further embodiment of the method according to the invention, the unidirectional semiconductor switch with free-wheeling diode is connected with its source / emitter connection to the inner upper busbar and with its drain / collector connection to the outer upper busbar, and the associated free-wheeling diode is connected accordingly by the If the inner upper busbar is arranged towards the outer upper busbar in the forward direction, the bypass switching state can no longer be used, but the parallel skip switching state if a voltage potential of the energy store that is possibly to be skipped is lower than the voltage potential of the nearest non-skipped one energy storage connected in parallel. This is the case, for example, in the case of a current that discharges the energy store that is possibly to be skipped.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger Halbleiterschalter mit Freilaufdiode ein Feldeffekttransistor gewählt, wobei der Feldeffekttransistor intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt. Der Feldeffekttransistor kann bspw. ein MOSFET sein.In a further embodiment of the method according to the invention, a field-effect transistor is selected as the respective semiconductor switch with a free-wheeling diode, the field-effect transistor intrinsically having a body diode which assumes the function of the free-wheeling diode. The field effect transistor can be a MOSFET, for example.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene ein zweiter Energiespeicher angeordnet. Ohne diesen zusätzlich angeordneten zweiten Energiespeicher sind Zwischenschaltkreise denkbar, die ohne Beaufschlagung des ersten Energiespeichers „frei laufen“, d. h. frei verschaltbar sind. Alternativ hierzu sind jedoch mit Anordnung eines zweiten Energiespeichers im jeweiligen Modul zwei Zwischenkreise denkbar, wobei ein erster Zwischenkreis durch die inneren Halbbrücken und dem ersten Energiespeicher gebildet wird und der zweite Zwischenkreis durch die äußeren Halbbrücken und den zweiten Energiespeicher gebildet wird. Dabei können der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher bspw. als Kondensator oder als Batteriezelle oder als Kombination von beidem gebildet werden und auch ein unterschiedliches Spannungsspeichervermögen aufweisen. Der jeweilige Verbindungsschalter kann diese beiden Energiespeicher des jeweiligen Moduls zeitweise parallel schalten oder voneinander trennen.In yet another embodiment of the method according to the invention, a second energy store is additionally arranged between the outer upper busbar and the lower busbar. Without this additionally arranged second energy store, intermediate circuits are conceivable which “run freely” without being loaded on the first energy store, ie. H. are freely interconnectable. As an alternative to this, however, two intermediate circuits are conceivable by arranging a second energy store in the respective module, a first intermediate circuit being formed by the inner half bridges and the first energy store and the second intermediate circuit being formed by the outer half bridges and the second energy store. In this case, the first energy store and the second energy store can be formed, for example, as a capacitor or as a battery cell or as a combination of both, and can also have a different voltage storage capacity. The respective connection switch can temporarily connect these two energy stores of the respective module in parallel or separate them from one another.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der zusätzliche zweite Energiespeicher angeordnet wurde, wird der Verbindungschalter durch einen Doppelgleichrichter ersetzt. Der Doppelgleichrichter wird dabei dadurch gebildet, indem mit der äußeren oberen Stromschiene eine Induktivität und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters verbunden wird, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden wird, sowie zwischen der Induktivität und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters angeschlossen wird, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene verbunden wird. Statt einer binären Zusammenschaltung oder Abtrennung ist damit vorteilhaft eine gezielte Strom- und/oder Spannungsregelung, d. h. ein gezielter Leistungsaustausch, zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher des jeweiligen Moduls möglich. Beispielsweise kann hier der eine Energiespeicher parallel mit mindestens einem rechtseitigen Modul, der andere Energiespeicher parallel mit mindestens einem linksseitigen Modul geschaltet werden, wenn diese bspw. untereinander ähnliche Spannungsverhältnisse vorweisen. Der sich in dieser Anordnung bildende Doppelgleichrichter kann zum gesteuerten Leistungsaustausch sogar entgegen einer Spannungsrichtung genutzt werden. Über diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung des Doppelgleichrichters hinaus, die auch als unidirektionale Buck-Boost-Anordnung bezeichnet wird und benötigt, dass eine Spannung des ersten Energiespeichers höher ist als eine Spannung des zweiten Energiespeichers, sind für den Leistungsaustausch von Energiespeichern in Zwischenkreisen auch andere Topologien denkbar, beispielsweise eine bidirektionale Buck-Boost-Topologie mit vier Schaltern. Unabhängig davon kann eine solche integrale Gleichrichter-Stufe in Strom-, Spannungs- oder Strom-Spannungs-Regelung betrieben werden.In a still further embodiment of the method according to the invention, in which the additional second energy store has been arranged, the connection switch is replaced by a double rectifier. The double rectifier is formed by connecting an inductance to the upper upper busbar and to it the source / emitter connection of a first unidirectional semiconductor switch, and further connecting its drain / collector connection to the inner upper busbar, and between the inductance and the first unidirectional semiconductor switch, a drain / collector connection of a second unidirectional semiconductor switch is connected, the source / emitter connection of which is connected to the lower busbar. Instead of a binary interconnection or disconnection, a targeted current and / or voltage regulation, ie a targeted power exchange, is advantageously possible between the first energy store and the second energy store of the respective module. For example, the one energy store can be connected in parallel with at least one right-hand module, and the other energy store can be connected in parallel with at least one left-hand module if, for example, they have similar voltage relationships. The one that forms in this arrangement Double rectifiers can even be used for controlled power exchange against a voltage direction. In addition to this embodiment of an arrangement of the double rectifier according to the invention, which is also referred to as a unidirectional buck-boost arrangement and requires that a voltage of the first energy store is higher than a voltage of the second energy store, other topologies are also for the power exchange of energy stores in intermediate circuits conceivable, for example a bidirectional buck-boost topology with four switches. Regardless of this, such an integral rectifier stage can be operated in current, voltage or current-voltage regulation.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet. Dies ist möglich, da in dem mindesten einen Strang an Modulen eine jeweilige Modulgrenze zur Bildung einer jeweiligen Schalteinheit verschoben werden kann. Eine sogenannte Stromkommutierung, d. h. das Umleiten des Strompfades, muss insbesondere zwischen den Halbbrücken durchgeführt werden. Da ein Zwischenzustand bspw. zwischen einem seriellen Schaltzustand und einem parallelen Schaltzustand des jeweiligen Moduls zu Kurzschlüssen führen kann, ist hier meist eine hohe Synchronizität der Umschaltung der einzelnen Schalter einer jeweilig gebildeten Schalteinheit notwendig. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Modulgrenzen gemäß dieser weiteren Ausführungsform zu der erfindungsgemäßen zweiten Schalteinheit umzuändern. Eine Synchronizitätsanforderung an eine Umsetzung eines jeweiligen Schaltzustands ist hierbei vorteilhaft verringert bzw. ein jeweiliger Zeitrahmen kann leichter eingehalten werden, da der jeweilig von der zweiten Schalteinheit zu verschaltende (mindestens eine) Energiespeicher an einer Seite - hier der rechten Seite der zweiten Schalteinheit - liegt und die zu einer von der zweiten Schalteinheit gehörenden Halbleiterschalter bspw. eine Kommutierungsanordnung bilden, die unmittelbar benachbart sind. Dadurch liegen die bspw. zu einer Kommutierungsgruppe gehörenden Halbleiterschalter, die zwangsweise gleichzeitig oder zumindest innerhalb eines sehr engen Zeitrahmens angesteuert werden müssen, nicht mehr durch den jeweiligen (mindestens einen) Energiespeicher getrennt, weshalb auch weiter vorteilhaft nicht mehr unterschiedliche Schalteinheiten, d. h. bei der ersten Schalteinheit ein Modul mit mittigem (mindestens einen) Energiespeicher, zueinander synchronisiert werden müssen. Stattdessen liegen alle Halbleiterschalter, die zeitgleich für eine für eine Kommutierung eines Strompfades angesteuert werden müssen, in derselben (zweiten) Schalteinheit. Der Zeitrahmen zur Ansteuerung dieser jeweiligen zweiten Schalteinheit erweitert sich dabei von einem Nanosekundenbereich in einen Mikrosekundenbereich oder sogar darüber hinaus. In gleicher Weise ist es denkbar, analog zu der zweiten Schalteinheit mit dem jeweiligen (mindestens einen) Energiespeicher auf der linken Seite eine dritte Schalteinheit mit dem jeweiligen Energiespeicher auf der rechten Seite zu bilden.In a further embodiment of the method according to the invention, a respective second switching unit is formed by a respective module without the two half bridges on its left side, but together with the two half bridges on the left side of a module adjacent to the right side of the respective module. This is possible because a respective module boundary can be shifted in the at least one strand of modules to form a respective switching unit. A so-called current commutation, i. H. the redirection of the current path must be carried out in particular between the half bridges. Since an intermediate state, for example between a serial switching state and a parallel switching state of the respective module, can lead to short circuits, a high degree of synchronicity in the switching of the individual switches of a switching unit formed in each case is usually necessary here. For this reason, it can be advantageous to change the module limits according to this further embodiment to the second switching unit according to the invention. A synchronicity requirement for the implementation of a respective switching state is advantageously reduced or a respective time frame can be adhered to more easily, since the (at least one) energy store to be connected in each case by the second switching unit is on one side - here the right side of the second switching unit - and which, for example, form a commutation arrangement belonging to a semiconductor switch belonging to the second switching unit, which are immediately adjacent. As a result, the semiconductor switches, for example belonging to a commutation group, which must be controlled at the same time or at least within a very narrow time frame, are no longer separated by the respective (at least one) energy store, which is why it is advantageous that switching units no longer differ, i.e. H. in the first switching unit, a module with a central (at least one) energy store must be synchronized with one another. Instead, all semiconductor switches that have to be activated simultaneously for a commutation of a current path are located in the same (second) switching unit. The time frame for controlling this respective second switching unit extends from a nanosecond range to a microsecond range or even beyond. In the same way, it is conceivable to form a third switching unit with the respective energy storage on the right, analogous to the second switching unit with the respective (at least one) energy store on the left.

Ferner wird eine Schaltung zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken beansprucht, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen. Jede Seite weist eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet ist und der jeweilig untere Halbleiterschalter mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen ersten oder zweiten Modulanschluss der jeweiligen Seite verbunden ist, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden ist. Die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter sind durch eine untere Stromschiene verbunden. Die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter sind durch eine äußere obere Stromschiene verbunden und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter sind durch eine innere obere Stromschiene verbunden. Mit der inneren oberen Stromschiene ist ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ist ein negativer Pol des ersten Energiespeichers verbunden, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene ein Verbindungsschalter angeordnet ist. Durch ein so gebildetes Modul sind mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht. Die Schaltung umfasst weiter eine Steuerungseinheit, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten zu steuern. Schließlich ist mindestens ein Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit dazu konfiguriert, den Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit zu leiten.Furthermore, a circuit for providing extended switching states in a modular multilevel converter with half bridges is claimed, the modular multilevel converter comprising at least one line with a first outer module, a second outer module and at least one inner module. Each module has a first side and a second side, each of which comprises a first module connection and a second module connection. Each side has an outer and an inner half bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch and a respectively assigned freewheeling diode, the respective freewheeling diode in the flow direction from a source / emitter connection to a drain / collector connection of the respective unidirectional one Semiconductor switch is arranged and the respective lower semiconductor switch with its drain / collector connection and the respective upper semiconductor switch with its source / emitter connection is connected to a respective first or second module connection on the respective side, the respective first module connection on each side is connected to the respective outer half bridge and the respective second module connection is connected to the respective inner half bridge. The source / emitter connections of the respective lower semiconductor switches are connected by a lower busbar. The drain / collector connections of the respective outer upper semiconductor switch are connected by an outer upper current rail and the drain / collector connections of the respective inner upper semiconductor switch are connected by an inner upper current rail. A positive pole of a first energy store is connected to the inner upper busbar and a negative pole of the first energy store is connected to the lower busbar, a connection switch being arranged between the outer upper busbar and the inner upper busbar. A module formed in this way enables at least one serial and one parallel connection of the first energy store of the respective module with respective first energy stores of adjacent modules. The circuit further comprises a control unit which is configured to control at least the respective first switching units. Finally, at least one switching state of at least one first switching unit formed by an inner module is configured to transmit the current via the respective outer upper busbar and the to conduct the respective lower busbar together bypassing the respective energy store of the at least one first switching unit.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die Schaltung zusätzlich einen zweiten Energiespeicher auf, der zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene angeordnet ist.In one configuration of the circuit according to the invention, the circuit additionally has a second energy store, which is arranged between the outer upper busbar and the lower busbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Verbindungschalter durch einen Doppelgleichrichter ersetzt, wobei der Doppelgleichrichter gebildet ist, indem mit der äußeren oberen Stromschiene eine Induktivität und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters verbunden ist, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden ist, sowie zwischen der Induktivität und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters angeschlossen ist, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene verbunden ist.In a further embodiment of the circuit according to the invention, the connection switch is replaced by a double rectifier, the double rectifier being formed by connecting an inductance to the outer upper busbar and to it the source / emitter connection of a first unidirectional semiconductor switch, and furthermore its drain / Collector connection is connected to the inner upper busbar, and between the inductor and the first unidirectional semiconductor switch a drain / collector connection of a second unidirectional semiconductor switch is connected, the source / emitter connection of which is connected to the lower busbar.

In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet.In a still further embodiment of the circuit according to the invention, a respective second switching unit is formed by a respective module without the two half bridges on its left side, but together with the two half bridges on the left side of a module adjacent to the right side of the respective module.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

  • 1 zeigt eine Modulschaltung als eine erste Schalteinheit zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 zeigt eine Modulschaltung mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 3 zeigt einen Bypass-Schaltzustand zu einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 4 zeigt einen Parallel-Überspring-Schaltzustand zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 5 zeigt eine Modulschaltung mit einem bidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 6 zeigt eine Modulschaltung mit einem umgekehrt angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 7 zeigt eine Modulschaltung mit einer zweiten Schalteinheit zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 8 zeigt eine explizite Modulschaltung als zweite Schalteinheit zu der fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 9 zeigt eine Modulschaltung mit einem zusätzlichen zweiten Energiespeicher zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 10 zeigt eine Modulschaltung mit einem Doppelgleichrichter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 11 zeigt eine Modulschaltung mit einem Doppelgleichrichter in bidirektionaler Buck-Boost-Topologie zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
The figures are described coherently and comprehensively, the same components are assigned the same reference numerals.
  • 1 shows a module circuit as a first switching unit to an embodiment of the inventive method.
  • 2nd shows a module circuit with a unidirectional semiconductor switch as a connection switch to a further embodiment of the method according to the invention.
  • 3rd shows a bypass switching state to a further continued embodiment of the inventive method.
  • 4th shows a parallel skip switching state to a still further embodiment of the method according to the invention.
  • 5 shows a module circuit with a bidirectional semiconductor switch as a connection switch to yet another embodiment of the method according to the invention.
  • 6 shows a module circuit with a reversed unidirectional semiconductor switch as a connection switch to another embodiment of the inventive method.
  • 7 shows a module circuit with a second switching unit to a still further embodiment of the inventive method.
  • 8th shows an explicit module circuit as a second switching unit to the still further embodiment of the method according to the invention.
  • 9 shows a module circuit with an additional second energy storage for a further embodiment of the inventive method.
  • 10th shows a module circuit with a double rectifier to yet another embodiment of the method according to the invention.
  • 11 shows a module circuit with a double rectifier in bidirectional buck-boost topology to a still further embodiment of the method according to the invention.

In 1 wird eine Modulschaltung 100 für ein i-tes Modul zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf beiden Seiten befindet sich eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils zwei unidirektionalen Halbleiterschaltern Q α ( i ) , Q β ( i ) , Q γ ( i ) , Q δ ( i ) , Q ε ( i ) , Q ς ( i ) , Q η ( i ) , Q θ ( i ) ,

Figure DE102019120615B3_0001
samt jeweiliger Freilaufdiode 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, hier als Feldeffekttransistor mit intrinsischer Bodydiode dargestellt. Zwei Modulanschlüsse 101, 102 stellen eine Verbindung zu einem linken Nachbarmodul und zwei Modulanschlüsse 103, 104 stellen eine Verbindung zu einem rechten Nachbarmodul her. Zwischen einem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters Q α ( i )
Figure DE102019120615B3_0002
111 der äußeren Halbbrücke der linken Seite und dem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters Q η ( i )
Figure DE102019120615B3_0003
117 der äußeren Halbbrücke der rechten Seite verläuft eine äußere obere Stromschiene 105. Zwischen einem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters Q γ ( i )
Figure DE102019120615B3_0004
113 der inneren Halbbrücke der linken Seite und dem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters Q ε ( i )
Figure DE102019120615B3_0005
115 der inneren Halbbrücke der rechten Seite verläuft eine innere obere Stromschiene 106. Zwischen allen Source-Anschlüssen der unteren unidirektionalen Halbleiterschalter Q β ( i ) 112, Q σ ( i ) 114, Q ς ( i ) 116, Q θ ( i ) 118
Figure DE102019120615B3_0006
der Halbbrücken verläuft eine untere Stromschiene 107. Zwischen beiden oberen Stromschienen 105, 106 ist ein Schalter Q l ( i )
Figure DE102019120615B3_0007
110, der ein mechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter sein kann, als ein Verbindungsschalter angeordnet. Schließlich ist zwischen der inneren oberen Stromschiene 106 und der unteren Stromschiene 107 ein Energiespeicher 109, hier dargestellt als gepolter Elektrolytkondensator 109 der Kapazität C m ( i )
Figure DE102019120615B3_0008
mit einem Spannungspotential V m ( i )
Figure DE102019120615B3_0009
108, angeordnet. In einem modularen Multilevelkonverter mit mindestens einem Strang aus N Modulen bildet ein erstes Modul ein erstes äußeres Modul und ein N-tes Modul ein zweites äußeres Modul, und das i-te Modul mit 1 <i<N ein inneres Modul als eine erste Schalteinheit. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun durch einen mit der Modulschaltung 100 realisierbaren neuen Bypass-Schaltzustand und einen neuen Parallel-Überspring-Schaltzustand vorteilhaft die äußere obere und die untere Stromschiene 105, 107 als ein jeweiliger Strompfad mit gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Durchleitungsverlusten genutzt.In 1 becomes a module circuit 100 shown for an i-th module for an embodiment of the method according to the invention. On both sides there is an outer and an inner half bridge, each with two unidirectional semiconductor switches Q α ( i ) , Q β ( i ) , Q γ ( i ) , Q δ ( i ) , Q ε ( i ) , Q ς ( i ) , Q η ( i ) , Q θ ( i ) ,
Figure DE102019120615B3_0001
including the respective freewheeling diode 111 , 112 , 113 , 114 , 115 , 116 , 117 , 118 , shown here as a field effect transistor with an intrinsic body diode. Two module connections 101 , 102 connect to a left neighboring module and two module connections 103 , 104 establish a connection to a right neighboring module. Between a drain connection of the upper unidirectional semiconductor switch Q α ( i )
Figure DE102019120615B3_0002
111 the outer half-bridge on the left side and the drain connection of the upper unidirectional semiconductor switch Q η ( i )
Figure DE102019120615B3_0003
117 An outer upper busbar runs along the outer half-bridge on the right-hand side 105 . Between a drain connection of the upper unidirectional semiconductor switch Q γ ( i )
Figure DE102019120615B3_0004
113 the inner half-bridge on the left side and the drain connection of the upper unidirectional semiconductor switch Q ε ( i )
Figure DE102019120615B3_0005
115 An inner upper busbar runs along the inner half-bridge on the right side 106 . Between all source connections of the lower unidirectional semiconductor switches Q β ( i ) 112, Q σ ( i ) 114, Q ς ( i ) 116, Q θ ( i ) 118
Figure DE102019120615B3_0006
a lower busbar runs along the half-bridges 107 . Between the two top tracks 105 , 106 is a switch Q l ( i )
Figure DE102019120615B3_0007
110 , which may be a mechanical switch or a semiconductor switch, arranged as a connection switch. Finally, between the inner top track 106 and the bottom track 107 an energy storage 109 , shown here as a polarized electrolytic capacitor 109 of capacity C. m ( i )
Figure DE102019120615B3_0008
with a potential for tension V m ( i )
Figure DE102019120615B3_0009
108 , arranged. In a modular multilevel converter with at least one strand of N modules, a first module forms a first outer module and an Nth module forms a second outer module, and the i-th module with 1 <i <N an inner module as a first switching unit. In one embodiment of the method according to the invention, a module circuit is used 100 realizable new bypass switching state and a new parallel skip switching state advantageous the outer upper and lower busbar 105 , 107 used as a respective current path with reduced transmission losses compared to the prior art.

In 2 wird eine Modulschaltung 200 mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter 210 als Verbindungsschalter 210 zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem Normalbetrieb mit geschlossenem Verbindungsschalter 210 sind die äußere obere Stromschiene 105 und die innere obere Stromschiene 106 auf gleichem Potential. Bei offenem Verbindungschalter 210 steht der Bypass-Schaltzustand stets zur Verfügung, der Parallel-Überspring-Schaltzustand nur dann, wenn ein Spannungspotential 108 des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers 109 höher ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher.In 2nd becomes a module circuit 200 with a unidirectional semiconductor switch 210 as a connection switch 210 shown to a further embodiment of the method according to the invention. In normal operation with the connection switch closed 210 are the outer top track 105 and the inner top track 106 at the same potential. With the connection switch open 210 the bypass switching state is always available, the parallel skip switching state only when a voltage potential 108 of the energy storage to be skipped if necessary 109 is higher than the voltage potentials of the closest non-skipped energy storage devices connected in parallel.

In 3 wird eine Modulschaltung mit einem Bypass-Schaltzustand 300, 399 zu einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierzu ist die Modulschaltung 200 aus 2 als ein mittleres Modul dargestellt, das mit einem links-benachbarten Modul mit Modulanschlüssen 301, 302, Halbleiterschaltern 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, Verbindungsschalter 310 und Energiespeicher 319, und mit einem rechts-benachbarten Modul mit Modulanschlüssen 303, 304, Halbleiterschaltern 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, Verbindungsschalter 320 und Energiespeicher 329 verbunden ist. Eine jeweilige Schalterstellung der Halbleiterschalter 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324 ist durch ein kleines Symbol eines offenen oder geschlossenen Schalters angedeutet, wobei ein „v“ als logisches Und-Zeichen ausdrückt, dass beide Schalterstellungen erlaubt sind. Die Schalterstellungen der äußersten Halbleiterschalter 311, 312, 313, 314, 325, 326, 327, 328 sind nicht angegeben, weil diese zusammen mit den weiter nach außen folgenden Modulen beliebige Verbindungen eingehen können, die den Zustand der dargestellten Module untereinander nicht beeinflussen. Mit den gezeigten Schalterstellungen wird im mittleren Modul ein zusätzlicher Bypassboost-Strompfad, in der Figur durch eine obere und untere gestrichelte Linie 306 dargestellt, zu einem Bypass-Schaltzustand bspw. Bypassboost um den Energiespeicher 109 herum erzeugt. Das mittlere Modul erhöht die Spannung des Stranges nicht, leitet aber jeglichen Strom des Stranges mit weniger Verlusten als ein bisher bekannter Bypass-Modus, der nur die untere (oder äußere obere) Stromschiene alleine nutzt. Der Bypassboost benötigt keinen bidirektionalen Verbindungsschalter, weil das elektrische Potential der äußeren oberen Stromschiene etwa dem der unteren Stromschiene entspricht und die Spannung damit automatisch niedriger oder gleich der Spannung des Energiespeichers 109 ist. Daher ist die Freilaufdiode am Verbindungsschalter 210 nicht leitend. Zur Verdeutlichung ist der Bypassboost auch in einem zur Schaltungsanordnung 300 äquivalenten Ersatzschaltbild 399 gezeigt, bei dem zusätzlich zu der sich zwischen der unteren Stromschiene zwischen den Modulanschlüssen 302 und 304 befindlichen Verbindung der Energiespeicher 210 von einem äußeren oberen Bypass-Strompfad um den Verbindungsschalter 210 herum umgangen wird.In 3rd becomes a module circuit with a bypass switching state 300 , 399 shown to a further continued embodiment of the method according to the invention. This is the module circuit 200 out 2nd Shown as a middle module with a left-adjacent module with module connections 301 , 302 , Semiconductor switches 311 , 312 , 313 , 314 , 315 , 316 , 317 , 318 , Connection switch 310 and energy storage 319 , and with a right-adjacent module with module connections 303 , 304 , Semiconductor switches 321 , 322 , 323 , 324 , 325 , 326 , 327 , 328 , Connection switch 320 and energy storage 329 connected is. A respective switch position of the semiconductor switch 111 , 112 , 113 , 114 , 115 , 116 , 117 , 118 , 210 , 310 , 315 , 316 , 317 , 318 , 320 , 321 , 322 , 323 , 324 is indicated by a small symbol of an open or closed switch, with a "v" as a logical ampersand expressing that both switch positions are permitted. The switch positions of the outermost semiconductor switches 311 , 312 , 313 , 314 , 325 , 326 , 327 , 328 are not specified because these, together with the modules that follow further outwards, can enter into any connections that do not influence the state of the modules shown with one another. With the switch positions shown, an additional bypass boost current path is shown in the middle module, in the figure by an upper and lower dashed line 306 shown, for a bypass switching state, for example, bypass boost around the energy store 109 generated around. The middle module does not increase the voltage of the line, but conducts any current of the line with less losses than a previously known bypass mode that only uses the lower (or outer upper) busbar alone. The bypass boost does not require a bidirectional connection switch because the electrical potential of the outer upper busbar corresponds approximately to that of the lower busbar and the voltage is therefore automatically lower than or equal to the voltage of the energy store 109 is. The freewheeling diode is therefore at the connection switch 210 not conductive. For clarification, the bypass boost is also in one for the circuit arrangement 300 equivalent equivalent circuit 399 shown, in addition to that between the lower busbar between the module connections 302 and 304 located connection of the energy storage 210 from an outer upper bypass current path around the connection switch 210 is bypassed.

In 4 wird eine Modulschaltung mit einem Parallel-Überspring-Schaltzustand 400, 499 zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierbei wird, wie durch einen gestrichelten Parallel-Überspring-Strompfad 406 dargestellt, der Energiespeicher 319 des links-benachbarten Moduls und der Energiespeicher 329 des rechts-benachbarten Moduls parallel geschaltet und der Energiespeicher 109 des mittleren Moduls übersprungen. Dabei ist es denkbar, auch mehrere Module zu überspringen, genauso wie es denkbar ist, auch weitere außen benachbarte Module mit in die parallele Verschaltung der Energiespeicher 319 und 329 miteinzubeziehen. Würde dies nun mit einem bidirektionalen Schalter 110 aus 1 getan werden, so wären die Potentialverhältnisse in den jeweiligen Stromschienen egal. Bei der hier dargestellten unidirektionalen Variante des Verbindungsschalters 210 wird der mittlere Energiespeicher 109 jedoch nur dann übersprungen, wenn die Spannungspotentiale der außen liegenden Energiespeicher 319 und 329 niedriger liegen als das Spannungspotential des mittleren Energiespeichers 109. Zur Verdeutlichung ist der Parallel-Überspring-Schaltzustand auch in einem zur Schaltungsanordnung 400 äquivalenten Ersatzschaltbild 499 gezeigt, bei dem der Energiespeicher 210 durch die sich zwischen den Modulanschlüssen 302 und 304 befindlichen unteren Verbindung und die sich zwischen den Modulanschlüssen 301 und 303 befindlichen oberen Verbindung umgangen wird.In 4th becomes a module circuit with a parallel skip switching state 400 , 499 shown to a still further embodiment of the method according to the invention. Here, as with a dashed parallel skip current path 406 shown, the energy storage 319 of the module on the left and the energy storage 329 of the module on the right and connected in parallel and the energy storage 109 skipped the middle module. It is conceivable to skip a number of modules, just as it is conceivable to include other modules that are adjacent to the parallel connection of the energy storage devices 319 and 329 to involve. Would this be a bidirectional switch 110 out 1 done the potential relationships in the respective busbars would not matter. In the unidirectional version of the connection switch shown here 210 becomes the middle energy storage 109 however only skipped if the voltage potential of the external energy storage 319 and 329 are lower than the voltage potential of the middle energy store 109 . For the sake of clarity, the parallel skip switching state is also in one for the circuit arrangement 400 equivalent equivalent circuit 499 shown in which the energy storage 210 through which is between the module connections 302 and 304 located lower connection and that between the module connections 301 and 303 located upper connection is bypassed.

In 5 wird eine Modulschaltung 500 mit einem bidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Verbindungsschalter 110 aus 1 ist bei dieser Ausführungsform durch zwei antiseriell angeordnete unidirektionale Halbleiterschalter 510, 520 mit jeweiliger Freilaufdiode realisiert.In 5 becomes a module circuit 500 shown with a bidirectional semiconductor switch as a connection switch to yet another embodiment of the method according to the invention. The connection switch 110 out 1 is in this embodiment by two anti-serial unidirectional semiconductor switches 510 , 520 realized with respective freewheeling diode.

In 6 wird eine Modulschaltung 600 mit einem umgekehrt angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter 610 als Verbindungsschalter zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der unidirektionale Halbleiterschalter 610 mit Freilaufdiode ist mit seinem Source-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene 106 und mit seinem Drain-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene 105 verbunden. In 6 becomes a module circuit 600 with a reversed unidirectional semiconductor switch 610 shown as a connection switch to another embodiment of the method according to the invention. The unidirectional semiconductor switch 610 with free-wheeling diode is with its source connection with the inner upper busbar 106 and with its drain connection to the outer upper busbar 105 connected.

Entsprechend ist die zugeordnete Freilaufdiode von der inneren oberen Stromschiene 106 hin zu der äußeren oberen Stromschiene 105 in Durchlassrichtung angeordnet. Bei dieser Anordnung kann der Bypass-Schaltzustand nicht mehr eingesetzt werden, jedoch der Parallel-Überspring-Schaltzustand, wenn ein Spannungspotential 108 des zu überspringenden Energiespeichers 109 niedriger ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen miteinander parallel geschalteten Energiespeicher.The associated freewheeling diode is correspondingly from the inner upper busbar 106 towards the outer top track 105 arranged in the forward direction. With this arrangement, the bypass switching state can no longer be used, but the parallel skip switching state if a voltage potential 108 of the energy store to be skipped 109 is lower than the voltage potentials of the nearest non-skipped energy stores connected in parallel with one another.

In 7 wird eine Modulschaltung 700 mit einer zweiten Schalteinheit 706 zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem Strang von Modulen kann eine Modulgrenze eines einzelnen Moduls, also quasi wo der Schnitt zwischen zwei Modulen zur Bildung einer Schalteinheit gesetzt wird, relativ frei gewählt werden. Eine sogenannte Stromkommutierung, d. h. ein Umleiten des Strompfades, muss insbesondere zwischen den Halbbrücken durchgeführt werden. Da Zwischenzustände, bspw. zwischen einem seriellen und einem darauf unmittelbar folgenden parallelen Schaltzustand zu Kurzschlüssen führen können, ist hier meist eine hohe Synchronität der Umschaltung der einzelnen Halbleiterschalter einer Kommutierungseinheit bzw. Schalteinheit notwendig. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Modulgrenzen nicht wie bei der ersten Schalteinheit 705 zu wählen, bei der der Energiespeicher 109 von den jeweiligen Halbbrücken der linken und rechten Seite umgeben ist, sondern die Modulgrenzen wie bei der zweiten Schalteinheit 706 zu wählen, bei der der Energiespeicher 319 direkt an einer der Modulgrenzen, hier auf der linken Seite, angeordnet ist.In 7 becomes a module circuit 700 with a second switching unit 706 shown for a still further embodiment of the method according to the invention. In a string of modules, a module limit of an individual module, that is to say where the cut between two modules is made to form a switching unit, can be chosen relatively freely. So-called current commutation, ie redirection of the current path, must be carried out in particular between the half bridges. Since intermediate states, for example between a serial switching state and a switching state immediately following it, can lead to short circuits, a high degree of synchronism in the switching of the individual semiconductor switches of a commutation unit or switching unit is usually necessary here. For this reason, it may be advantageous not to change the module limits as with the first switching unit 705 to choose where the energy storage 109 is surrounded by the respective half bridges on the left and right side, but the module limits as in the second switching unit 706 to choose where the energy storage 319 directly on one of the module boundaries, here on the left.

In 8 wird eine explizite Modulschaltung 800 als zweite Schalteinheit (Bezugszeichen 706 aus 7) zu der fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Durch die gewählten Modulgrenzen entstehen drei Modulanschlüsse 801, 802, 803 auf der linken Seite und drei Modulanschlüsse 804, 805, 806 auf der rechten Seite. Der Energiespeicher 319 als Modulspeicher mit Spannungspotential 808 ist hier auf der linken Seite angeordnet. Alternativ hierzu ist es denkbar, die Modulgrenzen so zu legen, dass sich bspw. mit dem Energiespeicher 109 ein Modulspeicher mit Spannungspotential 108 auf der rechten Seite ergibt.In 8th becomes an explicit module circuit 800 as a second switching unit (reference number 706 out 7 ) to the still further embodiment of the method according to the invention. The selected module limits create three module connections 801 , 802 , 803 on the left and three module connections 804 , 805 , 806 On the right side. The energy storage 319 as module memory with voltage potential 808 is located here on the left. As an alternative to this, it is conceivable to set the module boundaries in such a way that, for example, the energy store 109 a module memory with voltage potential 108 on the right side.

In 9 wird eine Modulschaltung mit einem zusätzlichen zweiten Energiespeicher 909 zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierbei ist in einem durch die äußeren Halbbrücken gebildeten Zwischenkreis ein zweiter Energiespeicher 909 angeordnet, der gegebenenfalls mit dem ersten Energiespeicher 109 Strom- bzw. Spannungsaustausch betreiben kann. Der Verbindungsschalter 110 kann beide Energiespeicher 109, 909 zeitweise miteinander parallel schalten oder wieder voneinander trennen.In 9 becomes a module circuit with an additional second energy storage 909 shown to a further embodiment of the method according to the invention. There is a second energy store in an intermediate circuit formed by the outer half bridges 909 arranged, possibly with the first energy store 109 Can operate current or voltage exchange. The connection switch 110 can both energy storage 109 , 909 temporarily connect in parallel with each other or separate from each other again.

In 10 wird eine Modulschaltung 1000 mit einem Doppelgleichrichter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierzu wird ein erster unidirektionaler Halbleiterschalter 1010 mit einer Induktivität 1030 seriell zwischen der inneren oberen Stromschiene 106 und der äußeren oberen Stromschiene 105 angeordnet. Zusammen mit einem zweiten unidirektionaler Halbleiterschalter 1020 wird somit ein Doppelgleichrichter in sogenannter unidirektionaler Buck-Boost-Anordnung gebildet, der einen Leistungsaustausch zwischen den beiden Energiespeichern 109 und 909 regeln kann. Allerdings ist hierzu notwendig, dass ein Spannungspotential des Energiespeichers 909 niedriger liegt als das Spannungspotential des Energiespeichers 109.In 10th becomes a module circuit 1000 shown with a double rectifier to yet another embodiment of the method according to the invention. For this purpose, a first unidirectional semiconductor switch 1010 with an inductance 1030 serially between the inner upper busbar 106 and the outer top track 105 arranged. Together with a second unidirectional semiconductor switch 1020 a double rectifier in a so-called unidirectional buck-boost arrangement is thus formed, which exchanges power between the two energy stores 109 and 909 can regulate. However, this requires that the energy storage device has a voltage potential 909 is lower than the voltage potential of the energy store 109 .

In 11 wird eine Modulschaltung 1100 mit einem Doppelgleichrichter in bidirektionaler Buck-Boost-Topologie zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die zwei hierzu zusätzlich angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter 1110, 1120 ermöglichen die Regelung des Leistungsaustauschs zwischen den beiden Energiespeichern 109, 909 ungeachtet von deren jeweiligen Spannu ngsverhältn issen.In 11 becomes a module circuit 1100 shown with a double rectifier in bidirectional buck-boost topology to a still further embodiment of the inventive method. The two additionally arranged unidirectional semiconductor switches 1110 , 1120 enable the regulation of the exchange of power between the two energy stores 109 , 909 regardless of their respective tension ratios.

Claims (13)

Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände (306, 406) bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), einem zweiten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) und mindestens einem inneren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) umfasst, bei dem jedes Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss (101, 103) und einen zweiten Modulanschluss (102, 104) umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) angeordnet wird und der jeweilig untere Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter (111, 113, 115, 117) mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen Modulanschluss (101, 102, 103, 104) der jeweiligen Seite verbunden werden, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss (101, 103) mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss (102, 104) mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden wird, bei dem die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) durch eine untere Stromschiene (107) verbunden werden, bei dem die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter (111, 117) durch eine äußere obere Stromschiene (105) verbunden werden und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter (113, 115) durch eine innere obere Stromschiene (106) verbunden werden, bei dem mit der inneren oberen Stromschiene (106) ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers (109) und mit der unteren Stromschiene (107) ein negativer Pol des ersten Energiespeichers (109) verbunden wird, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105) und der inneren oberen Stromschiene (106) ein Verbindungsschalter (110, 210) angeordnet wird, wobei durch ein so gebildetes Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers (109) des jeweiligen Moduls (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) mit jeweiligen ersten Energiespeichern (319, 329) benachbarter Module ermöglicht wird, wobei ein jeweiliges Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) von einer Steuerungseinheit als eine jeweilige erste Schalteinheit (705) gesteuert wird, und wobei durch mindestens einen Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) gebildeten ersten Schalteinheit (705) der Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene (105) und die jeweilige untere Stromschiene (107) gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen ersten Energiespeichers (109) der mindestens einen ersten Schalteinheit (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) geleitet wird.Method for providing extended switching states (306, 406) in a modular multilevel converter with half bridges, in which the modular multilevel converter has at least one line with a first outer module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), a second outer module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) and at least one inner module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), in which each module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) has a first side and a second side, each comprising a first module connection (101, 103) and a second module connection (102, 104), in which each side has an outer and an inner half bridge, each with a lower one and an upper unidirectional semiconductor switch (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) and a respectively assigned freewheeling diode, the respective freewheeling diode in the flow direction from a source / emitter connection to a drain / collector Connection of the respective u nidirectional semiconductor switch (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) is arranged and the respective lower semiconductor switch (112, 114, 116, 118) with its drain / collector connection and the respective upper semiconductor switch (111 , 113, 115, 117) with its source / emitter connection are connected to a respective module connection (101, 102, 103, 104) on the respective side, the respective first module connection (101, 103) on each side with the respective outer half bridge and the respective second module connection (102, 104) is connected to the respective inner half bridge, in which the source / emitter connections of the respective lower semiconductor switches (112, 114, 116, 118) are connected by a lower busbar (107) in which the drain / collector connections of the respective outer upper semiconductor switches (111, 117) are connected by an outer upper busbar (105) and the drain / collector connections of the respective inner upper semiconductor switches (113, 117) 115) are connected by an inner upper busbar (106), in which a positive pole of a first energy store (109) is connected to the inner upper busbar (106) and a negative pole of the first energy store (109) to the lower busbar (107) A connection switch (110, 210) is arranged between the outer upper busbar (105) and the inner upper busbar (106), with a module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) formed in this way at least one serial and one parallel connection of the first energy store (109) of the respective module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) with respective first energy stores (319, 329) of adjacent modules is made possible, a respective module ( 100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) is controlled by a control unit as a respective first switching unit (705), and at least one is controlled by at least one switching state by an inner module (100, 200, 500, 600, 9 00, 1000, 1100) formed first switching unit (705) the current via the respective outer upper busbar (105) and the respective lower busbar (107) together bypassing the respective first energy store (109) of the at least one first switching unit (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbindungsschalter als ein mechanischer Schalter (110, 710) oder ein bidirektionaler Halbleiterschalter (510, 520) gewählt wird.Procedure according to Claim 1 , in which the connection switch is selected as a mechanical switch (110, 710) or a bidirectional semiconductor switch (510, 520). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbindungsschalter als ein unidirektionaler Halbleiterschalter (210, 310, 320, 610) mit Freilaufdiode gewählt wird.Procedure according to Claim 1 , in which the connection switch is selected as a unidirectional semiconductor switch (210, 310, 320, 610) with a freewheeling diode. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der unidirektionale Halbleiterschalter (210, 310, 320) mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene (105) und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (106) verbunden wird.Procedure according to Claim 3 , in which the unidirectional semiconductor switch (210, 310, 320) with free-wheeling diode is connected with its source / emitter connection to the outer upper busbar (105) and with its drain / collector connection to the inner upper busbar (106) . Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der unidirektionale Halbleiterschalter (610) mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (105) und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene (106) verbunden wird.Procedure according to Claim 3 , in which the unidirectional semiconductor switch (610) with free-wheeling diode is connected with its source / emitter connection to the inner upper busbar (105) and with its drain / collector connection to the outer upper busbar (106). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als jeweiliger Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) mit Freilaufdiode ein Feldeffekttransistor (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) gewählt wird, wobei der Feldeffekttransistor (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt.Method according to one of the preceding claims, in which the respective semiconductor switch (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320 , 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) with free-wheeling diode a field effect transistor (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) is selected, the field effect transistor (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321 , 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) intrinsically has a body diode which assumes the function of the freewheeling diode. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zusätzlich zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105) und der unteren Stromschiene (107) ein zweiter Energiespeicher (909) angeordnet wird. Procedure according to Claim 2 , in which a second energy store (909) is additionally arranged between the outer upper busbar (105) and the lower busbar (107). Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Verbindungschalter (110, 210, 310, 320, 510, 520, 610, 710) durch einen Doppelgleichrichter ersetzt wird, wobei der Doppelgleichrichter gebildet wird, indem mit der äußeren oberen Stromschiene (105) eine Induktivität (1030) und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters (1010) verbunden wird, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (106) verbunden wird, sowie zwischen der Induktivität (1030) und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter (1010) ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters (1020) angeschlossen wird, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene (107) verbunden wird.Procedure according to Claim 7 , in which the connection switch (110, 210, 310, 320, 510, 520, 610, 710) is replaced by a double rectifier, the double rectifier being formed by an inductance (1030) and the upper upper busbar (105) the source / emitter connection of a first unidirectional semiconductor switch (1010) is connected, and further its drain / collector connection is connected to the inner upper busbar (106), and between the inductor (1030) and the first unidirectional semiconductor switch ( 1010) a drain / collector connection of a second unidirectional semiconductor switch (1020) is connected, the source / emitter connection of which is connected to the lower busbar (107). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken (311, 312, 313, 314) auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken (111, 112, 113, 114) auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls (705) eine jeweilige zweite Schalteinheit (706, 800) gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, in which a respective module without the two half bridges (311, 312, 313, 314) on its left side, but together with the two half bridges (111, 112, 113, 114) on the left side a respective second switching unit (706, 800) is formed on a module (705) adjoining the right side of the respective module. Schaltung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände (306, 406) bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), einem zweiten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) und mindestens einem inneren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) umfasst, wobei jedes Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss (101, 103) und einen zweiten Modulanschluss (102, 104) umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) angeordnet ist und der jeweilig untere Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter (111, 113, 115, 117) mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen Modulanschluss (101, 102, 103, 104) der jeweiligen Seite verbunden ist, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss (101, 103) mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss (102, 104) mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden ist, bei dem die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) durch eine untere Stromschiene (107) verbunden sind, bei dem die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter (111, 117) durch eine äußere obere Stromschiene (105) verbunden sind und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter (113, 115) durch eine innere obere Stromschiene (106) verbunden sind, bei dem mit der inneren oberen Stromschiene (106) ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers (109) und mit der unteren Stromschiene (107) ein negativer Pol des ersten Energiespeichers (109) verbunden sind, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105, 106) und der inneren oberen Stromschiene (106) ein Verbindungsschalter (110, 210) angeordnet ist, wobei durch ein so gebildetes Modul (100, 200, 500, 600) mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers (109) des jeweiligen Moduls (100, 200, 500, 600) mit jeweiligen ersten Energiespeichern (319, 329) benachbarter Module ermöglicht sind, wobei die Schaltung weiter eine Steuerungseinheit umfasst, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten (705) zu steuern, und wobei mindestens ein Schaltzustand (306, 406) mindestens einer durch ein inneres Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) gebildeten ersten Schalteinheit (705) dazu konfiguriert ist, den Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit zu leiten.Circuit (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) for providing extended switching states (306, 406) in a modular multilevel converter with half bridges, the modular multilevel converter having at least one strand with a first outer module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), a second outer module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) and at least one inner module (100, 200, 500, 600 , 900, 1000, 1100), wherein each module (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) has a first side and a second side, each of which has a first module connection (101, 103) and a second module connection (102, 104), in which each side has an outer and an inner half bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) and a respectively assigned freewheeling diode, the respective freewheeling diode in the flow direction from a source / emitter connection s is arranged to a drain / collector connection of the respective unidirectional semiconductor switch (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) and the respective lower semiconductor switch (112, 114, 116, 118) with its drain / Collector connection and the respective upper semiconductor switch (111, 113, 115, 117) with its source / emitter connection is connected to a respective module connection (101, 102, 103, 104) on the respective side, with on each side the each first module connection (101, 103) is connected to the respective outer half bridge and the respective second module connection (102, 104) is connected to the respective inner half bridge, in which the source / emitter connections of the respective lower semiconductor switches (112, 114, 116 , 118) are connected by a lower busbar (107), in which the drain / collector connections of the respective outer upper semiconductor switches (111, 117) are connected by an outer upper busbar (105) and the drain / collector connections the respective The inner upper semiconductor switch (113, 115) are connected by an inner upper busbar (106), in which the inner upper busbar (106) is a positive pole of a first energy store (109) and the lower busbar (107) is a negative pole of the first energy store (109), a connection switch (110, 210) being arranged between the outer upper busbar (105, 106) and the inner upper busbar (106), with a module (100, 200, 500 , 600) at least one serial and one parallel connection of the first energy store (109) of the respective module (100, 200, 500, 600) with respective first energy stores (319, 329) of adjacent modules are made possible, the circuit further comprising a control unit, which is configured to control at least the respective first switching units (705), and wherein at least one switching state (306, 406) at least one is controlled by an inner module (100 , 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) formed first switching unit (705) is configured to conduct the current via the respective outer upper busbar and the respective lower busbar together bypassing the respective energy store of the at least one first switching unit . Schaltung (900, 1000, 1100) nach Anspruch 10, bei der die Schaltung zusätzlich einen zweiten Energiespeicher (909) aufweist, der zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105) und der unteren Stromschiene (107) angeordnet ist.Circuit (900, 1000, 1100) after Claim 10 , in which the circuit additionally has a second energy store (909) which is arranged between the outer upper busbar (105) and the lower busbar (107). Schaltung (1000, 1100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem der Verbindungschalter (110, 210, 310, 320, 510, 520, 610, 710) durch einen Doppelgleichrichter ersetzt ist, wobei der Doppelgleichrichter gebildet ist, indem mit der äußeren oberen Stromschiene (105) eine Induktivität (1030) und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters (1010) verbunden ist, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (106) verbunden ist, sowie zwischen der Induktivität (1030) und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter (1010) ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters (1020) angeschlossen ist, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene (107) verbunden ist.Circuit (1000, 1100) according to one of the Claims 10 or 11 , in which the connection switch (110, 210, 310, 320, 510, 520, 610, 710) is replaced by a double rectifier, the double rectifier being formed by an inductance (1030) and thereon with the outer upper busbar (105) the source / emitter connection of a first unidirectional semiconductor switch (1010) is connected, and further its drain / collector connection is connected to the inner upper busbar (106), and between the inductor (1030) and the first unidirectional semiconductor switch ( 1010) a drain / collector connection of a second unidirectional semiconductor switch (1020) is connected, the source / emitter connection of which is connected to the lower busbar (107). Schaltung (800) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken (311, 312, 313, 314) auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken (111, 112, 113, 114) auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls (705) eine jeweilige zweite Schalteinheit (706, 800) gebildet ist. Circuit (800) according to one of the Claims 10 to 12th , with a respective module without the two half bridges (311, 312, 313, 314) on its left side, but together with the two half bridges (111, 112, 113, 114) on the left side one on the right side of the respective Module adjacent module (705), a respective second switching unit (706, 800) is formed.
DE102019120615.4A 2019-07-31 2019-07-31 Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges Active DE102019120615B3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019120615.4A DE102019120615B3 (en) 2019-07-31 2019-07-31 Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019120615.4A DE102019120615B3 (en) 2019-07-31 2019-07-31 Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019120615B3 true DE102019120615B3 (en) 2020-08-06

Family

ID=71615679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019120615.4A Active DE102019120615B3 (en) 2019-07-31 2019-07-31 Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019120615B3 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11135923B2 (en) 2019-03-29 2021-10-05 Tae Technologies, Inc. Module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto
US20210316621A1 (en) 2020-04-14 2021-10-14 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for charging and discharging module-based cascaded energy systems
US11626791B2 (en) 2017-06-16 2023-04-11 Tae Technologies, Inc. Multi-level hysteresis voltage controllers for voltage modulators and methods for control thereof
US11794599B2 (en) 2020-05-14 2023-10-24 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for rail-based and other electric vehicles with modular cascaded energy systems
US11840149B2 (en) 2018-03-22 2023-12-12 Tae Technologies, Inc. Systems and methods for power management and control
US11845356B2 (en) 2020-09-30 2023-12-19 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for intraphase and interphase balancing in module-based cascaded energy systems
US11888320B2 (en) 2021-07-07 2024-01-30 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for module-based cascaded energy systems configured to interface with renewable energy sources
US11894781B2 (en) 2020-09-28 2024-02-06 Tae Technologies, Inc. Multi-phase module-based energy system frameworks and methods related thereto
US11973436B2 (en) 2017-06-12 2024-04-30 Tae Technologies, Inc. Multi-level multi-quadrant hysteresis current controllers and methods for control thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016012247A1 (en) 2014-07-23 2016-01-28 Universität der Bundeswehr München Modular energy storage direct converter system
DE102015106196B3 (en) 2015-04-02 2016-06-23 Rainer Marquardt Low loss modular multilevel converter
US9496799B2 (en) 2011-07-29 2016-11-15 Technische Universitaet Muenchen Electrical converter system
WO2017016601A1 (en) 2015-07-29 2017-02-02 Siemens Aktiengesellschaft Modular multi-level converter and sub-module for a multi-level converter
US20190052187A1 (en) 2016-02-25 2019-02-14 Ge Energy Power Conversion Technology Ltd Dual submodule for a modular multilevel converter and modular multilevel converter including the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9496799B2 (en) 2011-07-29 2016-11-15 Technische Universitaet Muenchen Electrical converter system
WO2016012247A1 (en) 2014-07-23 2016-01-28 Universität der Bundeswehr München Modular energy storage direct converter system
DE102015106196B3 (en) 2015-04-02 2016-06-23 Rainer Marquardt Low loss modular multilevel converter
WO2017016601A1 (en) 2015-07-29 2017-02-02 Siemens Aktiengesellschaft Modular multi-level converter and sub-module for a multi-level converter
US20190052187A1 (en) 2016-02-25 2019-02-14 Ge Energy Power Conversion Technology Ltd Dual submodule for a modular multilevel converter and modular multilevel converter including the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225
GOETZ, Stefan M.; PETERCHEV, Angel V.; WEYH, Thomas: Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: topology and control. In: IEEE Transactions on Power Electronics. 2015, Bd. 30, H. 1, S. 203-215. ISSN 0885-8993. DOI: 10.1109/TPEL.2014.2310225. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6763109 [abgerufen am 29.06.2016]. Bibliographieinformationen ermittelt über: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6763109&newsearch=true&queryText=Modular%20Multilevel%20Converter%20with%20Series%20and%20Parallel%20Module%20Connectivity:%20Topology%20and%20Control [abgerufen am 29.06.2016]. *

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11973436B2 (en) 2017-06-12 2024-04-30 Tae Technologies, Inc. Multi-level multi-quadrant hysteresis current controllers and methods for control thereof
US11626791B2 (en) 2017-06-16 2023-04-11 Tae Technologies, Inc. Multi-level hysteresis voltage controllers for voltage modulators and methods for control thereof
US11881761B2 (en) 2017-06-16 2024-01-23 Tae Technologies, Inc. Multi-level hysteresis voltage controllers for voltage modulators and methods for control thereof
US11840150B2 (en) 2018-03-22 2023-12-12 Tae Technologies, Inc. Systems and methods for power management and control
US11840149B2 (en) 2018-03-22 2023-12-12 Tae Technologies, Inc. Systems and methods for power management and control
US11597284B2 (en) 2019-03-29 2023-03-07 Tae Technologies, Inc. Module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto
US11135923B2 (en) 2019-03-29 2021-10-05 Tae Technologies, Inc. Module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto
US11603001B2 (en) 2019-03-29 2023-03-14 Tae Technologies, Inc. Module-based energy systems having converter-source modules and methods related thereto
US11964573B2 (en) 2019-03-29 2024-04-23 Tae Technologies, Inc. Module-based energy systems having converter-source modules and methods related thereto
US11884167B2 (en) 2019-03-29 2024-01-30 Tae Technologies, Inc. Module-based energy systems having converter-source modules and methods related thereto
US11897347B2 (en) 2020-04-14 2024-02-13 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for charging and discharging module-based cascaded energy systems
US20210316621A1 (en) 2020-04-14 2021-10-14 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for charging and discharging module-based cascaded energy systems
US11794599B2 (en) 2020-05-14 2023-10-24 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for rail-based and other electric vehicles with modular cascaded energy systems
US11827115B2 (en) 2020-05-14 2023-11-28 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for rail-based and other electric vehicles with modular cascaded energy systems
US11923782B2 (en) 2020-09-28 2024-03-05 Tae Technologies, Inc. Multi-phase module-based energy system frameworks and methods related thereto
US11894781B2 (en) 2020-09-28 2024-02-06 Tae Technologies, Inc. Multi-phase module-based energy system frameworks and methods related thereto
US11845356B2 (en) 2020-09-30 2023-12-19 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for intraphase and interphase balancing in module-based cascaded energy systems
US11942788B2 (en) 2021-07-07 2024-03-26 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for module-based cascaded energy systems configured to interface with renewable energy sources
US11888320B2 (en) 2021-07-07 2024-01-30 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for module-based cascaded energy systems configured to interface with renewable energy sources

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019120615B3 (en) Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges
DE102019120616B3 (en) Process and system for modular multilevel converters with extended switching states
DE102011108920B4 (en) Electric drive system
EP2647119B1 (en) Novel multi-level converter topology with the possibility of dynamically connecting individual modules in series and in parallel
EP3014725B1 (en) Energy storage device having a dc voltage supply circuit and method for providing a dc voltage from an energy storage device
DE102005016177B4 (en) Circuit arrangement and associated driving method for an electric or hybrid vehicle with two DC sources
DE102019130738A1 (en) Battery with a battery module and method for its operation
WO2017016674A1 (en) Individual module, electrical converter system, and battery system
EP3562701A1 (en) Low-volt decoupling from a modular energy store converter system
EP2898595A1 (en) Modular multilevel dc/dc converter for hvdc applications
DE102019130737A1 (en) Method for operating a battery and control device therefor
EP3255773A1 (en) Low loss double submodule for a modular multi-level converter and modular multi-level converter having same
EP3211784A1 (en) Double submodule for a modular multilevel converter and modular multilevel converter comprising same
WO2013000522A1 (en) Capacitor arrangement for an intermediate circuit of a voltage transformer
DE102019120945A1 (en) Process for the production of a modular multilevel converter and modular multilevel converter with modular elements from two-quadrant modules
EP2586646B1 (en) Electrical power supply assembly for drive units, for operating a rail vehicle on electrical supply networks
WO2014154495A1 (en) Energy storage device and system having an energy storage device
EP2928060A1 (en) Modular frequency converter circuit with submodules having different switching capacities
EP3622621B1 (en) Multilevel power converter
EP4270764A1 (en) Switched capacitor multilevel converter circuit in ssps topology
DE102020131349B3 (en) Circuit arrangement and method for controlling and activating the connection of electrical equipment and / or power line sections
DE102013109714A1 (en) Method for operating an electrical circuit and electrical circuit
DE102014005124A1 (en) Circuit arrangement and method for exchanging electrical energy
DE102014201711A1 (en) Energy storage device, system with energy storage device and method for driving an energy storage device
WO2013186006A2 (en) Multicell converter

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final