DE102019120945A1 - Process for the production of a modular multilevel converter and modular multilevel converter with modular elements from two-quadrant modules - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen modularen Multilevelkonverter mit Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen, der mindestens einen Doppelstrang aus zwei Modularmen, wobei ein jeweiliger Modularm mindestens zwei seriell verschaltete Modulen aufweist, umfasst, wobei ein Modul einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss aufweist, bei dem zwischen den beiden Modulanschlüssen eine obere Stromschiene eine untere Stromschiene, ein Energiespeicher, eine erste Diode, eine Parallelschaltung aus einem ersten Schalter und einer zweiten Diode, eine Parallelschaltung aus einem zweiten Schalter und einer dritten Diode und eine vierte Diode eingefügt sind, wobei jeder Modularm in Betrieb nur von einem Strom in eine Stromrichtung von einem ersten Ende des jeweiligen Modularms zu einem zweiten Ende des jeweiligen Modularms durchflossen wird, wobei zur seriellen Verschaltung eines jeweiligen Moduls mit einem jeweiligen Nachbarmodul der zweite Modulanschluss des jeweiligen Moduls mit dem ersten Modulanschluss des jeweiligen Nachbarmoduls in Stromrichtung zu verschalten bzw. verschaltet ist, wobei der mindestens eine Doppelstrang aus zwei Modularmen aus einem Zusammenschluss des ersten Endes eines zweiten Modularmes mit einem zweiten Ende eines ersten Modularmes zu einem ersten Doppelstranganschluss und einem Zusammenschluss des zweiten Endes des zweiten Modularmes mit einem ersten Ende des ersten Modularmes zu einem zweiten Doppelstranganschluss gebildet ist. Ferner wird eine Verfahren zu Herstellung dieses modularen Multilevelkonverters beansprucht.The invention relates to a modular multilevel converter with modular elements of two-quadrant modules, which comprises at least one double strand of two modular elements, each module having at least two modules connected in series, with one module having a first module connection and a second module connection in which between the two module connections an upper busbar, a lower busbar, an energy store, a first diode, a parallel connection of a first switch and a second diode, a parallel connection of a second switch and a third diode and a fourth diode are inserted, each modular module in Operation is traversed by only one current in one current direction from a first end of the respective modular to a second end of the respective modular, the second module connection of the respective module with the first for the serial connection of a respective module with a respective neighboring module Module connection of the respective neighboring module is to be interconnected or interconnected in the current direction, the at least one double strand of two modularms from an amalgamation of the first end of a second Modularmes with a second end of a first Modularmes to a first double strand connection and a combination of the second end of the second Modularmes is formed with a first end of the first Modularmes to a second double-strand connection. A method for producing this modular multilevel converter is also claimed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines modularen Multilevelkonverters mit Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen, wodurch bei Schaltwechseln eine harte Kommutierung bei einer von dem Multilevelkonverter umfassten Feldeffekttransistoren eigenen Body-Diode vermieden wird. Ferner wird der modulare Multilevelkonverter mit Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen beansprucht.The present invention relates to a method for producing a modular multilevel converter with modular elements from two-quadrant modules, which avoids hard commutation in the case of a field-effect transistor included in the multilevel converter body diode during switching changes. Furthermore, the modular multilevel converter with modular elements of two-quadrant modules is claimed.

Ein modularer Multilevelkonverter ist eine Anordnung mehrerer elektrisch verbundener Module, die jeweils mindestens einen Energiespeicher und mehrere Halbleiterschalter zum Verschalten der Energiespeicher zwischen den Modulen aufweisen. Durch eine dynamische Verschaltung kann so aus einer Gleichspannung der Energiespeicher eine Wechselspannung bspw. zum Betreiben einer elektrischen Maschine erzeugt werden. Ein Beispiel stellt der von R. Marquardt in der Druckschrift US 2018/0109202 offenbarte modulare Multilevelkonverter, auch als MMC oder M2C abgekürzt, dar.A modular multilevel converter is an arrangement of several electrically connected modules, each of which has at least one energy store and several semiconductor switches for connecting the energy store between the modules. By means of a dynamic interconnection, an alternating voltage, for example for operating an electrical machine, can thus be generated from a direct voltage of the energy store. An example is provided by R. Marquardt in the publication US 2018/0109202 disclosed modular multilevel converter, also abbreviated as MMC or M2C.

Problematisch bei modularen Multilevelkonvertern ist, dass bei Schaltvorgängen eine Belastung der Halbleiterschalter in den Modulen sehr hoch ist, da aktiv Strom kommutiert werden muss, auch als „Hard-Switching“ bzw. harte Kommutierung bezeichnet. Dies bedeutet, dass Strom, der durch einen Halbleiterschalter einer Halbbrücke fließt, aktiv auf den anderen Halbleiterschalter gezwungen werden muss. Insbesondere bei Schaltübergangen in einem abzuschaltenden Feldeffekttransistor, bei denen der Strom sozusagen rückwärts, also vom Source-Kontakt zum Drain-Kontakt fließt, ist die Belastung sehr hoch. Wird der Feldeffekttransistor, der im Allgemeinen eine intrinsische Body-Diode umfasst, abgeschaltet, fließt der Strom auf der Body-Diode in gleicher Richtung weiter, bis der zweite Feldeffekttransistor der Halbbrücke einschaltet. In diesem Moment sinkt eine Vorwärtsspannung der Body-Diode ab, durchläuft null und wird negativ. Der Stromfluss versiegt entsprechend und der Strom muss über den gerade angeschalteten zweiten Feldeffekttransistor fließen.The problem with modular multilevel converters is that the load on the semiconductor switches in the modules is very high during switching operations, since current has to be actively commutated, also known as “hard switching” or hard commutation. This means that current flowing through a semiconductor switch of a half bridge must be actively forced to the other semiconductor switch. Particularly in the case of switching transitions in a field effect transistor to be switched off, in which the current flows backwards, so to speak, that is, from the source contact to the drain contact, the load is very high. If the field effect transistor, which generally comprises an intrinsic body diode, is switched off, the current on the body diode continues to flow in the same direction until the second field effect transistor of the half bridge switches on. At this moment a forward voltage of the body diode drops, passes through zero and becomes negative. The current flow dries up accordingly and the current must flow through the second field effect transistor that has just been switched on.

Allerdings erfolgt der voranstehend beschriebene Vorgang gewöhnlicherweise nicht derart ideal. Body-Dioden enthalten eine hohe Raumladung im pn-Übergang. Eine damit verbundene Ladung wird nicht nur durch sogenannte Majoritätsladungsträger, bspw. Elektronen in n-dotierten Gebieten und Löcher in p-dotierten Gebieten, sondern insbesondere durch Minoritätsladungsträger, welche bei fehlendem Feld rein durch langsame Diffusion und Rekombination verschwinden können, gebildet. Diese Ladung kann beim Übergang in einen Sperrzustand weiter leiten und führt zu einem Stromimpuls, der nach einem Ausschwemmen der Ladung schlagartig zusammenbricht und einen induktiven Spannungspuls erzeugt, der die Halbleiter der Schaltung zerstören kann. Ein solcher Mechanismus wird auch als Reverse Recovery bezeichnet.However, the above process is usually not so ideal. Body diodes contain a high space charge in the pn junction. An associated charge is not only formed by so-called majority charge carriers, for example electrons in n-doped areas and holes in p-doped areas, but in particular by minority charge carriers, which can disappear purely through slow diffusion and recombination in the absence of a field. This charge can pass on during the transition to a blocking state and leads to a current pulse which suddenly collapses after the charge is flushed out and generates an inductive voltage pulse that can destroy the semiconductors of the circuit. Such a mechanism is also known as reverse recovery.

Die Body-Diode ist in der Regel tief in eine Transistorstruktur eingebettet und verwendet dort eine Sperrzone des Transistors. Je höher eine Sperrspannung des jeweilig gewählten Transistormaterials ist, desto länger ist ein Pfad durch die Sperrzone. Je niedriger ein An-Widerstand des Transistors ist, also je höher eine Stromleistungsfähigkeit des Transistors ist, desto größer ist eine Querschnittsfläche der Sperrzone. Ein aus Pfad und Querschnittsfläche gebildetes Volumen steigt also mit der Spannung und der Stromleistungsfähigkeit an, und je größer das Volumen ist, desto mehr Reverse-Recovery-Ladung liegt vor. Entsprechend weisen insbesondere Feldeffekttransistoren bei höheren Spannungen (z.B. größer als 200 V) und niedrigen Kanalwiderständen meist unbeherrschbar hohe Reverse-Recovery-Ladungen auf.The body diode is usually deeply embedded in a transistor structure and uses a blocking zone of the transistor there. The higher a reverse voltage of the respective selected transistor material, the longer a path through the blocking zone. The lower an on-resistance of the transistor, that is to say the higher a current capacity of the transistor, the larger is a cross-sectional area of the blocking zone. A volume formed from the path and cross-sectional area thus increases with the voltage and the current capacity, and the larger the volume, the more reverse recovery charge is present. Accordingly, field-effect transistors in particular have uncontrollably high reverse recovery charges at higher voltages (e.g. greater than 200 V) and low channel resistances.

Dem Stand der Technik ist eine Parallelschaltung von Dioden mit extrem geringer Vorwärtsspannung und geringer Minoritätsträgerladung bekannt, damit ein Strom nicht auf der Body-Diode sondern überwiegend auf einer externen Diode, welche bspw. durch eine Schottky-Diode gebildet sein kann, fließt. Allerdings verhindert meist bereits eine durch einen Strompfad durch die externe Diode gebildete höhere Induktivität, dass ein wesentlicher Teil des Stromes innerhalb einer kurzen Zeit zwischen Ausschalten eines der beiden Halbbrückentransistoren und Anschalten des anderen der beiden Halbbrückentransistoren der Strom auf die externe Diode wechselt. Ein Integrieren der externen Diode in Gehäuse oder Modul des Transistors ist jedoch kostspielig.A parallel connection of diodes with extremely low forward voltage and low minority carrier charge is known from the prior art so that a current does not flow on the body diode but predominantly on an external diode, which can be formed, for example, by a Schottky diode. However, a higher inductance formed by a current path through the external diode usually prevents a substantial part of the current from changing the current to the external diode within a short time between switching off one of the two half-bridge transistors and switching on the other of the two half-bridge transistors. However, integrating the external diode in the housing or module of the transistor is expensive.

Die US-amerikanische Druckschrift US 2013/0208521 A1 offenbart einen DC/AC-Wandler mit mindestens einem Arm, der einen ersten und einen zweiten Konverter-Block aufweist. Während der erste Konverter-Block zur Anbindung an ein Wechselstrom-Netzwerk vorgesehen ist und hierzu eine Vielzahl an Thyristoren umfasst, weist der zweite Konverter-Block Gleichspannungsanschlüsse auf und ist aus in Reihe verschalteten bipolaren Zwei-Quadranten-Modulen mit jeweils zwei Halbbrücken und einem Energiespeicher zusammengesetzt.The American pamphlet US 2013/0208521 A1 discloses a DC / AC converter having at least one arm comprising first and second converter blocks. While the first converter block is intended for connection to an alternating current network and includes a large number of thyristors for this purpose, the second converter block has DC voltage connections and is made up of bipolar two-quadrant modules connected in series, each with two half bridges and an energy store composed.

In der Druckschrift US 2014/0254205 A1 wird ein Gleichstromwandler zum Verbinden zweier Hochvolt-Stromübertragungsnetze beschrieben, der mittels eines Wandlers einen ersten Gleichstrom in einen Wechselstrom transformiert, und den Wechselstrom mittels eines Gleichrichters zu einem zweiten Gleichstrom transformiert. Zumindest der Wandler weist dabei mindestens zwei Arme aus gleichartigen bipolaren Zwei-Quadranten-Modulen auf.In the pamphlet US 2014/0254205 A1 describes a direct current converter for connecting two high-voltage power transmission networks, which transforms a first direct current into an alternating current by means of a converter, and transforms the alternating current to a second direct current by means of a rectifier. At least the converter has at least two arms made of similar bipolar two-quadrant modules.

Die Druckschrift US 2015/0028826 A1 beschreibt eine Steuerung durch einen Zwischenkreis-Wandler, um mittels einer Reihenschaltung einer Vielzahl an Vier-Quadranten-Modulen und eines Energiewandlers eine Stromwellenform zu modulieren, ohne ein Energielevel an den Anschlüssen des Zwischenkreis-Wandlers zu verändern.The pamphlet US 2015/0028826 A1 describes a control by an intermediate circuit converter in order to modulate a current waveform by means of a series connection of a plurality of four-quadrant modules and an energy converter without changing an energy level at the connections of the intermediate circuit converter.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Multilevelkonverters bereitzustellen, welches eine harte Kommutierung des Stromes zwischen Schaltern und insbesondere von der Body-Diode auf den benachbarten Transistor vermeidet. Dabei sollen kostenintensiven Schaltungen vermieden werden, welche meist auch einen höheren Platzbedarf benötigen. Ferner soll eine hierzu entsprechende Schaltung vorgestellt werden.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for producing a multilevel converter which avoids hard commutation of the current between switches and in particular from the body diode to the adjacent transistor. In doing so, cost-intensive circuits are to be avoided, which usually also require more space. Furthermore, a circuit corresponding to this will be presented.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines modularen Multilevelkonverters mit Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen vorgeschlagen, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Doppelstrang aus zwei Modularmen, bei dem ein jeweiliger Modularm mindestens zwei seriell verschaltete Module aufweist, umfasst. Ein Modul weist einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss auf. Zwischen den beiden Modulanschlüssen werden eine obere Stromschiene und eine untere Stromschiene angeordnet, wobei dann zwischen den beiden Stromschienen ein Energiespeicher angeordnet wird. In der oberen Stromschiene wird unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss eine erste Diode mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher eingefügt. Weiter wird in der oberen Stromschiene unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss eine Parallelschaltung aus einem ersten Schalter und einer zweiten Diode mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher eingefügt. In der unteren Stromschiene wird unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss eine Parallelschaltung aus einem zweiten Schalter und einer dritten Diode mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher eingefügt. Weiter wird in der unteren Stromschiene unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss eine vierte Diode mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher eingefügt. Jeder Modularm wird in Betrieb nur von einem Strom in eine Stromrichtung von einem ersten Ende des jeweiligen Modularms zu einem zweiten Ende des jeweiligen Modularms durchflossen. Zur seriellen Verschaltung eines jeweiligen Moduls mit einem jeweiligen Nachbarmodul wird der zweite Modulanschluss des jeweiligen Moduls mit dem ersten Modulanschluss des jeweiligen Nachbarmoduls in Stromrichtung verschaltet. Der mindestens eine Doppelstrang an Modularmen wird aus einem Zusammenschluss des ersten Endes eines zweiten Modularmes mit einem zweiten Ende eines ersten Modularmes zu einem ersten Doppelstranganschluss, und einem Zusammenschluss des zweiten Endes des zweiten Modularmes mit einem ersten Ende des ersten Modularmes zu einem zweiten Doppelstranganschluss gebildet.To solve the above-mentioned problem, a method for producing a modular multilevel converter with modulars from two-quadrant modules is proposed, in which the modular multilevel converter comprises at least one double strand of two modulars, in which a respective modular has at least two serially connected modules. A module has a first module connection and a second module connection. An upper busbar and a lower busbar are arranged between the two module connections, an energy store then being arranged between the two busbars. In the upper busbar, a first diode is inserted with its cathode in the direction of the energy store immediately before the first module connection. Furthermore, a parallel connection of a first switch and a second diode with its cathode in the direction of the energy store is inserted in the upper busbar immediately before the second module connection. In the lower busbar, immediately before the first module connection, a parallel connection of a second switch and a third diode is inserted with its anode in the direction of the energy store. Furthermore, a fourth diode is inserted with its anode in the direction of the energy store in the lower busbar immediately before the second module connection. During operation, only one current flows through each modularm in one direction of current from a first end of the respective modularm to a second end of the respective modularm. For the serial connection of a respective module with a respective neighboring module, the second module connection of the respective module is connected to the first module connection of the respective neighboring module in the current direction. The at least one double strand of modulars is formed from a merger of the first end of a second modularm with a second end of a first modular to form a first double stranded connection, and a merger of the second end of the second modularm with a first end of the first modular to form a second double stranded connection.

Die Anordnung der jeweiligen Dioden bzw. Schalter erfolgt an den Enden der jeweiligen Stromschienen vor den jeweiligen Modulanschlüssen und wird als „unmittelbar“ bezeichnet, um damit auszudrücken, dass im Gegensatz dazu der Energiespeicher zwischen den jeweiligen Enden der beiden Stromschienen diese verbindet.The respective diodes or switches are arranged at the ends of the respective busbars in front of the respective module connections and are referred to as "direct" to express that, in contrast, the energy store between the respective ends of the two busbars connects them.

Das Zwei-Quadranten-Modul kann bei vorgegebener Stromrichtung durch geeignete Verschaltung seines Energiespeichers über den ersten Schalter und den zweiten Schalter auf den durchgeleiteten Strom sowohl im positiven wie auch im negativen Quadranten einer Strom-Spannungsebene, welche gemeinhin durch jeweils zwei Vorzeichenmöglichkeiten für Strom und Spannung vier Quadranten aufweist, aktuieren. Durch den erfindungsgemäßen mindestens einen Doppelstrang als Parallelkombination der beiden Modularme können somit alle vier Quadranten der Strom-Spannungsebene bedient werden.With a given current direction, the two-quadrant module can, by suitably interconnecting its energy storage device via the first switch and the second switch, on the current that is passed through, both in the positive and in the negative quadrant of a current-voltage level, which is generally characterized by two possible signs for current and voltage has four quadrants, actuate. Through the at least one double strand according to the invention as a parallel combination of the two modules, all four quadrants of the current-voltage level can be served.

Da jeder Modularm zur Durchleitung von Strom in einer Stromrichtung ausgelegt ist, kann gegenüber einem Vier-Quadranten-Modul, welches bspw. statt der ersten Diode und der vierten Diode eine jeweilige zusätzliche Parallelschaltung aus Schalter und Diode aufweist, vorteilhaft auf eben diese zusätzlichen Parallelschaltungen verzichtet werden. Dies bedeutet, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft gegenüber dem Vier-Quadranten-Modul die Hälfte der dort implementierten aktiven Schalter eingespart werden kann und stattdessen Dioden zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft können hierzu solche Dioden verwendet werden, die eine geringe oder keine Reverse-Recovery-Ladung aufweisen. Als Beispiel können hierbei Schottky-Dioden angeführt werden, deren Durchleitung auf Majoritätsladungsträgern basiert, wodurch kein oder nur ein sehr geringer Reverse-Recovery-Effekt auftritt.Since each module is designed to conduct current in one direction of flow, these additional parallel connections can advantageously be dispensed with compared to a four-quadrant module which, for example, instead of the first diode and the fourth diode has an additional parallel connection of switch and diode will. This means that in the method according to the invention, advantageously compared to the four-quadrant module, half of the active switches implemented there can be saved and diodes are used instead. For this purpose, it is particularly advantageous to use those diodes which have little or no reverse recovery charge. Schottky diodes can be cited here as an example, the conduction of which is based on majority charge carriers, as a result of which no or only a very slight reverse recovery effect occurs.

Ein bisheriges modulares Multilevelkonvertersystem, wie bspw. der 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. Demgegenüber ersetzt der durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellte modulare Multilevelkonverter mit Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen jeden Arm des MMSPC durch eine Parallelkombination auf zweierlei Art verschalteter aber sonst baugleicher Zwei-Quadranten-Module, welche bei nur einer Stromrichtung beide Spannungspolaritäten bedienen. Durch die voranstehend erwähnte Einsparung der Hälfte der Schalter in den Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen steigt bei erfindungsgemäßer Anordnung der Parallelkombination insgesamt eine Anzahl an aktiven Schaltern bspw. Halbleitertransistoren nicht.A previous modular multilevel converter system, such as the 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, through a configuration of an electrical connection of Energy storage in modules and by switching modulation between switching states to create any intermediate states. In contrast, the modular multilevel converter provided by the method according to the invention with modular elements of two-quadrant modules replaces each arm of the MMSPC with a parallel combination of two-way interconnected but otherwise structurally identical two-quadrant modules that serve both voltage polarities with only one current direction. As a result of the above-mentioned saving of half of the switches in the modules of two-quadrant modules, the number of active switches, for example semiconductor transistors, does not increase overall with the arrangement of the parallel combination according to the invention.

Die jeweiligen mindestens zwei in den jeweiligen Modularmen des mindestens einen Doppelstrangs seriell verschalteten Module sind zwar im Aufbau stets gleich, werden aber als Ergebnis der Verschaltung des Doppelstrangs bezogen auf die jeweiligen Modularme zueinander invers angeordnet, d. h. das Modul im dem jeweiligen einen Modularm ergibt sich spiegelsymmetrisch mit dem jeweiligen Energiespeicher als Spiegelachse aus dem Modul in dem jeweiligen anderen Modularm. Entsprechend ist eine Steuerung daher vorteilhaft dazu ausgelegt, rein durch eine Software bzw. durch eine Logik eine Adressierung des ersten Schalters mit der Adressierung des zweiten Schalters in den jeweiligen Modulen eines jeweiligen Modularmes zu vertauschen. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich aus gleichartig angeordneten bzw. hergestellten Modularmen eine jeweilig für einen Doppelstrang benötigte Konfiguration erzeugen. Letztlich wird vorteilhaft nur ein einziger Modulhardwaretyp benötigt, was die Herstellung enorm vergünstigt.The respective at least two modules connected in series in the respective modular terms of the at least one double strand are always the same in structure, but as a result of the wiring of the double strand are arranged inversely with respect to the respective modular terms, i.e. H. the module in the respective one modularm results mirror-symmetrically with the respective energy store as a mirror axis from the module in the respective other modularm. Accordingly, a controller is therefore advantageously designed to exchange addressing of the first switch with addressing of the second switch in the respective modules of a respective modular system, purely by software or by logic. With this refinement, a configuration required for a double strand can be generated from similarly arranged or manufactured modular elements. Ultimately, only a single type of module hardware is advantageously required, which makes manufacturing much cheaper.

Als Energiespeicher kann ein Gleichspannungsspeicher aus folgender Liste gewählt werden: Kondensator, Elektrolytkondensator, Batterie, Energiezelle. Dabei kann der Gleichspannungsspeicher bspw. als eine prismatische Zelle, als eine Rundzelle oder als eine Pouch-Zelle ausgebildet sein. Auch Kombinationen mehrerer oder verschiedener Gleichspannungsspeicher, bspw. als Batteriepaket, sind denkbar.A DC voltage storage device can be selected from the following list as the energy storage device: capacitor, electrolytic capacitor, battery, energy cell. In this case, the DC voltage store can be designed, for example, as a prismatic cell, as a round cell or as a pouch cell. Combinations of several or different DC voltage stores, for example as a battery pack, are also conceivable.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden drei Doppelstränge mit ihrem jeweiligen ersten Doppelstranganschluss zu einem Neutralpunkt zusammengeschaltet. Durch den jeweiligen zweiten Doppelstranganschluss wird eine jeweilige Phase einer Dreiphasenwechselstromversorgung gebildet.In one embodiment of the method according to the invention, three double strands are interconnected with their respective first double strand connection to form a neutral point. A respective phase of a three-phase alternating current supply is formed by the respective second double-strand connection.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweilig sich entsprechenden Phasen zweier Dreiphasendoppelstränge zu einem Dreiphasenausgang zusammengeschaltet. Durch die jeweiligen Neutralpunkte werden zwei Pole eines Gleichspannungsanschlusses gebildet.In a further embodiment of the method according to the invention, the respective corresponding phases of two three-phase double strands are interconnected to form a three-phase output. Two poles of a DC voltage connection are formed by the respective neutral points.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die jeweilige Parallelschaltung eines Schalters mit einer Diode durch einen Feldeffekttransistor mit intrinsischer Body-Diode gebildet. Der Feldeffekttransistor kann bspw. ein MOSFET sein.In yet another embodiment of the method according to the invention, the respective parallel connection of a switch with a diode is formed by a field effect transistor with an intrinsic body diode. The field effect transistor can be a MOSFET, for example.

In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweilige erste Diode und/oder die jeweilige vierte Diode durch eine Schottky-Diode gebildet.In a continued further embodiment of the method according to the invention, the respective first diode and / or the respective fourth diode are formed by a Schottky diode.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Energiespeicher eines jeweiligen Moduls durch eine jeweilige Nachladeschaltung für einen Dauerbetrieb mit Energie versorgt.In a still further embodiment of the method according to the invention, the energy store of a respective module is supplied with energy for continuous operation by a respective recharging circuit.

Ferner wird ein modularer Multilevelkonverter mit Modularmen aus Zwei-Quadranten-Modulen beansprucht, der mindestens einen Doppelstrang aus zwei Modularmen, wobei ein jeweiliger Modularm mindestens zwei seriell verschaltete Module aufweist, umfasst. Ein Modul weist einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss auf. Zwischen den beiden Modulanschlüssen sind eine obere Stromschiene und eine untere Stromschiene angeordnet, wobei zwischen den beiden Stromschienen ein Energiespeicher angeordnet ist. In der oberen Stromschiene ist unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss eine erste Diode mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher eingefügt. Weiter ist in der oberen Stromschiene unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss eine Parallelschaltung aus einem ersten Schalter und einer zweiten Diode mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher eingefügt. In der unteren Stromschiene ist unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss eine Parallelschaltung aus einem zweiten Schalter und einer dritten Diode mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher eingefügt. In der unteren Stromschiene ist unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss eine vierte Diode mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher eingefügt. Jeder Modularm ist in Betrieb nur von einem Strom in eine Stromrichtung von einem ersten Ende des jeweiligen Modularms zu einem zweiten Ende des jeweiligen Modularms durchflossen. Zur seriellen Verschaltung eines jeweiligen Moduls mit einem jeweiligen Nachbarmodul ist der zweite Modulanschluss des jeweiligen Moduls mit dem ersten Modulanschluss des jeweiligen Nachbarmoduls in Stromrichtung zu verschalten bzw. verschaltet. Der mindestens eine Doppelstrang an Modularmen ist aus einem Zusammenschluss des ersten Endes eines zweiten Modularmes mit einem zweiten Ende eines ersten Modularmes zu einem ersten Doppelstranganschluss, und einem Zusammenschluss des zweiten Endes des zweiten Modularmes mit einem ersten Ende des ersten Modularmes zu einem zweiten Doppelstranganschluss gebildet.Furthermore, a modular multilevel converter with modulars of two-quadrant modules is claimed, which comprises at least one double strand of two modulars, wherein a respective modular has at least two modules connected in series. A module has a first module connection and a second module connection. An upper busbar and a lower busbar are arranged between the two module connections, an energy store being arranged between the two busbars. A first diode with its cathode in the direction of the energy store is inserted in the upper busbar immediately before the first module connection. Furthermore, a parallel connection of a first switch and a second diode with its cathode in the direction of the energy store is inserted in the upper busbar immediately before the second module connection. In the lower busbar, immediately before the first module connection, a parallel connection of a second switch and a third diode is inserted with its anode in the direction of the energy store. In the lower busbar, a fourth diode is inserted with its anode in the direction of the energy store immediately before the second module connection. In operation, each modularm has only one current flowing through it in one current direction from a first end of the respective modularm to a second end of the respective modularm. For the serial connection of a respective module with a respective neighboring module, the second module connection of the respective module is to be connected or connected to the first module connection of the respective neighboring module in the current direction. The at least one double line of modular elements is made up of a merger of the first end of a second modular element with a second end of a first modular element to form a first double line connection and one Combination of the second end of the second Modularmes with a first end of the first Modularmes to form a second double-strand connection.

Mit dem erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverter kann eine Wechselstromphase für eine sich an dem ersten und dem zweiten Doppelstranganschluss befindliche Last bereitgestellt werden. Als Verwendungen kommen bspw. eine Blindleistungskompensation oder eine Eliminierung von Netzharmonischen und Verzerrungen in Frage.With the modular multilevel converter according to the invention, an alternating current phase can be provided for a load located on the first and the second double-strand connection. Possible uses are, for example, reactive power compensation or the elimination of network harmonics and distortions.

Ab einer bestimmten Spannungsamplitude des durch den Doppelstrang fließenden bzw. von ihm bereitgestellten Stromes ergeben sich Ausgleichsströme zwischen den beiden Modularmen, d. h. Ströme eines treibenden Modularmes werden von dem anderen Modularm aufgenommen und fließen nicht zu der mit den Doppelstranganschlüssen verschalteten Last.Above a certain voltage amplitude of the current flowing through the double strand or provided by it, compensating currents arise between the two modules, i.e. H. Currents from a driving modular meter are absorbed by the other modular meter and do not flow to the load connected to the double-strand connections.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters sind drei Doppelstränge mit ihrem jeweiligen ersten Doppelstranganschluss zu einem Neutralpunkt zusammengeschaltet. Durch den jeweiligen zweiten Doppelstranganschluss ist eine jeweilige Phase einer Dreiphasenwechselstromversorgung gebildet. Neben einer solchen Verschaltung als Stern, bei der eine Zahl verschalteter Doppelstränge der Zahl an bereitgestellten Phasen entspricht, ist es auch denkbar, mehrere Doppelstränge zu einem Ring zu verbinden.In one embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, three double strands are interconnected with their respective first double strand connection to form a neutral point. A respective phase of a three-phase alternating current supply is formed by the respective second double-strand connection. In addition to such an interconnection as a star, in which a number of interconnected double strands corresponds to the number of phases provided, it is also conceivable to connect several double strands to form a ring.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters sind die jeweilig sich entsprechenden Phasen zweier Dreiphasendoppelstränge zu einem Dreiphasenausgang zusammengeschaltet. Weiter ist durch einen jeweiligen Neutralpunkt ein jeweiliger Pol eines Gleichspannungsanschlusses gebildet. Hierdurch wird eine Variante eines modularen Multilevelkonverter dargestellt, welche beliebig zwischen dreiphasigem Wechselstrom und Gleichstrom wandeln kann (siehe auch 3).In a further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, the respective corresponding phases of two three-phase double strands are interconnected to form a three-phase output. Furthermore, a respective pole of a DC voltage connection is formed by a respective neutral point. This represents a variant of a modular multilevel converter that can convert between three-phase alternating current and direct current (see also 3 ).

In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters sind eine oder mehrere der Dioden durch eine jeweilige Schottky-Diode gebildet.In yet another embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, one or more of the diodes are formed by a respective Schottky diode.

In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist die jeweilige Parallelschaltung eines Schalters mit einer Diode durch einen Feldeffekttransistor mit intrinsischer Body-Diode gebildet.In a continued further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, the respective parallel connection of a switch with a diode is formed by a field effect transistor with an intrinsic body diode.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist der Energiespeicher eines jeweiligen Moduls durch eine jeweilige Nachladeschaltung für einen Dauerbetrieb mit Energie versorgt.In a still further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, the energy store of a respective module is supplied with energy for continuous operation by a respective recharging circuit.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and configurations of the invention emerge 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 respectively specified combination, 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 schematisch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in einer Einphasenvariante.
  • 2 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in einer Dreiphasenvariante.
  • 3 zeigt schematisch eine noch weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in einer Dreiphasenkonvertervariante.
The figures are described coherently and comprehensively; the same components are assigned the same reference symbols.
  • 1 schematically shows an embodiment of a modular multilevel converter according to the invention in a single-phase variant.
  • 2 schematically shows another embodiment of a modular multilevel converter according to the invention in a three-phase variant.
  • 3 schematically shows yet another embodiment of a modular multilevel converter according to the invention in a three-phase converter variant.

In 1 wird schematisch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in einer Einphasenvariante als Doppelstrangschaltung 100 gezeigt, bei der ein erster Modularm 101 und ein zweiter Modularm 102 zusammengeschaltet sind. Mit einem ersten Doppelstranganschluss 105 und einem zweiten Doppelstranganschluss 106 kann bspw. ein Elektromotor eines Traktionssystems eines Fahrzeuges verbunden sein. Auch ein Stromnetz ist als Last denkbar. Ausgehend von dem zweiten Doppelstranganschluss 106 fließt in den ersten Modularm 101 ausschließlich ein Input-Strom 103 hinein und in den zweiten Modularm 102 ausschließlich ein Output-Strom 104 heraus. Der erste Modularm 101 ist aus gleichartigen seriell verschalteten Modulen des Modultyps 110 zusammengesetzt, wobei ein jeweiliges Modul zwischen einem ersten Modulanschluss 111 und einem zweiten Modulanschluss 112 eine obere Stromschiene 107 und eine untere Stromschiene 108 aufweist, zwischen denen ein Energiespeicher 119 angeordnet ist. Die obere Stromschiene 107 ist mit dem ersten Modulanschluss 111 über eine Diode 113 verschaltet, und mit dem zweiten Modulanschluss 112 über eine Parallelschaltung aus einem ersten Schalter 114 und einer zweiten Diode 115 verschaltet. Die untere Stromschiene 108 ist mit dem ersten Modulanschluss 111 über eine Parallelschaltung aus einem zweiten Schalter 116 und einer dritten Diode 117 verschaltet, und mit dem zweiten Modulanschluss 112 über eine vierte Diode 118 verschaltet. Analog hierzu ist der zweite Modularm 102 aus gleichartigen seriell verschalteten Modulen des Modultyps 120 zusammengesetzt. Der Modultyp 120 des zweiten Modularms 102 wird aus dem ersten Modultyp 110 des ersten Modularmes 101 durch Spiegelung mit dem Energiespeicher 119 als Spiegelachse erhalten, d. h. dass zur Bildung des zweiten Modultyps 120 aus dem ersten Modultyp 110 der erste Modulanschluss 111, der zweite Modulanschluss 112, die erste Diode 113, der erste Schalter 114, die zweite Diode 115, der zweite Schalter 116, die dritte Diode 117, die vierte Diode 118 und der Energiespeicher 119 des ersten Modultyps 110 jeweilig in den ersten Modulanschluss 121, den zweiten Modulanschluss 122, die erste Diode 123, den ersten Schalter 124, die zweite Diode 125, den zweiten Schalter 116, die dritte Diode 127, die vierte Diode 128 und den Energiespeicher 129 des zweiten Modultyps 120 durch Spiegelung übergehen. Die so erhaltenen Modularme 101, 102 können jeweils zwei Quadranten einer Strom-Spannungsebene mit vier Quadranten bedienen. Gezeigt wird dies ist in den kleinen Schaubildern 198, 199, in denen ein Laststrom Icoil 192 über eine Modularmspannung Varm 191 aufgetragen ist. Der erste Modularm 101 bedient hierbei zwei negative Stromquadranten 193, der zweite Modularm 102 zwei positive Stromquadranten 194. Die jeweiligen Module 110, 120 werden daher auch als Zwei-Quadranten-Module 110, 120 bezeichnet, wobei sie bezogen auf die jeweilig zugeordnete Stromrichtung 103, 104 bipolar aktuieren, d. h. den jeweiligen Energiespeicher 119, 129 seriell-plus oder seriell-minus oder unter Umgehung (bypass) verschalten können.In 1 shows schematically an embodiment of a modular multilevel converter according to the invention in a single-phase variant as a double-strand circuit 100 shown in which a first Modularm 101 and a second modular 102 are interconnected. With a first double line connection 105 and a second double line connection 106 can, for example, be connected to an electric motor of a traction system of a vehicle. A power grid is also conceivable as a load. Starting from the second double line connection 106 flows into the first modularm 101 only one input stream 103 into and into the second modularm 102 only one output stream 104 out. The first modularm 101 is made up of similar, serially connected modules of the module type 110 assembled, with a respective module between a first module connection 111 and a second module connection 112 an upper busbar 107 and a lower bus bar 108 has, between which an energy store 119 is arranged. The upper busbar 107 is with the first module connection 111 via a diode 113 connected, and with the second module connection 112 via a parallel connection from a first switch 114 and a second diode 115 interconnected. The lower busbar 108 is with the first module connection 111 via a parallel connection from a second switch 116 and a third diode 117 connected, and with the second module connection 112 via a fourth diode 118 interconnected. The second modular m 102 from similar serially interconnected modules of the module type 120 composed. The module type 120 of the second modular 102 becomes from the first module type 110 of the first modular mes 101 by mirroring with the energy storage 119 received as a mirror axis, ie that to form the second module type 120 from the first module type 110 the first module connection 111 , the second module connection 112 , the first diode 113 , the first switch 114 , the second diode 115 , the second switch 116 , the third diode 117 , the fourth diode 118 and the energy storage 119 of the first module type 110 respectively in the first module connection 121 , the second module connection 122 , the first diode 123 , the first switch 124 , the second diode 125 , the second switch 116 , the third diode 127 , the fourth diode 128 and the energy storage 129 of the second module type 120 pass by reflection. The modularme thus obtained 101 , 102 can each serve two quadrants of a current-voltage level with four quadrants. This is shown in the small diagrams 198 , 199 , in which a load current I coil 192 is applied via a modular voltage V arm 191. The first modularm 101 uses two negative current quadrants 193 , the second modular m 102 two positive current quadrants 194 . The respective modules 110 , 120 are therefore also available as two-quadrant modules 110 , 120 referred to, with reference to the respectively assigned current direction 103 , 104 Activate bipolar, ie the respective energy store 119 , 129 serial-plus or serial-minus or bypassing (bypass).

In 2 wird schematisch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in einer Dreiphasenvariante 200 gezeigt, wobei drei Doppelstränge 100 mit den Modulen 110 und den Modulen 120 aus 1 zusammengeschaltet werden. Hierzu wird jeweils der erste Doppelstranganschluss (Bezugszeichen 105 in 1) zu einem Neutralpunkt 204 zusammengeschlossen, während durch den jeweiligen zweiten Doppelstranganschluss (Bezugszeichen 106 in 1) eine jeweilige Phase 201, 202, 203 eines Dreiphasen-Multilevelkonverters 200 gebildet wird.In 2 shows schematically another embodiment of a modular multilevel converter according to the invention in a three-phase variant 200 shown being three double strands 100 with the modules 110 and the modules 120 out 1 are interconnected. For this purpose, the first double-strand connection (reference number 105 in 1 ) to a neutral point 204 connected, while the respective second double-strand connection (reference symbol 106 in 1 ) a respective phase 201 , 202 , 203 of a three-phase multilevel converter 200 is formed.

In 3 wird schematisch eine noch weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in einer Dreiphasenkonvertervariante 300 gezeigt. Der jeweilige erste Doppelstranganschluss (Bezugszeichen 105 in 1) eines ersten Dreiphasen-Multilevelkonverters (Bezugszeichen 200 in 2) ist zu einem Pluspol 301 eines Gleichspannungsanschlusses zusammengeschaltet. Der jeweilige erste Doppelstranganschluss (Bezugszeichen 105 in 1) eines zweiten Dreiphasen-Multilevelkonverters (Bezugszeichen 200 in 2) ist zu einem Minuspol 302 des Gleichspannungsanschlusses zusammengeschaltet. Die jeweiligen zweiten Doppelstranganschlüsse (Bezugszeichen 106 in 1) beider Dreiphasen-Multilevelkonverter (Bezugszeichen 200 in 2) sind jeweilig miteinander verbunden und bilden einen Dreiphasenausgang 303. Die so gebildete Dreiphasenkonvertervariante 300 kann als Konverter zwischen einem Gleichspannungsnetz und einem Wechselspannungsnetz verwendet werden.In 3 shows schematically yet another embodiment of a modular multilevel converter according to the invention in a three-phase converter variant 300 shown. The respective first double-strand connection (reference number 105 in 1 ) of a first three-phase multilevel converter (reference number 200 in 2 ) is to a positive pole 301 of a DC voltage connection. The respective first double-strand connection (reference number 105 in 1 ) of a second three-phase multilevel converter (reference number 200 in 2 ) is to a negative pole 302 of the DC voltage connection are interconnected. The respective second double-strand connections (reference numbers 106 in 1 ) of both three-phase multilevel converters (reference number 200 in 2 ) are connected to each other and form a three-phase output 303 . The three-phase converter variant thus formed 300 can be used as a converter between a DC voltage network and an AC voltage network.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2018/0109202 [0002]US 2018/0109202 [0002]
  • US 2013/0208521 A1 [0007]US 2013/0208521 A1 [0007]
  • US 2014/0254205 A1 [0008]US 2014/0254205 A1 [0008]
  • US 2015/0028826 A1 [0009]US 2015/0028826 A1 [0009]

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung eines modularen Multilevelkonverters (100) mit Modularmen (101, 102) aus Zwei-Quadranten-Modulen (110, 120), bei dem der modulare Multilevelkonverter (100) mindestens einen Doppelstrang (100) aus zwei Modularmen (101, 102), bei dem ein jeweiliger Modularm (101, 102) mindestens zwei seriell verschaltete Module (110, 120) aufweist, umfasst, wobei ein Modul (110, 120) einen ersten Modulanschluss (111, 121) und einen zweiten Modulanschluss (112, 122) aufweist, bei dem zwischen den beiden Modulanschlüssen (111, 112, 121, 122) eine obere Stromschiene (107) und eine untere Stromschiene (108) und zwischen den beiden Stromschienen (107, 108) ein Energiespeicher (119, 129) angeordnet werden, bei dem in der ersten Stromschiene (107) unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss (111, 121) eine erste Diode (113, 123) mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt wird, bei dem in der oberen Stromschiene (107) unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss (112, 122) eine Parallelschaltung aus einem ersten Schalter (114, 124) und einer zweiten Diode (115, 125) mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt wird, bei dem in der unteren Stromschiene (108) unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss (111, 121) eine Parallelschaltung aus einem zweiten Schalter (116, 126) und einer dritten Diode (117, 127) mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt wird, bei dem in der unteren Stromschiene (108) unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss (112, 122) eine vierte Diode (118, 128) mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt wird, wobei jeder Modularm (101, 102) in Betrieb nur von einem Strom in eine Stromrichtung (103, 104) von einem ersten Ende des jeweiligen Modularms (101, 102) zu einem zweiten Ende des jeweiligen Modularms (101, 102) durchflossen wird, wobei zur seriellen Verschaltung eines jeweiligen Moduls (110, 120) mit einem jeweiligen Nachbarmodul (110, 120) der zweite Modulanschluss (112, 122) des jeweiligen Moduls (110, 120) mit dem ersten Modulanschluss (111, 121) des jeweiligen Nachbarmoduls (110, 120) in Stromrichtung (103, 104) verschaltet wird, wobei der mindestens eine Doppelstrang (100) aus zwei Modularmen (101, 102) aus einem Zusammenschluss des ersten Endes eines zweiten Modularmes (102) mit einem zweiten Ende des ersten Modularmes (101) zu einem ersten Doppelstranganschluss (105), und einem Zusammenschluss des zweiten Endes des zweiten Modularmes (102) mit einem ersten Ende eines ersten Modularmes (101) zu einem zweiten Doppelstranganschluss (106) gebildet wird.Method for producing a modular multilevel converter (100) with modular elements (101, 102) from two-quadrant modules (110, 120), in which the modular multilevel converter (100) has at least one double strand (100) composed of two modular elements (101, 102) , in which a respective modular (101, 102) has at least two modules (110, 120) connected in series, with one module (110, 120) having a first module connection (111, 121) and a second module connection (112, 122) has, in which an upper busbar (107) and a lower busbar (108) are arranged between the two module connections (111, 112, 121, 122) and an energy store (119, 129) is arranged between the two busbars (107, 108), in which a first diode (113, 123) is inserted with its cathode in the direction of the energy store (119, 129) in the first busbar (107) immediately before the first module connection (111, 121), in which in the upper busbar (107) immediately before the second module connection (112 , 122) a parallel connection of a first switch (114, 124) and a second diode (115, 125) is inserted with its cathode in the direction of the energy store (119, 129), in which in the lower busbar (108) immediately before the first Module connection (111, 121) a parallel connection of a second switch (116, 126) and a third diode (117, 127) is inserted with its anode in the direction of the energy store (119, 129), in which in the lower busbar (108) directly in front of the second module connection (112, 122) a fourth diode (118, 128) is inserted with its anode in the direction of the energy store (119, 129), with each modular (101, 102) operating only from one current in one current direction (103 , 104) is flowed through from a first end of the respective modular (101, 102) to a second end of the respective modular (101, 102), whereby for the serial connection of a respective module (110, 120) with a respective neighboring module (110, 120 ) the second module connection ss (112, 122) of the respective module (110, 120) is connected to the first module connection (111, 121) of the respective neighboring module (110, 120) in the current direction (103, 104), the at least one double strand (100) from two modules (101, 102) from an amalgamation of the first end of a second Modularmes (102) with a second end of the first Modularmes (101) to a first double strand connection (105), and an amalgamation of the second end of the second Modularmes (102) with a first end of a first Modularmes (101) is formed into a second double-strand connection (106). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem drei Doppelstränge (200) mit ihrem jeweiligen ersten Doppelstranganschluss (105) zu einem Neutralpunkt (204) zusammengeschaltet werden und durch den jeweiligen zweiten Doppelstranganschluss (106) eine jeweilige Phase (201, 202, 203) einer Dreiphasenwechselstromversorgung gebildet wird.Procedure according to Claim 1 , in which three double strands (200) with their respective first double strand connection (105) are interconnected to form a neutral point (204) and a respective phase (201, 202, 203) of a three-phase AC power supply is formed by the respective second double strand connection (106). Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die jeweilig sich entsprechenden Phasen zweier Dreiphasendoppelstränge (300) zu einem Dreiphasenausgang (303) zusammengeschaltet werden und durch die jeweiligen Neutralpunkte zwei Pole (301, 302) eines Gleichspannungsanschlusses gebildet werden.Procedure according to Claim 2 , in which the respective corresponding phases of two three-phase double strands (300) are interconnected to form a three-phase output (303) and two poles (301, 302) of a DC voltage connection are formed by the respective neutral points. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die jeweilige Parallelschaltung eines Schalters (114, 116, 124, 126) mit einer Diode (115, 117, 125, 127) durch einen Feldeffekttransistor mit intrinsischer Body-Diode gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, in which the respective parallel connection of a switch (114, 116, 124, 126) with a diode (115, 117, 125, 127) is formed by a field effect transistor with an intrinsic body diode. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die jeweilige erste Diode (113, 123) und/oder die jeweilige vierte Diode (118, 128) durch eine Schottky-Diode gebildet werden.Method according to one of the preceding claims, in which the respective first diode (113, 123) and / or the respective fourth diode (118, 128) are formed by a Schottky diode. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher (119, 129) eines jeweiligen Moduls (110, 120) durch eine jeweilige Nachladeschaltung für einen Dauerbetrieb mit Energie versorgt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the energy store (119, 129) of a respective module (110, 120) is supplied with energy for continuous operation by a respective recharging circuit. Modularer Multilevelkonverter (100) mit Modularmen (101, 102) aus Zwei-Quadranten-Modulen, der mindestens einen Doppelstrang (100) aus zwei Modularmen (101, 102), wobei ein jeweiliger Modularm (101, 102) mindestens zwei seriell verschaltete Modulen (110, 120) aufweist, umfasst, wobei ein Modul (110, 120) einen ersten Modulanschluss (111, 121) und einen zweiten Modulanschluss (112, 122) aufweist, bei dem zwischen den beiden Modulanschlüssen (111, 112, 121, 122) eine obere Stromschiene (107) und eine untere Stromschiene (108) und zwischen den beiden Stromschienen (107, 108) ein Energiespeicher (119, 129) angeordnet ist, bei dem in der oberen Stromschiene (107) unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss (111, 121) eine erste Diode (113, 123) mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt ist, bei dem in der oberen Stromschiene (107) unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss (112, 122) eine Parallelschaltung aus einem ersten Schalter (114, 124) und einer zweiten Diode (115, 125) mit ihrer Kathode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt ist, bei dem in der unteren Stromschiene (108) unmittelbar vor dem ersten Modulanschluss (111, 121) eine Parallelschaltung aus einem zweiten Schalter (116, 126) und einer dritten Diode (117, 127) mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt ist, bei dem in der unteren Stromschiene (108) unmittelbar vor dem zweiten Modulanschluss (112, 122) eine vierte Diode (118, 128) mit ihrer Anode in Richtung Energiespeicher (119, 129) eingefügt ist, wobei jeder Modularm (101, 102) in Betrieb nur von einem Strom in eine Stromrichtung (103, 104) von einem ersten Ende des jeweiligen Modularms (101, 102) zu einem zweiten Ende des jeweiligen Modularms (101, 102) durchflossen wird, wobei zur seriellen Verschaltung eines jeweiligen Moduls (110, 120) mit einem jeweiligen Nachbarmodul (110, 120) der zweite Modulanschluss (112, 122) des jeweiligen Moduls (110, 120) mit dem ersten Modulanschluss (111, 121) des jeweiligen Nachbarmoduls (110, 120) in Stromrichtung (103, 104) zu verschalten bzw. verschaltet ist, wobei der mindestens eine Doppelstrang (100) aus zwei Modularmen (101, 102) aus einem Zusammenschluss des ersten Endes eines zweiten Modularmes (102) mit einem zweiten Ende eines ersten Modularmes (101) zu einem ersten Doppelstranganschluss (105), und einem Zusammenschluss des zweiten Endes des zweiten Modularmes (102) mit einem ersten Ende des ersten Modularmes (101) zu einem zweiten Doppelstranganschluss (106) gebildet ist.Modular multilevel converter (100) with modular elements (101, 102) made of two-quadrant modules, the at least one double strand (100) made of two modular elements (101, 102), with a respective modular (101, 102) at least two serially connected modules ( 110, 120), wherein a module (110, 120) has a first module connection (111, 121) and a second module connection (112, 122), in which between the two module connections (111, 112, 121, 122) an upper busbar (107) and a lower busbar (108) and between the two busbars (107, 108) an energy store (119, 129) is arranged, in which in the upper busbar (107) immediately before the first module connection (111, 121) a first diode (113, 123) is inserted with its cathode in the direction of the energy store (119, 129), in which in the upper busbar (107) directly in front of the second module connection (112, 122) a parallel connection of a first switch ( 114, 124) and a second diode ( 115, 125) is inserted with its cathode in the direction of the energy store (119, 129), in which in the lower busbar (108) immediately before the first module connection (111, 121) a parallel connection of a second switch (116, 126) and a third diode (117, 127) is inserted with its anode in the direction of the energy store (119, 129), in which a fourth diode (118, 128) with its in the lower busbar (108) immediately before the second module connection (112, 122) Anode is inserted in the direction of the energy store (119, 129), each Modularm (101, 102) in operation by only one Current flows in a current direction (103, 104) from a first end of the respective modular system (101, 102) to a second end of the respective modular system (101, 102), wherein for the serial connection of a respective module (110, 120) with a respective neighboring module (110, 120) to connect or connect the second module connection (112, 122) of the respective module (110, 120) to the first module connection (111, 121) of the respective neighboring module (110, 120) in the current direction (103, 104) . is interconnected, wherein the at least one double strand (100) consists of two modules (101, 102) from a merger of the first end of a second modularmes (102) with a second end of a first modularmes (101) to a first double strand connection (105), and a connection between the second end of the second modular system (102) and a first end of the first modular system (101) is formed to form a second double-strand connection (106). Modularer Multilevelkonverter (200) nach Anspruch 7, bei dem drei Doppelstränge (200) mit ihrem jeweiligen ersten Doppelstranganschluss (105) zu einem Neutralpunkt (204) zusammengeschaltet sind und durch den jeweiligen zweiten Doppelstranganschluss (106) eine jeweilige Phase (201, 202, 203) einer Dreiphasenwechselstromversorgung gebildet ist.Modular multilevel converter (200) according to Claim 7 , in which three double strands (200) with their respective first double strand connection (105) are interconnected to form a neutral point (204) and a respective phase (201, 202, 203) of a three-phase alternating current supply is formed by the respective second double strand connection (106). Modularer Multilevelkonverter (300) nach Anspruch 8, bei dem die jeweilig sich entsprechenden Phasen zweier Dreiphasendoppelstränge (300) zu einem Dreiphasenausgang (303) zusammengeschaltet sind und durch die jeweiligen Neutralpunkte zwei Pole (301, 302) eines Gleichspannungsanschlusses gebildet sind.Modular multilevel converter (300) according to Claim 8 , in which the respective corresponding phases of two three-phase double strands (300) are interconnected to form a three-phase output (303) and two poles (301, 302) of a DC voltage connection are formed by the respective neutral points. Modularer Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem eine oder mehrere der Dioden (113, 115, 117, 118, 123, 125, 127, 128) durch eine Schottky-Diode gebildet sind.Modular multilevel converter based on one of the Claims 7 to 9 , in which one or more of the diodes (113, 115, 117, 118, 123, 125, 127, 128) are formed by a Schottky diode. Modularer Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die jeweilige Parallelschaltung eines Schalters (114, 116, 124, 126) mit einer Diode (115, 117, 125, 127) durch einen Feldeffekttransistor mit intrinsischer Body-Diode gebildet ist.Modular multilevel converter based on one of the Claims 7 to 10 , in which the respective parallel connection of a switch (114, 116, 124, 126) with a diode (115, 117, 125, 127) is formed by a field effect transistor with an intrinsic body diode. Modularer Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Energiespeicher eines jeweiligen Moduls durch eine jeweilige Nachladeschaltung für einen Dauerbetrieb mit Energie versorgt ist.Modular multilevel converter based on one of the Claims 7 to 11 , in which the energy store of a respective module is supplied with energy by a respective recharging circuit for continuous operation.
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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
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
DE102022113713A1 (en) 2022-05-31 2023-11-30 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle
US11840150B2 (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
US11881761B2 (en) 2017-06-16 2024-01-23 Tae Technologies, Inc. Multi-level hysteresis voltage controllers for voltage modulators and methods for control thereof
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 (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008032876B4 (en) * 2008-07-14 2010-04-08 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg Method, circuit arrangement and bridge circuit
DE102012222333A1 (en) * 2012-12-05 2014-06-05 Robert Bosch Gmbh Energy storage device for e.g. battery direct converter circuitry to supply power to switched reluctance machine in electrical propulsion system of hybrid car, has energy storage modules selectively switched or bypassed in supply branches

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008032876B4 (en) * 2008-07-14 2010-04-08 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg Method, circuit arrangement and bridge circuit
DE102012222333A1 (en) * 2012-12-05 2014-06-05 Robert Bosch Gmbh Energy storage device for e.g. battery direct converter circuitry to supply power to switched reluctance machine in electrical propulsion system of hybrid car, has energy storage modules selectively switched or bypassed in supply branches

Cited By (12)

* 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
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
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
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
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
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
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
DE102022113713A1 (en) 2022-05-31 2023-11-30 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle

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