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Title:
DC TO DC CONVERTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/138949
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a DC to DC converter (100) comprising a converter branch (14) which extends between high-voltage-side DC voltage poles (12, 13) and has a first and a second converter arm (15, 16), which converter arms are electrically connected at a potential point (19) which is connected to a first low-voltage-side DC voltage pole (21), wherein the second converter arm (16) extends between the potential point between the converter arms and a second low-voltage-side DC voltage pole (20), and each of the converter arms has a power semiconductor switch which can be switched on and off, and also comprising an energy exchange branch (14) for energy exchange between the two converter arms, which energy exchange branch extends between the high-voltage-side DC voltage poles parallel to the converter branch. The invention is characterized by a converter module (25) comprising a series circuit of two-pole submodules (26), which converter module is arranged between the potential point between the two converter arms and the first low-voltage-side DC voltage pole, wherein the submodules have an energy store and also at least one power semiconductor switch and can be driven in such a way that a positive or negative submodule voltage or a voltage with the value zero is dropped across the poles of the submodules.

Inventors:
BAKRAN MARK-MATTHIAS (DE)
SCHÖN ANDRE (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/054483
Publication Date:
September 09, 2016
Filing Date:
March 04, 2015
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H02M3/155; H02M1/32; H02M7/483
Domestic Patent References:
WO2014017902A22014-01-30
WO2011124260A12011-10-13
WO2012103936A12012-08-09
WO2013071962A12013-05-23
WO2013026477A12013-02-28
Other References:
See also references of EP 3245723A1
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Claims:
Gleichspannungswandler (100) mit

einem sich zwischen oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen (12, 13) erstreckenden Konverterzweig (14) mit einem ersten und einem zweiten Konverterarm (15, 16), die an einem Potenzialpunkt (19) elektrisch ver¬ bunden sind, der mit einem ersten unterspannungssei¬ tigen Gleichspannungspol (21) verbunden ist, wobei der zweite Konverterarm (16) sich zwischen dem Potenzialpunkt (19) zwischen den Konverterarmen (15, 16) und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol (20) erstreckt, und jeder der Konverterarme (15, 16) ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, sowie

einem Energieaustauschzweig (23) zum Energieaustausch zwischen den beiden Konverterarmen (15, 16), der sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen (12, 13) parallel zum Konverterzweig (14) er¬ streckt,

g e k e n n z e i c h n e t durch

ein Konvertermodul (25) mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule (26), das zwischen dem Potenzialpunkt (19) zwischen den beiden Konverterarmen (15, 16) und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol (21) angeordnet ist, wobei die Submodule (26) einen Energiespeicher (35) sowie wenigstens ei¬ nen Leistungshalbleiterschalter (31, 33, 38 ,39) aufweisen und derart ansteuerbar sind, dass an den Polen (28, 27) der Submodule eine positive oder negative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt .

Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 1, wobei die Konverterarme (15, 16) jeweils eine Reihenschaltung zweipoliger Konverter-Submodule (22) aufweisen, wobei jedes Konverter-Submodul (22) ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter umfasst .

3. Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 2, wobei die Konverter-Submodule (22) als Halbbrückenschaltungen aus- gebildet sind.

4. Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 2, wobei die Konverter-Submodule (22) als Vollbrückenschaltungen aus- gebildet sind.

Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 2, wobei wenigstens ein Konverter-Submodul (22) als Halbbrücken¬ schaltung und wenigstens ein weiteres Konverter-Submodul (22) als Vollbrückenschaltung realisiert ist.

Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei die Submodule (26) des

Konvertermoduls (25) als Vollbrückenschaltungen reali¬ siert sind.

. Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei der Energieaustauschzweig (23) ei nen Filterkondensator (24) umfasst.

Gleichspannungswandler (101) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei der Energieaustauschzweig (23) ei nen Filterkondensator (24) und eine Filterinduktivität (42) umfasst.

. Gleichspannungswandler (102) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Energieaustauschzweig (23) eine weitere Reihenschaltung von Konverter-Submodulen (22) mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern umfasst.

10. Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Submodule (26) des

Konvertermoduls (25) zum Abschalten eines unterspan- nungsseitigen Fehlerstromes eingerichtet sind.

11. Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Submodule (26) des

Konvertermoduls (25) zum Abschalten eines oberspannungs- seitigen Fehlerstromes eingerichtet sind.

12. Gleichspannungswandler (103) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energieaustauschzweig (23) einen dritten Konverterarm (43) und einen vierten

Konverterarm (44) umfasst, wobei die Konverterarme (43, 44) des Energieaustauschzweiges (23) jeweils eine Rei¬ henschaltung zweipoliger Konverter-Submodule (22) aufweisen, wobei jedes der Konverter-Submodule (22) des Energieaustauschzweiges (23) ein- und abschaltbare Leis¬ tungshalbleiterschalter umfasst, und ferner ein weiteres Konvertermodul (48) mit einer Serienschaltung zweipoli¬ ger Submodule (26) vorgesehen ist, das sich zwischen einem Potenzialpunkt (47) zwischen den Konverterarmen (43, 44) des Energieaustauschzweiges (23) und dem ersten un- terspannungsseitigen Gleichspannungspol (31) erstreckt.

13. Gleichspannungswandler (103) nach Anspruch 12, wobei die Submodule (26) des Konvertermoduls (25) und die Submodule (26) des weiteren Konvertermoduls (48) gleich¬ artig aufgebaut sind.

14. Gleichspannungswandler (105, 106) nach Anspruch 13, wobei der Gleichspannungswandler (105, 106) Verbindungs¬ mittel (55, 60) zum Verbinden des Gleichspannungswand¬ lers (105, 106) mit einem Wechselspannungsnetz umfasst.

15. Gleichspannungswandler (105, 106) nach Anspruch 14, wobei die Verbindungsmittel (55, 61) einen Transformator (56, 61) umfassen, der primärseitig mit dem Wechselspannungsnetz und sekundärseitig mit der Serienschaltung des

Konvertermoduls (25) und/oder der Serienschaltung des weite¬ ren Konvertermoduls (48) verbindbar ist.

Description:
Beschreibung

Gleichspannungswandler Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem sich zwischen oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen erstreckenden Konverterzweig mit einem ersten und einem zweiten Konverterarm, die an einem Potenzialpunkt elektrisch verbunden sind, der mit einem ersten unterspannungsseitigen Gleich- spannungspol verbunden ist, wobei der zweite Konverterarm sich zwischen dem Potenzialpunkt zwischen den Konverterarmen und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol erstreckt, und jeder der Konverterarme ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, sowie einem Energieaus- tauschzweig zum Energieaustausch zwischen den beiden

Konverterarmen, der sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen parallel zum Konverterzweig erstreckt.

Gleichspannungswandler finden beispielsweise Anwendung in der Kopplung von Gleichspannungsnetzen unterschiedlicher Spannungsniveaus. Insbesondere zur Kopplung von Hochspannungs- gleichstromübertragungsstrecken werden Gleichspannungswandler benötigt. Die hierbei zu transformierende Leistung kann bis zu mehreren 1000 MW erreichen. Für solche Anwendungen können weder die aus der Wechselstromübertragung noch die aus der Mittelspannung bekannten Lösungen verwendet werden.

Aus dem Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang Gleichspannungswandler bekannt, die durch zwei „front-to-front"- gekoppelte Umrichter realisiert sind. Dabei sind die zwei Um ¬ richter über einen Transformator wechselspannungsseitig miteinander verbunden. Der bei diesem bekannten Gleichspannungswandler benötigte Transformator weist ein hohes Gewicht auf und ist relativ kostenintensiv.

Ein Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art ist aus dem Artikel „The Multilevel Modular DC Converter" von J.A. Fereira, IEEE Transactions on Power Elektronics, Vol. 28, No . 10, October 2013, bekannt. Der dort beschriebene Gleichspan ¬ nungswandler ist in Figur 1 skizziert. Der Gleichspannungs ¬ wandler transformiert eine an oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen abfallende Spannung Ul in eine an unterspan- nungsseitigen Gleichspannungspolen abfallende Spannung U2 (oder umgekehrt) . Er weist eine Reihen-Filterschaltung aus einer Induktivität 2 und einer Kapazität 3 im Energieaus ¬ tauschzweig 4 auf. Jeder der Konverterarme 5, 6 umfasst eine Reihenschaltung von Vollbrücken- bzw. Halbbrücken-Submodulen 7, die mit Energiespeichern ausgestattet sind. Über die Rei ¬ hen-Filterschaltung 1 fließt ein von den Konverterarmen 5, 6 erzeugter Wechsel-Kreisstrom, so dass Energie zwischen den beiden Konverterarmen 5, 6 ausgetauscht wird. Ein zwischen dem Potenzialpunkt 8 zwischen den Konverterarmen 5, 6 und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 9 angeordne ¬ ter Parallel-Filterkreis 10 verhindert, dass ein Wechselstrom zu dem unterspannungsseitigen Gleichspannungspol fließt. Be ¬ züglich der weiteren Details des bekannten Gleichspannungswandlers wird hierbei auf die genannte Veröffentlichung ver- wiesen.

Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der Er ¬ findung darin, einen Gleichspannungswandler vorzuschlagen, der möglichst kostengünstig und zuverlässig ist.

Die Aufgabe wird bei einem artgemäßen Gleichspannungswandler durch ein Konvertermodul mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule gelöst, das zwischen dem Potenzialpunkt zwi ¬ schen den beiden Konverterarmen und dem ersten unterspan- nungsseitigen Gleichspannungspol angeordnet ist, wobei die

Submodule einen Energiespeicher sowie wenigstens einen Leis ¬ tungshalbleiterschalter aufweisen und derart ansteuerbar sind, dass an den Polen der Submodule eine positive oder ne ¬ gative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ist dessen transformatorlose Funktionsweise. Da kein Transforma- tor benötigt wird, kann das Gewicht des Gleichspannungswand ¬ lers gegenüber einigen bekannten Gleichspannungswandlern reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, die Se ¬ rienschaltung der Submodule des Konvertermoduls für einen Schutz des Gleichspannungswandlers und eines angeschlossenen Versorgungsnetzes im Fehlerfall, beispielsweise einem Kurz- schluss in einer der an den Gleichspannungswandler ange- schlossenen Gleichspannungsleitungen. Auf diese Weise ist ein integrierter Schutz bei einer Kopplung von Hochspannungs- gleichstromübertragungsstrecken (HGÜ-Strecken) unterschiedlicher Nennspannung realisiert. Im erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler erzeugt jeder der beiden Konverterarme eine Konverterspannung als von einer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung, so dass die Summe der beiden Konverterspannungen stets der an den oberspan- nungsseitigen Gleichspannungspolen abfallenden Gleichspannung entspricht. Über den Konverterzweig und den Energieaustausch ¬ zweig fließt ein Wechsel-Kreisstrom mit einer Frequenz des in den Konverterarmen erzeugten Wechselspannunganteils der

Konverterspannungen. Auf diese Weise ist ein Energietransport zwischen den Konverterarmen ermöglicht. Mittels der Submodule des Konvertermoduls wird eine Wechselspannung erzeugt, so dass an den unterspannungsseitigen Gleichspannungspolen eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung abfällt.

Mit anderen Worten handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler im Wesentlichen um eine frei steuerbare Spannungsquelle. Als eine solche kann der Gleichspannungs ¬ wandler im Rahmen dessen energetischer Auslegung Blindleistung liefern oder aufnehmen. Durch das Konvertermodul fließt lediglich ein Gleichstrom, so dass dort im Mittel keine Wirk- leistung ausgetauscht wird.

Es soll hierbei darauf hingewiesen werden, dass die zuvor verwendeten Begriffe , oberspannungsseitig λ und ,unterspan- nungsseitig λ rein deskriptiv zu verstehen sind. Unter bestimmten Bedingungen ist eine unterspannungsseitig abfallende Spannung denkbar, die höher als eine oberspannungsseitig ab ¬ fallende Spannung ist.

Bevorzugt weisen die Konverterarme jeweils eine Reihenschal ¬ tung zweipoliger Konverter-Submodule auf, wobei jedes Konver- ter-Submodul ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschal ¬ ter umfasst. Jedes Konverter-Submodul umfasst geeigneterweise einen Energiespeicher. Ferner ist jedes der Konverter- Submodule einzeln ansteuerbar. Auf diese Weise ist ein soge ¬ nannter modularer Mehrstufenumrichter (MMC) realisiert. Mittels des MMC ist eine besonders vorteilhafte stufenförmige Konverterspannung erzeugbar. Ein MMC ist beispielsweise in der DE 101 03 031 B4 beschrieben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Konverter-Submodule als Halbbrückenschaltungen ausgebil ¬ det. Eine Halbbrückenschaltung weist eine Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschalteinheiten mit gleicher Durchlassrichtung, wobei jede Leistungshalbleiterschalteinheit we ¬ nigstens einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter aufweist. Ferner umfasst die Halbbrückenschaltung einen Energiespeicher, beispielsweise einen Leistungskonden- sator, der parallel zu der Reihenschaltung der Leistungshalb- leiterschalteinheiten angeordnet ist. Die Halbbrückenschal ¬ tung verfügt über zwei Anschlüsse beziehungsweise Pole, wobei ein erster Anschluss mit einer der Leistungshalbleiterschalt- einheiten und mit dem Energiespeicher verbunden ist und der andere an einem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalblei- terschalteinheiten angeordnet ist. Halbbrückenschaltungen sind verhältnismäßig kostengünstig und weisen relativ geringe Durchlassverluste im Normalbetrieb auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Konverter-Submodule als Vollbrückenschaltungen ausgebildet. Die Vollbrückenschaltung umfasst zwei parallele Reihenschaltungen von jeweils zwei Leistungshalbleiterschalt- einheiten mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern. Parallel zu den Reihenschaltungen ist ein Energiespeicher, beispielsweise ein Leistungskondensator, angeordnet. Die Vollbrückenschaltung erlaubt eine Ansteuerung, so dass an den Polen des Submoduls eine positive oder negative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt. Bevorzugt entspricht die Submodulspannung einer am Energiespeicher abfallenden Energiespeicherspannung. Damit kann mittels einer Reihenschaltung von Vollbrücken-Submodulen vorteilhaft eine Gegenspannung aufgebaut werden, die in einem Fehlerfall einen Fehlerstrom unterbrechen kann.

Denkbar ist auch, dass wenigstens ein Konverter-Submodul als Halbbrückenschaltung und wenigstens ein weiteres Konverter- Submodul als Vollbrückenschaltung realisiert ist. Damit kön ¬ nen die Vorteile der Halbbrückenschaltungen mit den Vorteilen der Vollbrückenschaltungen kombiniert werden.

Bevorzugt weisen die Submodule des Konvertermoduls Leistungs- halbleiterschalter auf. Weiter bevorzugt sind die Submodule, geeigneterweise alle Submodule, als die zuvor beschriebenen Vollbrückenschaltungen realisiert. Dabei kann jede der Leis- tungshalbleiterschalteinheiten der Vollbrückenschaltung beispielsweise einen Integrated Gate Bipolar Transistor (IGBT) sowie eine dazu antiparallel geschaltete Freilaufdiode umfas ¬ sen. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang auch rückwärts leitfähige Leistungshalbleiter einzusetzen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ener- gieaustauschzweig einen Filterkondensator. Der Filterkondensator bildet mit einer Leitungsinduktivität der elektrischen Leitung im Energieaustauschzweig einen Tiefpass oder einen Resonanzkreis. Der Resonanzkreis kann durch geeignete Abmes ¬ sung des Filterkondensators auf die Frequenz der mittels der in den Konverterarmen erzeugten Wechselspannung abgestimmt werden . Bevorzugt umfasst der Energieaustauschzweig einen Filterkon ¬ densator und eine Filterinduktivität. Der Filterkondensator und die Filterinduktivität bilden in diesem Fall die Reso ¬ nanzschaltung im Energieaustauschzweig. Durch die Verwendung der Filterinduktivität ist eine Resonanzfrequenz der Reso ¬ nanzschaltung besonders einfach und genau einstellbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst Energieaustauschzweig eine weitere Reihenschal ¬ tung von Konverter-Submodulen mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern. Mittels der Konverter-Submodule des Energieaustauschzweiges kann eine Wechselspannung mit der Frequenz des Wechsel-Kreisstromes erzeugt werden. Auf diese Weise ist eine besonders flexible Variante des erfindungsge ¬ mäßen Gleichspannungswandlers bereitgestellt.

Geeigneterweise sind die Submodule des Konvertermoduls zum Begrenzen und/oder Abschalten eines unterspannungsseitigen Fehlerstromes eingerichtet. Sind die Submodule des

Konvertermoduls beispielsweise als Vollbrückenschaltungen re- alisiert, so kann durch eine geeignete Dimensionierung der

Leistungshalbleitereinheiten, der Leistungshalbleiterschalter und der Energiespeicher eine Abschaltung bzw. eine Begrenzung von vorbestimmten Fehlerströmen möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Submodule des

Konvertermoduls zum Begrenzen und/oder Abschalten eines ober- spannungsseitigen Fehlerstromes eingerichtet sind. Sind so ¬ wohl unterspannungsseitige als auch oberspannungsseitige Feh ¬ lerströme vom Gleichspannungswandler selbständig begrenzbar bzw. abschaltbar, so kann auf separate Gleichspannungsschal ¬ ter in den angeschlossenen Gleichspannungsleitungen vorteilhaft verzichtet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ener- gieaustauschzweig einen dritten Konverterarm und einen vierten Konverterarm, wobei die Konverterarme des Energieaus ¬ tauschzweiges jeweils eine Reihenschaltung zweipoliger Konverter-Submodule aufweisen, wobei jedes der Konverter- Submodule des Energieaustauschzweiges ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter umfasst, und ferner ein weiteres Konvertermodul mit einer Serienschaltung von zweipoligen Sub- modulen vorgesehen ist, das sich zwischen einem Potenzialpunkt zwischen den Konverterarmen des Energieaustauschzweiges und dem unterspannungsseitigen Gleichspannungspol erstreckt. Mit anderen Worten bildet der Konverterzweig eine erste akti ¬ ve Konverterphase und der Energieaustauschzweig eine zweite aktive Konverterphase. Die beiden Konvertermodule erzeugen dabei geeigneterweise gegensinnige Wechselspannungen gleicher Frequenz. Auf diese Weise ist ein besonders effektiver und flexibler Gleichspannungswandler bereitgestellt.

Diese Ausführungsform kann entsprechend auf drei oder mehr Phasen erweitert werden. Den aktiven Konverterphasen können paarweise Wechsel-Kreisströme zugeordnet werden, die, bei Verwendung von n aktiven Konverterphasen, ein n-phasiges Stromsystem ausbilden.

Bevorzugt sind die Submodule des Konvertermoduls und die Sub ¬ module des weiteren Konvertermoduls gleichartig aufgebaut. Aufgrund der Verwendung gleichartiger Bauteile können Kosten des Gleichspannungswandlers reduziert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gleichspannungswandler Verbindungsmittel zum Verbinden des Gleichspannungswandlers mit einem Wechselspannungsnetz. Die Verbindungsmittel ermöglichen eine direkte Anbindung des Gleichspannungswandlers an ein Wechselspannungsnetz. Die von der Serienschaltung erzeugte Wechselspannung kann damit nach Bedarf in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden.

Bevorzugt umfassen die Verbindungsmittel einen Transformator, der primärseitig mit dem Wechselspannungsnetz und sekundär- seitig mit der Serienschaltung des Konvertermoduls und/oder der Serienschaltung des weiteren Konvertermoduls verbindbar ist . Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann sowohl monopolar als auch bipolar ausgeführt sein. Bei der bipolaren Ausführung des Gleichspannungswandlers wird beispielsweise eine Spannung einer bipolaren oberspannungsseitigen Gleichspannungsleitung in eine Spannung einer bipolaren unterspan- nungsseitigen Gleichspannungsleitung transformiert (oder umgekehrt) . Die bipolare Ausführung des Gleichspannungswandlers weist daher geeigneterweise einen ersten Konverterzweig, der sich zwischen einem positiven oberspannungsseitigen Gleichspannungspol und einem neutralen, beispielsweise geerdeten, Gleichspannungspol erstreckt sowie einen zweiten

Konverterzweig, der sich zwischen dem neutralen Gleichspannungspol und einem negativen oberspannungsseitigen Gleichspannungspol erstreckt. Entsprechend sind geeigneterweise ein erster und ein zweiter Energieaustauschzweig vorgesehen, die parallel zum ersten beziehungsweise zum zweiten

Konverterzweig angeordnet sind. Jedem der beiden

Konverterzweige ist jeweils ein Konvertermodul im Wesentli ¬ chen in der Weise zugeordnet, wie im Zusammenhang mit den monopolaren Ausführungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers zuvor beschrieben.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 10 näher erläutert werden.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel erfindungsge ¬ mäßen Gleichspannungswandler in schematischer Darstellung;

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines

Konvertersubmoduls in schematischer Darstellung;

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

Konvertersubmoduls in schematischer Darstellung;

Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati ¬ scher Darstellung; Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;

Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung; Figur 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;

Figur 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;

Figur 10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;

Im Einzelnen ist in Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines er ¬ findungsgemäßen Gleichspannungswandlers 100 gezeigt. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst einen ersten oberspannungsseitigen Gleichspannungspol 12 und einen zweiten oberspannungsseitigen Gleichspannungspol 13. Die oberseitigen Gleichspannungspole 12, 13 sind zum Verbinden mit einem in Figur 2 nicht dargestellten oberspannungsseitigen Gleichspan- nungsnetz eingerichtet. Die zwischen den oberspannungsseiti ¬ gen Gleichspannungpolen 12, 13 abfallende Gleichspannung wird im Folgenden mit UDC1 bezeichnet. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst ferner einen Konverterzweig 14. Der

Konverterzweig 14 weist zwei Konverterarme auf: einen ersten Konverterarm 15 und einen zweiten Konverterarm 16. Ferner sind eine erste Glättungsdrossel 17 und eine zweite Glät- tungsdrossel 18 im Konverterzweig 14 angeordnet. Die beiden Konverterarme 15, 16 sind in einem Potenzialpunkt 19 zwischen den Konverterarmen 15, 16 miteinander verbunden. Der erste Konverterarm 15 erstreckt sich damit zwischen dem ersten oberspannungsseitigen Gleichspannungspol 12 und dem Potenzialpunkt 19 zwischen den Konverterarmen 15, 16. Der zweite Konverterarm 16 erstreckt sich zwischen dem Potenzialpunkt 19 und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 20. Der zweite unterspannungsseitige Gleichspannungspol 20 und ein erster unterspannungsseitiger Gleichspannungspol 21 sind dazu eingerichtet, den Gleichspannungswandler 100 mit einem in Figur 2 nicht gezeigten unterspannungsseitigen

Gleichspannungsnetz zu verbinden. Eine zwischen den beiden unterspannungsseitigen Gleichspannungspolen 21 und 20 abfallende Gleichspannung wird im Folgenden mit UDC2 bezeichnet. Somit kann mittels des Gleichspannungswandlers 100 die Span ¬ nung UDC1 in die Spannung UDC2 (oder umgekehrt) transformiert werden .

Der erste Konverterarm 15 umfasst eine Reihenschaltung von zweipoligen Konverter-Submodulen 22, die Leistungshalbleiterschalter umfassen. Die Leistungshalbleiterschalter der Kon- verter-Submodule 22 sind ein- und abschaltbar und können bei ¬ spielsweise durch IGBTs realisiert werden. Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 100 weist drei in Reihe geschaltete Konverter-Submodule 22 des ersten Konverterarmes 15 auf. Es ist jedoch denkbar, das Konvertermodul 15 mit jeder beliebigen beziehungsweise der jeweiligen Anwendung angepassten Anzahl von Konverter- Submodulen 22 auszustatten, so dass deren Anzahl durchaus mehrere hundert betragen kann. Der Konverterarm 16 ist zum

Konverterarm 15 gleichartig aufgebaut. Insbesondere weist der Konverterarm 16 ebenfalls eine Reihenschaltung von zweipoligen Konverter-Submodulen 22 auf. Parallel zum Konverterzweig 14 erstreckt sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleich- spannungspolen 12, 13 ein Energieaustauschzweig 23. In dem Energieaustauschzweig 23 ist ein Filterkondensator 24 ange ¬ ordnet, der als Leistungskondensator realisiert ist. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst ferner ein Konvertermodul 25. Das Konvertermodul 25 ist zwischen dem Po ¬ tenzialpunkt 19 zwischen den Konverterarmen und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungpol 21 angeordnet. Das Konvertermodul umfasst eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen 26. Die Anzahl der in Figur 2 gezeigten Submodule 26 ist drei, sie kann jedoch je nach Anwendung beliebig erhöht werden.

Im Betrieb erzeugt der erste Konverterarm 15 eine erste

Konverterspannung UK1. Die Spannung UK1 setzt sich aus einem Wechselspannungsanteil uAC und einem Gleichspannungsanteil zusammen. Der Gleichspannungsanteil ist derart bemessen, dass folgende Beziehung gilt:

UK1 = UDC1 - UDC2 - uAC .

Mittels des zweiten Konverterarms 16 wird eine zweite

Konverterspannung UK2 erzeugt. Die zweite Konverterspannung UK2 ist ebenfalls eine Überlagerung von dem Wechselspannungs ¬ anteil uAC (jedoch mit entgegengesetzter Polarität) und einem Gleichspannungsanteil. Für die zweite Konverterspannung UK2 gilt :

UK2 = UDC2 + uAC.

Somit summieren sich die beiden Konverterspannungen UK1 und UK2 stets zu:

UK1 + UK2 = UDC1.

Die an den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen abfallende Spannung UDC1 ist gleich der Summe der von den beiden Konverterarmen 15, 16, beziehungsweise deren Konverter- Submodulen 22 erzeugten Konverterspannungen.

Mittels der Submodule 26 des Konvertermoduls 25 wird eine Mo ¬ dulspannung uMl erzeugt. Die Modulspannung uMl ist eine reine Wechselspannung: uMl = -uAC . Die Wechselspannung uMl weist damit die gleiche Frequenz und Amplitude wie der mittels der Konverterarme erzeugter Wechselspannungsanteil uAC, ist dem- gegenüber jedoch um eine Phase π verschoben (ist also mit einem Minus-Zeichen versehen) . Auf diese Weise ist erreicht, dass an den unterspannungsseitige Gleichspannungspolen abfal ¬ lende Spannung UDC2 tatsächlich eine Gleichspannung ist.

Die mittels der Konverter-Submodule 22 und der Submodule 26 modellierter Wechselspannungsanteil uAC erzeugt einen Wech ¬ selstrom iAC . Der Wechselstrom iAC ist ein Wechsel- Kreisstrom, der zwischen dem Konverterzweig 14 und dem Ener- gieaustauschzweig 23 fließt. Der Filterkondensator 24 ist auf die Frequenz des Wechsel-Kreisstromes iAC abgestimmt.

Der Wechsel-Kreisstrom iAC ist von einem durch die oberspan- nungsseitigen Gleichspannungspole 12, 13 fließenden oberspan- nungsseitigen Gleichstrom IDC1 überlagert, so dass für einen Strom iDCACl gilt:

iDCACl = IDC1 + iAC.

Entsprechend fließt in den unterseitigen Gleichspannungspolen 20, 21 ein unterspannungsseitiger Gleichstrom IDC2.

Der Wechsel-Kreisstrom iAC ermöglicht einen Energieaustausch zwischen den beiden Konverterarmen 15, 16 im Konverterzweig 14. Die Ströme IDC1, IDC2, iAC fließen jeweils in eine durch in der Figur 2 dargestellten Pfeile angedeutete Richtung.

Dies gilt entsprechend für alle nachfolgenden Figuren 3 bis 10. Dabei ist zu beachten, dass die Stromrichtungen durch eine Umdefinition der zu erzeugenden Spannungen selbstverständlich geändert werden können.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Konverter- Submodul 22 des Gleichspannungswandlers 100 der Figur 2 dar ¬ gestellt. Das Konverter-Submodul 22 der Figur 3 ist als eine Halbbrückenschaltung realisiert. Das Konverter-Submodul 22 ist zweipolig, das heißt, dass das Konverter-Submodul 22 über zwei Pole 27 und 28 verfügt. Das Konverter-Submodul 22 um- fasst eine erste Leistungshalbleiterschalteinheit 29 und eine zweite Leistungshalbleiterschalteinheit 30, wobei die beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 29, 30 in Reihe geschaltet sind. Die erste Leistungshalbleiterschalteinheit 29 umfasst einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 31 sowie eine dazu antiparallel angeordnete Freilaufdiode 32. Die zweite Leistungshalbleiterschalteinheit 30 ist zur ersten Leistungshalbleiterschalteinheit 29 gleichartig aufgebaut. Die zweite Leistungshalbleiterschalteinheit 30 umfasst dem ¬ nach einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 33 und eine dazu antiparallele angeordnete Freilaufdiode 34. Die beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 31 und 33 sind IGBTs. In der Ausführungsform der Figur 3 sind die beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 31, 33 mit gleicher Durchlassrichtung angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung zu beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 31, 33 ist ein Leistungskondensator 35 angeordnet. Eine solche Halbbrückenschaltung ist auch aus der DE 101 03 031 B4 bekannt.

Figur 4 zweigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Konver- ter-Submoduls 22. In den Figuren 3 und 4 sind gleiche bezie- hungsweise gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird daher in der Beschreibung der Figur 4 lediglich auf die Unterschiede zu der Ausführung der Figur 3 näher eingegangen. Das Konverter-Submodul 22 der Figur 4 ist als eine Vollbrü- ckenschaltung realisiert. Die Vollbrückenschaltung umfasst zwei Reihenschaltungen von Leistungshalbleiterschalteinhei- ten: die erste Reihenschaltung der Leistungshalbleiterschalt- einheiten 29, 30 und eine zweite Reihenschaltung von Leis- tungshalbleiterschalteinheiten 36 und 37. Die beiden Reihenschaltungen der Leistungshalbleiterschalteinheiten 29, 30 beziehungsweise 36, 37 sind zueinander parallel angeordnet. Die beiden Anschlüsse des Submoduls 22 der Figur 4 sind an Poten ¬ zialpunkten zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltein- heiten einer jeweiligen Reihenschaltung angeordnet. Durch geeignete Ansteuerung des Konverter-Submodul 22 der Figur 4 lässt sich an den beiden Klemmen 27, 28 des Konverter- Submodul 22 eine Spannung erzeugen, die der Spannung am Kon- densator 35, der Spannung des Kondensator 35 jedoch mit umgekehrter Polarität, oder die Spannung null erzeugen.

Die Konverter-Submodule 22 der Figuren 3 und 4 können eben- falls in den hier nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers eingesetzt wer ¬ den. Ferner kann das Submodul 26 aller in den Figuren 5 bis 10 beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers als Vollbrückenschaltung der Figur 4 realisiert sein.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 101 dargestellt. In den Figuren 2 und 5 sind gleiche beziehungsweise gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass aus

Gründen der Übersichtlichkeit lediglich auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen der Figur 5 und der Figur 2 hier näher eingegangen wird. Entsprechendes gilt im Übrigen auch für die Ausführungsbeispiele der Figuren 6 bis 10.

Die Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 101 gemäß der Figur 5 unterscheidet sich vom Gleichspannungswandler 100 der Figur 2 dadurch, dass im Energieaustauschzweig 23 zusätzlich zum Kondensator 24 eine Filterinduktivität 42 angeordnet ist. Die Filterinduktivität 42 und der Filterkondensator 24 bilden somit einen Resonanzkreis im Energieaustauschzweig 23. Dieser Resonanzkreis kann auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt werden. Geeigneterweise ist der Resonanzkreis auf die Fre ¬ quenz des Wechsel-Kreisstromes iAC abgestimmt. Die Funktions- weise der Ausführungsformen des Gleichspannungswandlers 100 und 101 in den Figuren 2 und 5 ist ansonsten im Wesentlichen gleich .

Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Gleichspannungswandlers 102. Im Unterschied zu den Aus ¬ führungsformen der Figuren 2 und der Figur 5 umfasst der Gleichspannungswandler 102 der Figur 6 im Energieaustauschzweig 23 eine weitere Reihenschaltung von Konverter- Submodulen 22. Die weitere Reihenschaltung der Konverter- Submodule 22 im Energieaustauschzweig 23 setzt sich zusammen aus einem dritten Konverterarm 43 und einem vierten

Konverterarm 44. Der dritte und der vierte Konverterarm 43 bzw. 44 sind zu dem ersten und zweiten Konverterarm 15, 16 gleichartig aufgebaut und in einem Potenzialpunkt 47 mitei ¬ nander verbunden. Der Energieaustauschzweig 23 umfasst ferner eine dritte Glättungsdrossel 45 und eine vierte Glättungs- drossel 46. Eine einzelne Glättungsdrossel wäre hierbei aus- reichend, aus Symmetriegründen werden jedoch zwei bevorzugt.

Der Konverterzweig 14 und der Energieaustauschzweig 23 in der Ausführungsform der Figur 6 werden auch als (zwei) aktive Phasen des Gleichspannungswandlers bezeichnet, weil mittels der Konverterarme 15, 16, 43, 44 aktiv Spannungen UK1, UK2, UK3, UK4 erzeugt werden können.

Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 103. Gemäß dem Ausfüh- rungsbeispiel des Gleichspannungswandlers 103 der Figur 7 um ¬ fasst der Gleichspannungswandler 103 im Energieaustauschzweig einen dritten Konnverterarm 43 und einen vierten Konverterarm 44. Der dritte und der vierte Konverterarm 43 sind an einem Potenzialpunkt 47 miteinander verbunden. Zwischen dem Poten- zialpunkt 47 und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 21 erstreckt sich ein weiteres Konvertermodul 48 mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule 26.

Mittels des Konvertermoduls 26 wird eine erste Modulspannung uMl = -uAC erzeugt. Mittels des weiteren Konvertermoduls 48 wird eine zweite Modulspannung uM2 = uAC erzeugt. Auf diese Weise fließt zwischen einem Potenzialpunkt 49, an dem die beiden Konvertermodule 26 und 48 miteinander verbunden sind, und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 21 leidglich ein Gleichstrom IDC2.

Mittels des dritten Konverterarmes 43 wird eine Spannung UK3 erzeugt, für die gilt, dass UK3 = UDC1 - UDC2 + uAC . Mittels des vierten Konverterarmes 44 wird eine Spannung UK4 erzeugt, für die gilt, dass UK4 = UDC2 - uAC .

Für einen Überlagerten Strom iDCACl gilt hierbei: iDCACl = IDC1/2 + iAC.

Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform eines erfindungs ¬ gemäßen Gleichspannungswandlers 104 unterscheidet sich vom Gleichspannungswandler 103 der Figur 7 durch einen zusätzlichen Energieaustauschzweig 50 zwischen den oberspannungssei- tigen Gleichspannungspolen 12, 13 mit einem fünften

Konverterarm 51 und einem sechsten Konverterarm 52, die in einem Potenzialpunkt 53 miteinander verbunden sind. Der fünfte und sechste Konverterarm 51 bzw. 52 sind zu den übrigen Konverterarmen gleichartig aufgebaut. Mittels des fünften Konverterarms 51 wird eine fünfte Konverterspannung UK5 und mittels des sechsten Konverterarms 52 eine sechste

Konverterspannung UK6 erzeugt. Somit verfügt der Gleichspannungswandler 104 über drei aktive Phasen. Der Konverterzweig 14 kann in diesem Zusammenhang auch als erster Konverterzweig 14 bezeichnet werden. Der Energieaustauschzweig 23 kann als zweiter Konverterzweig 23 und der weitere Energieaustauschzweig 50 als dritter Konverterzweig 50 bezeichnet werden. Für die Konverterspannungen gilt:

UK1 = UDC1 - UDC2 - uACa;

UK2 = UDC2 + uACa;

UK3 = UDC1 - UDC2 - uACb;

UK4 = UDC2 + uACb;

UK5 = UDC1 - UDC2 - uACc;

UK6 = UDC2 + uACc;

wobei uACa, uACb, uACc drei Wechselspannungsanteile der

Konverterspannungen sind.

Ferner unterscheidet sich der Gleichspannungswandler 104 von dem Gleichspannungswandler 103 durch ein drittes

Konvertermodul 53, das sich zwischen einem Potenzialpunkt 54 zwischen dem fünften und dem sechsten Konverterarm 51 bzw. 52 und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 21 erstreckt. Das dritte Konvertermodul 53 ist zu den beiden üb ¬ rigen Konvertermodulen 25 und 48 gleichartig aufgebaut. Die drei Konvertermodule 25, 48, 53 sind in einem Potenzialpunkt 49 miteinander verbunden. Für die an den Konvetermodulen 25, 48, 53 erzeugten Modulspannungen uMl, uM2 bzw. uM3 gilt:

uMl = -uACa;

uM2 = -uACb;

uM3 = -uACc. Durch die erzeugten Wechselspannungen bzw. Wechselspannungsanteile uACa, uACb, uACc ergeben sich ein erster Wechsel- Kreisstrom iACl, der zwischen dem ersten und dem zweiten Konverterzweig 14 bzw. 23 fließt und ein zweiter Wechsel- Kreisstrom iAC2, der zwischen dem zweiten und dem dritten Konverterzweig 23 bzw. 50 fließt. Der an den oberspannungs- seitigen Gleichspannungspolen 12, 13 fließende Gleichstrom IDC1 und der an den unterspannungsseitigen Gleichspannungspolen 20, 21 fließende Gleichstrom IDC2 überlagern sich mit den beiden Wechsel-Kreisströmen iACl, iAC2 zu überlagerten Strö- men

iDCACl = IDC1/3 + iACl;

iDCAC2 = IDC1/3 + 2 * IDC2/3 + iACl;

iDCAC3 = 2 * IDC1/3 + iAC2;

iDCAC4 = 2 * IDC1/3 + IDC2/3 + iAC2.

Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 105. Der Gleichspan ¬ nungswandler 105 unterscheidet sich vom Gleichspannungswand ¬ ler 104 der Figur 7 durch Verbindungsmittel 55 zum Verbinden des Gleichspannungswandlers 105 mit einem (in Figur 9 nicht dargestellten) Wechselspannungsnetz. Die Verbindungsmittel 55 umfassen einen Transformator 56, der primärseitig mittels Anschlüsse 57 mit dem Wechselspannungsnetz und sekundärseitig über eine erste Phase 58 mit dem ersten Konvertermodul 25 und über eine zweite Phase 59 mit dem zweiten Konvertermodul 48 verbindbar bzw. verbunden ist. Die erste Phase 58 erstreckt sich dabei zwischen dem Transformator 56 und dem Potenzialpunkt 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Konverterarm 15 bzw. 16. Die zweite Phase 59 erstreckt sich zwischen dem Transformator 56 und dem Potenzialpunkt 47 zwischen dem dritten und dem vierten Konverterarm 43 bzw. 44. In Figur 10 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfin ¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 106 dargestellt. Der Gleichspannungswandler 106 unterscheidet sich von dem Gleichspannungswandler 104 der Figur 8 durch Verbindungsmittel 60 zum Verbinden des Gleichspannungswandlers 106 mit einem (in Figur 10 nicht dargestellten) Wechselspannungsnetz. Die Verbindungsmittel 60 umfassen einen dreiphasigen Transformator 61, der primärseitig mittels Anschlüsse 62 mit dem Wechsels ¬ pannungsnetz und sekundärseitig über eine erste Phase 63 mit dem ersten Konvertermodul 25, über eine zweite Phase 64 mit dem zweiten Konvertermodul 48 und über eine dritte Phase 65 mit dem dritten Konvertermodul 53 verbindbar bzw. verbunden ist. Die erste Phase 63 erstreckt sich dabei zwischen dem Transformator 61 und dem Potenzialpunkt 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Konverterarm 15 bzw. 16. Die zweite Phase 64 erstreckt sich zwischen dem Transformator 61 und dem Potenzialpunkt 47 zwischen dem dritten und dem vierten

Konverterarm 43 bzw. 44. Die dritte Phase 65 erstreckt sich zwischen dem Transformator 61 und dem Potenzialpunkt 54 zwischen dem fünften und dem sechsten Konverterarm 51 bzw. 52.

Die in den Figuren 2 sowie 5 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sind monopolar. In allen Fällen ist jedoch durch eine entsprechende Erweiterung der Schaltung eine bipolare Variante des Gleichspannungswandlers möglich.