Modul eines modularen Multilevelstromrichters

Die Erfindung betrifft ein Modul eines modularen

Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Kühlen des Moduls .

Ein modularer Multilevelstromrichter ist eine

leistungselektronische Schaltung zum Umwandeln von

elektrischer Energie. Mit einem Multilevelstromrichter kann beispielsweise Wechselstrom in Gleichstrom oder Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Ein

Multilevelstromrichter weist eine Vielzahl von gleichartigen Modulen auf, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Ein Multilevelstromrichter ist einfach an unterschiedliche Spannungen anpassbar und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Ein Multilevelstromrichter kann vorteilhafterweise im Hochspannungsbereich eingesetzt werden, beispielsweise als Stromrichter bei einer Hochspannungs-Gleichstrom

übertragungsanlage oder als

Blindleistungskompensationsanlage .

Die Module des Multilevelstromrichters enthalten

Leistungshalbleiterbauelemente, die gekühlt werden müssen. Dazu wird oftmals eine Flüssigkeitskühlung verwendet, bei der eine Mehrzahl von Modulen mittels eines gemeinsamen

Kühlkreislaufs gekühlt werden. Bei einem elektrischen Defekt eines Moduls (beispielsweise bei einem elektrischen Defekt eines Leistungshalbleiterbauelements des Moduls) kann

aufgrund der großen in dem Stromrichter auftretenden

Energiemengen eine heftige Energieumwandlung auftreten, insbesondere eine Explosion. Dadurch kann das Modul auch mechanisch beschädigt werden, wodurch das Kühlmittel des Kühlkreislaufs aus dem Modul auslaufen kann. In einem

derartigen Fall muss in der Regel der Stromrichter

abgeschaltet werden, was zu teuren Ausfällen des Stromrichters führt. Es wäre denkbar, die kühlmittelleitenden Komponenten innerhalb der Module sehr hochwertig und

mechanisch so stabil zu realisieren, dass auch bei einer extremen Beanspruchung wie einer Explosion kein Kühlmittel aus den Modulen austreten kann. Derartig hochwertige und stabile Komponenten wären aber sehr aufwändig und daher sehr teuer .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum

Kühlen des Moduls anzugeben, die kostengünstig realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Modul und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des Moduls und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Offenbart wird ein Modul eines modularen

Multilevelstromrichters mit

- einem ersten Leistungshalbleiterbauelement und einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (und einem elektrischen Energiespeicher) ,

- einer Kühleinrichtung (Flüssigkeitskühleinrichtung) für das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement, wobei die Kühleinrichtung einen Kühlmitteleinlass und einen

Kühlmittelauslass für ein (flüssiges) Kühlmittel aufweist, und

- einem ersten Ventil zum Sperren des Kühlmitteleinlasses.

Das erste Ventil kann am Kühlmitteleinlass angeordnet sein. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass bei Auftreten eines (insbesondere elektrischen) Fehlers in dem Modul mittels des ersten Ventils der Kühlmitteleinlass gesperrt werden kann. Dadurch kann kein weiteres Kühlmittel in das Modul

hineinfließen. Durch das Schließen des ersten Ventils wird verhindert, dass nach Auftreten des Fehlers Kühlmittel aus dem möglicherweise mechanisch beschädigten Modul auslaufen kann. Dadurch kann eine Abschaltung des Stromrichters wegen Kühlmittelauslauf vermieden werden, die Verfügbarkeit des Stromrichters wird verbessert.

Das Modul kann ein zweites Ventil zum Sperren des

Kühlmittelauslasses aufweisen. Das zweite Ventil kann am Kühlmittelauslass angeordnet sein. Dabei ist vorteilhaft, dass bei Auftreten des elektrischen Fehlers in dem Modul mittels des zweiten Ventils der Kühlmittelauslass gesperrt werden kann. Dadurch kann kein Kühlmittel (beispielsweise aus einer mit dem Kühlmittelauslass verbundenen

Kühlmittelleitung) über den Kühlmittelauslass in das Modul zurückfließen. Durch das Schließen des zweiten Ventils wird verhindert, dass nach Auftreten des Fehlers Kühlmittel aus dem möglicherweise mechanisch beschädigten Modul auslaufen kann .

Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement in einer

Halbbrückenschaltung angeordnet sind. Ein solches Modul wird auch als Halbbrücken-Modul oder als Halbbrücken-Submodul bezeichnet. Mittels eines solchen Moduls kann bei

entsprechender Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente entweder die Spannung eines in dem Modul angeordneten

elektrischen Energiespeichers oder keine Spannung (d.h. eine Nullspannung) ausgegeben werden.

Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass das Modul ein drittes Leistungshalbleiterbauelement und ein viertes

Leistungshalbleiterbauelement aufweist, und die vier

Leistungshalbleiterbauelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Ein solches Modul wird auch als Vollbrücken- Modul oder als Vollbrücken-Submodul bezeichnet. Mittels eines solchen Moduls kann bei entsprechender Ansteuerung der

Leistungshalbleiterbauelemente entweder die Spannung des in dem Modul angeordneten elektrischen Energiespeichers, die negative Spannung des Energiespeichers oder keine Spannung (d.h. eine Nullspannung) ausgegeben werden.

Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass das erste Ventil und/oder das zweite Ventil jeweils ein elektrisch

angetriebenes Ventil oder ein mechanisch angetriebenes Ventil ist .

Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass dem Modul ein Überbrückungsschalter (Bypassschalter) zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul elektrisch überbrückt. Der Überbrückungsschalter ist elektrisch mit dem Modul verbunden. Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul (zum Beispiel bei einem Defekt des ersten Leistungshalbleiterbauelements und/oder des zweiten Leistungshalbleiterbauelements) wird der

Überbrückungsschalter geschlossen und dadurch das Modul elektrisch überbrückt. Dadurch kann der Stromrichter mittels der verbleibenden intakten Module _W eiterarbeiten und braucht bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in einem einzelnen Modul nicht abgeschaltet zu werden.

Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass das erste Ventil und/oder das zweite Ventil so mit dem

Überbrückungsschalter gekoppelt ist, dass bei einem Schließen des Überbrückungsschalters auch das erste Ventil und/oder das zweite Ventil schließt (sperrt) . Dadurch kann bei einem auftretenden Fehler des Moduls das Modul nicht nur mittels des Überbrückungsschalters elektrisch überbrückt und damit elektrisch außer Betrieb genommen werden, sondern es kann mittels des oder der Ventile gleichzeitig das Modul vom

Kühlkreislauf des Stromrichters getrennt werden.

Offenbart wird auch ein modularer Multilevelstromrichter mit einer Mehrzahl von Modulen nach einem der vorstehend

beschriebenen Varianten. Dabei können die Module elektrisch in Reihe geschaltet sein (elektrische Reihenschaltung) und die Kühleinrichtungen der einzelnen Module können bezüglich des Kühlmittelflusses ebenfalls in Reihe geschaltet sein (kühlmittelbezogene Reihenschaltung) .

Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Kühlen eines

Moduls eines modularen Multilevelstromrichters , bei dem

- ein erstes Leistungshalbleiterbauelement und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement des Moduls mittels einer

Kühleinrichtung des Moduls gekühlt werden, wobei die

Kühleinrichtung einen Kühlmitteleinlass und einen

Kühlmittelauslass für ein (flüssiges) Kühlmittel aufweist,

- dem Modul durch den Kühlmitteleinlass das Kühlmittel zugeführt wird,

- mittels des Kühlmittels das erste

Leistungshalbleiterbauelement und das zweite

Leistungshalbleiterbauelement gekühlt werden,

- durch den Kühlmittelauslass das Kühlmittel aus dem Modul abgeführt wird, und

- bei Auftreten eines (insbesondere elektrischen) Fehlers in dem Modul mittels eines an dem Kühlmitteleinlass angeordneten ersten Ventils der Kühlmitteleinlass gesperrt wird (indem das erste Ventil geschlossen wird) .

Das Verfahren kann so ablaufen, dass

- bei Auftreten des Fehlers mittels eines an dem

Kühlmittelauslass angeordneten zweiten Ventils der

Kühlmittelauslass gesperrt wird (indem das zweite Ventil geschlossen wird) .

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass

- dem Modul ein Überbrückungsschalter zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul elektrisch überbrückt, und (wobei das erste Ventil und/oder das zweite Ventil so mit dem Überbrückungsschalter gekoppelt sind, dass) bei einem Schließen des Überbrückungsschalters auch das erste Ventil und/oder das zweite Ventil geschlossen werden . Das beschriebene Modul und das beschriebene Verfahren weisen gleiche bzw. gleichartige Vorteile auf.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, in

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, in

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage, und in

Figur 5 ein beispielhafter Ablauf eines Verfahrens

zum Kühlen des Moduls dargestellt .

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 1 (Hochspannungs-Stromrichter 1) in Form eines modularen

Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten

Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten Wechsel

spannungsanschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste

Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten

Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten

Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten

Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver

Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.

Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte

Wechselspannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten

Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte

Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.

Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten

Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften

Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungs anschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten

Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten

Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten

Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten

Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges

Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.

Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von zweipoligen Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer zwei elektrischen Modulanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer elektrischen Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 3, 50, 100 oder mehr Module

elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen

Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut .

Von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des

Stromrichters 1 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen 1_1 bis 6_n übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.

In den Modulen 1_1, 1_2, 1_3 usw. sind jeweils

Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet. Die

Leistungshalbleiterbauelemente sind also in mehreren

Phasenmodulen 15, 24, 31 angeordnet, wobei jedes Phasenmodul 15, 24, 31 einen Wechselspannungsanschluss 5, 7, 9 und mindestens einen Gleichspannungsanschluss 16, 17

(insbesondere zwei Gleichspannungsanschlüsse 16, 17) aufweist .

Der Stromrichter 1 weist eine Kühlvorrichtung 50 auf. Die Kühlvorrichtung 50 weist einen Kühlmittelbehälter 52, eine Pumpe 54 (Kühlmittel-Pumpe 54) und einen Wärmeübertrager 56 (Wärmetauscher 56) auf. Der Kühlmittelbehälter 52, die Pumpe 54 und der Wärmeübertrager 56 sind durch Kühlmittelleitungen 60 mit den einzelnen Modulen 1_1 ... l_n, 3_1 ... 3_n, usw. des Stromrichters 1 verbunden. So ist beispielsweise der

Wärmeübertrager 56 über eine Hin-Kühlmittelleitung 60a mit dem Modul 1 1 verbunden; das Modul 1 1 ist über eine Kühlmittelleitung 60b mit dem Modul 1_2 verbunden; und das Modul 1_2 ist über eine Kühlmittelleitung 60c mit dem Modul 1_3 verbunden. In gleicher Art und Weise ist das Modul 1_3 mit dem nächstfolgenden Modul 1_4 (nicht dargestellt) über eine Kühlmittelleitung 60 verbunden und so weiter. Das letzte Modul l_n des Phasenmodulzweigs 11 ist über eine Rück- Kühlmittelleitung 60d mit dem Kühlmittelbehälter 52

verbunden. Der Kühlmittelbehälter 52 ist über eine

Kühlmittelleitung 60 mit der Pumpe 54 verbunden; die Pumpe 54 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit dem Wärmeübertrager 56 verbunden. Die Kühlmittelleitungen 60 sind in den Figuren mittels zweier paralleler Linien in der Art eines Rohres dargestellt. Die elektrischen Leitungen des Stromrichters sind dagegen jeweils mittels einer einzelnen Linie

dargestellt .

In dem Kühlmittelbehälter 52 befindet sich ein Vorrat an Kühlmittel 70. Das Kühlmittel 70 kann aus dem

Kühlmittelbehälter 52 mittels der Pumpe 54 durch den

Wärmeübertrager 56, durch die Module 1_1 ... l_n des ersten Phasenmodulzweigs 11 und danach wieder zurück zum

Kühlmittelbehälter 52 gepumpt werden. Somit weist die

Kühlvorrichtung 50 einen Kühlkreislauf 72

(Kühlmittelkreislauf 72) auf. An den Kühlkreislauf 72 sind auch die Module 3_1 ... 3_n des dritten Phasenmodulzweigs 18 und die Module 5_1 ... 5_n des fünften Phasenmodulzweigs 27 angeschlossen. Mittels des Kühlmittelkreislaufs 72 können also in den Modulen angeordnete

Leistungshalbleiterbauelemente gleichzeitig gekühlt werden. Als Kühlmittel 70 kann beispielsweise gereinigtes Wasser verwendet werden. Ein solches Kühlmittel weist eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Daher kann ein solches Kühlmittel beispielsweise bei einem Hochspannungs- Stromrichter bzw. bei einem Stromrichter einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage (zum Beispiel bei Spannungen zwischen 100 kV und 500 kV) eingesetzt werden. Zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente der Module des zweiten Phasenmodulzweigs 13, des vierten Phasenmodulzweigs 21 und des sechsten Phasenmodulzweigs 29 existiert eine weitere Kühlvorrichtung 80. Diese weitere Kühlvorrichtung 80 ist identisch aufgebaut zu der Kühlvorrichtung 50 des ersten, dritten und fünften Phasenmodulzweigs 11, 18 und 27.

Selbstverständlich können auch sämtliche Module des

Stromrichters 1 mittels einer einzigen Kühlvorrichtung (d. h. mittels eines einzigen Kühlmittelbehälters 52, einer einzigen Pumpe 54 und eines einzigen Wärmeübertragers 56) gekühlt werden. Alternativ ist es auch möglich, mehr als zwei

Kühlvorrichtungen zur Kühlung der Module des Stromrichters 1 einzusetzen .

Der Kühlmittelbehälter 52 enthält einen Vorrat des

Kühlmittels 70. Der Kühlmittelbehälter 52 ist optional: das Kühlmittel kann auch in ausreichender Menge in den

Kühlmittelleitungen 60, in der Pumpe 54 und im

Wärmeübertrager 56 vorhanden sein.

Figur 2 zeigt beispielhaft den Aufbau eines zweipoligen

Moduls 201. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 202 in Form eines ein- und abschaltbaren elektronischen Schaltelements 202 mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 206 in Form eines ein- und abschaltbaren elektronischen Schaltelements 206 mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite Freilaufdiode 208) und einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines elektrischen Kondensators 210 auf. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202 und das zweite

Leistungshalbleiterbauelement 206 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden

Leistungshalbleiterbauelemente 202 und 206 ist ein erster (galvanischer) Modulanschluss 212 angeordnet. An dem

Anschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter (galvanischer) Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem

Anschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.

Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel

geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten

Leistungshalbleiterbauelement 202 und dem zweiten

Leistungshalbleiterbauelement 206. Durch entsprechende

Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterbauelements 202 und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 entweder die Spannung des

Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen

Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte

Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die

Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterbauelements 202 und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels der (oben erwähnten) von der Steuereinrichtung des Stromrichters zu dem Modul übertragenen Nachricht bzw. Signal.

Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202 ist mit einem ersten Leistungshalbleiterbauelement-Kühlkörper 220 versehen; das zweite Leistungshalbleiterbauelement 206 ist mit einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement-Kühlkörper 222 versehen. Die erste Freilaufdiode 204 ist mit einem ersten Dioden-Kühlkörper 226 versehen; die zweite Freilaufdiode 208 ist mit einem zweiten Dioden-Kühlkörper 228 ausgestattet.

Die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 stehen in einem engen thermischen Kontakt mit dem jeweiligen Bauelement und sind in der Lage, die in dem Bauelement entstehende Abwärme

aufzunehmen und an das flüssige Kühlmittel 70 weiterzuleiten. Daher stehen die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 jeweils in engem thermischen Kontakt (thermische Kopplung) mit dem

Kühlmittel 70. So sind das erste

Leistungshalbleiterbauelement 202, das zweite

Leistungshalbleiterbauelement 206 und auch die erste

Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208 thermisch mit dem Kühlmittel 70 gekoppelt.

Die Kühlkörper sind in den Figuren lediglich schematisch dargestellt. Die Kühlkörper können kühlmitteldurchströmte (flüssigkeitsdurchströmte) Kühlkörper sein (d.h. die

Kühlkörper weisen kühlmitteldurchströmte Kanäle auf) . Die Kühlkörper können jeweils aus massivem Metall bestehen, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium.

Die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 sind Teil einer

Kühleinrichtung 229 des Moduls. Die Kühleinrichtung 229 weist neben den Kühlkörpern auch modulinterne Kühlmittelkanäle 230 zum Transport des Kühlmittels zu den Kühlkörpern und von den Kühlkörpern weg auf. Weiterhin weist die Kühleinrichtung 229 einen Kühlmitteleinlass 231 (Kühlmittelzulauf 231) und einen Kühlmittelauslass 232 (Kühlmittelablauf 232) auf. Der

Kühlmitteleinlass 231 dient dem Zuführen (Zuleiten) des

Kühlmittels zu dem Modul 201, der Kühlmittelauslass 232 dient dem Abführen (Ableiten) des Kühlmittels aus dem Modul.

Genauer gesagt, dient der Kühlmitteleinlass 231 dem Zuführen des Kühlmittels 70 zu den Kühlkörpern des Moduls 201, der Kühlmittelauslass 232 dient dem Abführen (Ableiten) des

Kühlmittels von den Kühlkörpern des Moduls. Der Kühlmitteleinlass 231 und der Kühlmittelauslass 232 sind beispielsweise jeweils als ein lösbarer Kühlmittelanschluss ausgestaltet, der mit der entsprechenden Kühlmittelleitung 60a bzw. oder 60b (vgl. Figur 1 bei Modul 1_1) verbindbar ist .

An dem Kühlmitteleinlass 231 ist ein erstes Ventil 234 angeordnet; an dem Kühlmittelauslass 232 ist ein zweites Ventil 235 angeordnet. Das erste Ventil 234 ermöglicht in seinem geöffneten Zustand den Zufluss des Kühlmittels zu dem Modul bzw. in das Modul und unterbricht in seinem

geschlossenen Zustand den Zufluss des Kühlmittels. Das erste Ventil 234 dient also zum Sperren des Kühlmitteleinlasses 231. Das zweite Ventil 235 ermöglicht in seinem geöffneten Zustand den Abfluss des Kühlmittels aus dem Modul und

unterbricht in seinem geschlossenen Zustand den Abfluss des Kühlmittels. Das zweite Ventil 234 dient also zum Sperren des Kühlmittelauslasses 232.

Im unteren Teil der Figur 2 ist mittels eines Pfeils 236 das (bei geöffnetem ersten Ventil 234) in das Modul 201

hineinströmende Kühlmittel 70 dargestellt; im oberen Teil der Figur 2 ist mittels eines Pfeils 238 das (bei geöffnetem zweiten Ventil 235) aus dem Modul 201 herausströmende

Kühlmittel 70 dargestellt. Mittels des durch das Modul 201 strömenden Kühlmittels 70 können das erste

Leistungshalbleiterbauelement 202, das zweite

Leistungshalbleiterbauelement 206, die erste Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208 gekühlt werden.

Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass mittels des Kühlmittels 70 nur einzelne Bauelemente des Moduls gekühlt werden, beispielsweise nur das erste

Leistungshalbleiterbauelement 202 und das zweite

Leistungshalbleiterbauelement 206. In diesem Fall können für die Kühlung der anderen Bauteile andere Kühlmöglichkeiten vorhanden sein, beispielsweise ein eigener Kühlmittel- Kreislauf . Das Kühlmittel 70 nimmt die Abwärme des ersten elektronischen Leistungshalbleiterbauelements 202, des zweiten

elektronischen Leistungshalbleiterbauelements 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 auf. Das Kühlmittel 70 transportiert die aufgenommene Abwärme zu dem Wärmeübertrager 56. Der Wärmeübertrager 56 gibt die Abwärme des Kühlmittels an die Umgebungsluft ab (vorzugsweise gibt der Wärmeübertrager 56 die Abwärme an die Umgebungsluft außerhalb des Stromrichtergebäudes ab) .

Dem Modul 201 ist ein Überbrückungsschalter 245 zugeordnet. Der Überbrückungsschalter 245 dient zum elektrischen

Überbrücken des Moduls 201. Der Überbrückungsschalter 245 verbindet in seinem geschlossenen Zustand den ersten

elektrischen Modulanschluss 212 mit dem zweiten elektrischen Modulanschluss 215 und überbrückt dann das Modul 201

elektrisch .

Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul (zum Beispiel bei einem Defekt des ersten

Leistungshalbleiterbauelements 202 und/oder des zweiten

Leistungshalbleiterbauelements 206) wird der

Überbrückungsschalter 245 geschlossen und dadurch das Modul 201 elektrisch überbrückt. Dadurch kann der Stromrichter 1 mittels der restlichen intakten Module des jeweiligen

Phasenmodulzweigs _W eiterarbeiten und braucht bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in einem einzelnen Modul nicht abgeschaltet zu werden.

Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul 201 wird das an dem Kühlmitteleinlass 231 angeordnete erste

Ventil 234 geschlossen. Dadurch wird der Kühlmitteleinlass gesperrt und es kann kein weiteres Kühlmittel in das Modul hineinströmen. Optional wird bei Auftreten des elektrischen Fehlers auch das an dem Kühlmittelauslass 232 angeordnete zweite Ventil 235 geschlossen. Dadurch wird der Kühlmittelauslass gesperrt und es kann kein Kühlmittel aus der mit dem Kühlmittelauslass 232 verbundenen

Kühlmittelleitung 60b in das Modul 201 zurückfließen. Durch das Schließen des ersten Ventils 234 und/oder des zweiten Ventils 235 wird verhindert, dass bei Auftreten des

elektrischen Fehlers Kühlmittel aus dem Modul 201 auslaufen kann. Solche elektrischen Fehler in dem Modul sind nämlich aufgrund der in dem Energiespeicher 210 gespeicherten großen Energiemenge oftmals mit einer heftigen Reaktion bzw.

Explosion in dem Modul verbunden, wodurch das Modul auch mechanisch beschädigt werden und daraufhin das Kühlmittel 70 auslaufen kann. Wenn in dem Stromrichter 1 eine größere Menge Kühlmittel ausläuft, dann muss der Stromrichter 1

abgeschaltet werden. Durch das Schließen des ersten Ventils 234 und/oder des zweiten Ventils 235 wird vorteilhafterweise erreicht, dass selbst bei mechanischer Beschädigung des

Moduls maximal eine kleine Restmenge von in dem Modul

enthaltenen Kühlmittel auslaufen kann. Ein Auslaufen des Großteils des Kühlmittels des Kühlkreislaufs oder sogar des gesamten Kühlmittels des Kühlkreislaufs wird jedoch

verhindert. Ein Abschalten des gesamten Stromrichters wird dadurch vermieden.

Optional kann vorteilhafterweise das erste Ventil 234

und/oder das zweite Ventil 235 so mit dem

Überbrückungsschalter 245 gekoppelt sein, dass bei einem Schließen des Überbrückungsschalters 245 auch das erste

Ventil 234 und/oder das zweite Ventil 235 geschlossen werden. Mittels des Überbrückungsschalters wird dann das Modul elektrisch überbrückt; mittels des geschlossenen ersten

Ventils 234 und/oder des geschlossenen zweiten Ventils 235 wird das Modul 201 von dem Kühlkreislauf abgetrennt. Die Kopplung zwischen dem Überbrückungsschalter 245 und dem ersten Ventil 234 und/oder zweiten Ventil 235 ist in Figur 2 schematisch als eine Strich-Punkt-Linie 248 angedeutet. Diese Kopplung kann beispielsweise elektrisch realisiert sein, zum Beispiel wird bei einem Schließen des Überbrückungsschalters 245 das erste Ventil 234 und/oder das zweite Ventil 235 elektrisch so angesteuert, dass das erste Ventil 234 und/oder das zweite Ventil 235 auch geschlossen werden.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls

301 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_2 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten Leistungshalbleiterbauelement 202, zweiten

Leistungshalbleiterbauelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes

Leistungshalbleiterbauelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes Leistungshalbleiterbauelement 306 mit einer vierten

antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte Leistungshalbleiterbauelement 302 und das vierte

Leistungshalbleiterbauelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten

elektronischen Leistungshalbleiterbauelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten Leistungshalbleiterbauelement

302 und dem vierten Leistungshalbleiterbauelement 306.

Das Modul 301 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 301. Dieses Vollbrücken-Modul 301 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier

elektronischen Leistungshalbleiterbauelemente zwischen dem ersten (galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten (galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Stromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 201, nur Vollbrücken-Module 301 oder auch Halbbrücken-Module 201 und Vollbrücken-Module 301 aufweisen. Über den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215, 315 fließen große elektrische Ströme des Stromrichters.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Moduls 301 werden neben dem ersten elektronischen Leistungshalbleiterbauelement 202, dem zweiten elektronischen Leistungshalbleiterbauelement 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 zusätzlich auch das dritte elektronische

Leistungshalbleiterbauelement 302, das vierte elektronische Leistungshalbleiterbauelement 306, die dritte Freilaufdiode 304 sowie die vierte Freilaufdiode 308 mittels des

Kühlmittels 70 des Kühlmittelkreislaufs 72 gekühlt.

Wie beim Modul 201 ist auch bei dem Modul 301 der

Kühlmitteleinlass 231 mit dem ersten Ventil 234 versehen, der Kühlmittelauslass 232 ist mit dem zweiten Ventil 235

versehen. Das erste Ventil 234 ist also dem Kühlmitteleinlass 231 zugeordnet; das zweite Ventil 235 ist dem

Kühlmittelauslass 232 zugeordnet. Die Funktion und

Wirkungsweise des ersten Ventils 234 und des zweites Ventil 235 ist gleichartig wie bei dem in Figur 2 dargestellten Modul 201.

In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven

Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen

Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 kann

elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 weist dann eine entsprechende Länge auf.

In Figur 5 ist das Verfahren zum Kühlen eines Moduls des modularen Multilevelstromrichters 1 noch einmal mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt.

Verfahrensschritt 502:

Dem Modul wird durch den Kühlmitteleinlass das Kühlmittel zugeführt .

Verfahrensschritt 504:

Mittels des Kühlmittels werden das erste

Leistungshalbleiterbauelement und/oder das zweite

Leistungshalbleiterbauelement gekühlt .

Verfahrensschritt 506:

Durch den Kühlmittelauslass wird das Kühlmittel aus dem Modul abgeführt (weggeleitet) .

Verfahrensschritt 508:

Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul wird mittels eines an dem Kühlmitteleinlass 231 angeordneten ersten Ventils 234 der Kühlmitteleinlass gesperrt (indem das erste Ventil 234 geschlossen wird) .

Verfahrensschritt 510:

Bei Auftreten des Fehlers wird mittels eines an dem

Kühlmittelauslass 232 angeordneten zweiten Ventils 235 der Kühlmittelauslass gesperrt (indem das zweite Ventil 235 geschlossen wird) . Die Verfahrensschritte 508 und/oder 510 können optional so ausgestaltet sein, dass dem Modul der Überbrückungsschalter 245 zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul elektrisch überbrückt, und das erste Ventil und/oder das zweite Ventil so mit dem

Überbrückungsschalter gekoppelt sind, dass bei einem

Schließen des Überbrückungsschalters auch das erste Ventil und/oder das zweite Ventil geschlossen werden.

Es wurden ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Kühlen des Moduls beschrieben. Dieses Modul und dieses Verfahren weisen eine Reihe von Vorteilen auf :

- Bei Auftreten eines Fehlers in einem Modul kann das Modul zuverlässig von dem Kühlkreislauf des Stromrichters getrennt werden. Dies kann einfach und zuverlässig dadurch erfolgen, dass der Kühlmitteleinlass (und damit der Kühlmittelvorlauf) und/oder der Kühlmittelauslass (und damit der

Kühlmittelrücklauf) durch je ein Ventil abgetrennt werden.

- Die modulinterne Kühleinrichtung kann kostengünstig

aufgebaut werden, da nach einem fehlerbedingten Ausfall das Modul sicher vom Kühlkreislauf des Stromrichters abgetrennt ist. Es tritt maximal etwas Restkühlmittel aus dem Modul aus.

- Es können kostengünstige Kühlmittelkanäle im Modul

realisiert werden, die bei einem Ausfall des Moduls ohne die Ventile zu einer Kühlmittel-Leckage führen würden.

- Eine Abschaltung des Stromrichters wegen Kühlmittelauslauf wird vermieden, dadurch wird die Verfügbarkeit des

Stromrichters verbessert.