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Patent Searching and Data


Title:
SUBMODULE FOR A MODULAR MULTILEVEL CONVERTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/063078
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a submodule for a modular multilevel converter, comprising a first and a second module connection for integrating the submodule into the modular multilevel converter, a first series circuit comprising two energy stores connected in series, the connecting point thereof forming the first module connection, and a second series circuit comprising a first and a second switching device connected in series, the connecting point thereof forming the second module connection. The first and second series circuits are connected in parallel and a bidirectional switching device is arranged between the first and the second module connections.

Inventors:
ALVAREZ VALENZUELA, Rodrigo Alonso (Bucher Straße 51, Nürnberg, 90419, DE)
ZENKNER, Andreas (Veilchenstraße 15, Veitsbronn, 90587, DE)
MONDAL, Gopal (Friedrich Bauer Straße 1, 2nd Floor, Erlangen, 91058, DE)
HERGT, Martin (Bierweg 90, Nürnberg, 90411, DE)
NIELEBOCK, Sebastian (Waldstraße 19, Forchheim, 91301, DE)
Application Number:
EP2017/074589
Publication Date:
April 04, 2019
Filing Date:
September 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M7/483
Domestic Patent References:
WO2013126660A22013-08-29
WO2007087732A12007-08-09
Foreign References:
US20150124506A12015-05-07
EP3041127A12016-07-06
EP2677653A12013-12-25
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Claims:
Patentansprüche

1. Submodul (SM) für einen modularen Mehrstufenumrichter (M) , aufweisend:

- einen ersten und zweiten Modulanschluss (AI, Bl) zur Einbindung des Submoduls (SM) in den modularen Mehrstufenumrichter (M) ,

- eine erste Serienschaltung mit zwei in Serie geschalteten Energiespeichern (Cl, C2), deren Verbindungspunkt (K2) den zweiten Modulanschluss (Bl) bildet,

- eine zweite Serienschaltung mit einer ersten und zweiten in Serie zueinander geschalteten Schalteinrichtung (Sl, S2), deren Verbindungspunkt (Kl) den ersten Modulanschluss (AI) bil- det,

wobei

- die erste und zweite Serienschaltung parallel geschaltet sind,

- zwischen dem ersten und zweiten Modulanschluss (AI, Bl) ei- ne bidirektionale Schalteinrichtung (S3) angeordnet ist.

2. Submodul (SM) nach Anspruch 1, bei dem die bidirektionale Schalteinrichtung (S3) so gestaltet ist, dass bei ihrem Aus¬ fall eine niederohmige Verbindung geschaffen wird.

3. Submodul (SM) nach Anspruch 1, bei dem die bidirektionale Schalteinrichtung (S3) eine Serie aus zwei gegensinnig angeordneten Leistungshalbleitern (33, 34) umfasst. 4. Submodul (SM) nach Anspruch 1, bei dem die bidirektionale Schalteinrichtung (S3) eine Parallelschaltung zweier gegensinnig angeordneter Leistungshalbleiter (31, 32) umfasst.

5. Submodul (SM) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Schalteinrichtung (Sl) einen ersten Leistungshalbleiter (35), insbesondere einen IGBT, umfasst. 6. Submodul (SM) nach Anspruch 5, bei dem die erste Schalt¬ einrichtung (Sl) einen zweiten Leistungshalbleiter (36), insbesondere einen IGBT, in Serie zum ersten Leistungshalbleiter (35) umfasst. 7. Submodul (SM) nach Anspruch 5, bei dem die erste Schalt¬ einrichtung (Sl) eine Diode (37) in Serie zum ersten Leistungshalbleiter (35) umfasst.

8. Submodul (SM) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Schalteinrichtung (S2) einen dritten Leistungshalbleiter (35), insbesondere einen IGBT, umfasst.

9. Submodul (SM) nach Anspruch 8, bei dem die zweite Schalt¬ einrichtung (S2) einen vierten Leistungshalbleiter (36), ins- besondere einen IGBT, in Serie zum dritten Leistungshalblei¬ ter (35) umfasst.

10. Submodul (SM) nach Anspruch 8, bei dem die zweite Schalt¬ einrichtung (S2) eine Diode (37) in Serie zum dritten Leis- tungshalbleiter (35) umfasst.

11. Modularer Mehrstufenumrichter (M) mit einer Mehrzahl von Submodulen (SM) , von denen wenigstens ein Teil Submodule (SM) nach einem der vorangehenden Ansprüche sind.

12. Modularer Mehrstufenumrichter (M) mit einer Steuereinrichtung, die ausgestaltet ist, für eines oder mehrere der Submodule (SM) durch Schaltung der Schalteinrichtungen (Sl, S2, S3) den Ladezustand der Energiespeicher (Cl, C2) auf ei- nem ersten Pegel für einen ersten der Energiespeicher (Cl) und auf einem zweiten Pegel für einen zweiten der Energiespeicher (C2) zu halten, wobei der erste Pegel im Bereich zwischen 30 und 70%, insbesondere in einem Bereich zwischen 40% und 60% des zweiten Pegels liegt.

Description:
Beschreibung

Submodul für einen modularen Mehrstufenumrichter

Die Erfindung betrifft ein Submodul für einen modularen Mehrstufenumrichter .

Ein modularer Mehrstufenumrichter, auch modularer Multilevel Umrichter oder kurz MMC bzw. M2C (nach dem englischen „modu- lar multilevel Converter") genannt, ist ein Umrichter zum Umwandeln einer Spannung in eine andere Spannung. Ein modularer Mehrstufenumrichter kann z.B. eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, d.h. er wird als Wechselrichter verwendet. Ein modularer Mehrstufenumrichter kann außerdem z.B. eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln, d.h. er wird als Gleichrichter verwendet. Weiterhin kann ein modularer Mehrstufenumrichter eine Wechselspannung in eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umwandeln, ohne zunächst eine Gleichspannung zu erzeugen, d.h. er wird als direkter Umrichter verwendet.

Modulare Mehrstufenumrichter können beispielsweise als Wechselrichter in einem Photovoltaik-Kraftwerk, als Transformator in einem Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystem (HGÜ) oder einem Bahnstrom-System verwendet werden.

Ein modularer Mehrstufenumrichter als Gleichrichter wird beispielsweise in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung benötigt. Dabei wird aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, welche zum verlustarmen Transport über weite Übertragungsstrecken hinweg genutzt wird. Nach der Übertragung wird die Gleichspannung wiederum mit einem modularen Mehrstufenumrichter als Wechselrichter in eine Wechselspan- nung umgewandelt, um diese in das Wechselstromnetz einzuspei ¬ sen .

In seinem Aufbau umfasst ein modularer Mehrstufenumrichter zumindest eine Reihenschaltung mit mehreren in Reihe geschal ¬ teten Submodulen. EP 2677653 AI offenbart einen modularen Mehrstufenumrichter, welcher in diesem Fall drei Reihenschaltungen mit 2N Modulen umfasst. Jede der Reihenschaltungen wird durch eine Wechselspannungsleitung in zwei Zweige ge- teilt. Jeder Zweig wiederum ist über ein Drosselelement mit der Wechselspannungsleitung verbunden. Ferner weist jedes Modul einen Energiespeicher und eine Schaltvorrichtung auf. Der jeweilige Energiespeicher ist dazu eingerichtet, eine elekt ¬ rische Energie zu speichern. In jedem Modul kann der Energie- Speicher zumindest teilweise mit elektrischer Energie (auf-) geladen werden. Mithilfe der Schaltvorrichtung kann gesteuert werden, ob der Energiespeicher des jeweiligen Moduls geladen bzw. entladen werden soll oder ob der Energiespeicher überbrückt werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Submodul für einen modularen Mehrstufenumrichter bereitzustellen . Diese Aufgabe wird durch ein Submodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Submodul für einen modularen Mehrstufenumrichter umfasst eine erste Serienschaltung mit zwei in Se- rie geschalteten Energiespeichern, deren Verbindungspunkt einen zweiten Modulanschluss bildet und eine zweite Serien ¬ schaltung mit einer ersten und zweiten in Serie zueinander geschalteten Schalteinrichtung, deren Verbindungspunkt einen ersten Modulanschluss bildet. Dabei sind die erste und zweite Serienschaltung parallel geschaltet. Schließlich ist zwischen dem ersten und zweiten Modulanschluss eine bidirektionale Schalteinrichtung angeordnet. Bei den Energiespeichern handelt es sich jeweils um einen einzelnen Kondensator oder mehrere Kondensatoren, die zusammen einen Energiespeicher bilden.

Das erfindungsgemäße Submodul für einen modularen Mehrstufen- umrichter umfasst einen ersten und zweiten Modulanschluss zur Einbindung des Submoduls in den modularen Mehrstufenumrichter. Es handelt sich bei dem Submodul also um ein zweipoliges Submodul. Die Modulanschlüsse dienen dem Anschluss des Submo ¬ duls, beispielsweise an weitere Submodule. Das Submodul wird mittels der Modulanschlüsse in Reihe mit weiteren Submodulen geschaltet .

Vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Submodul eine Zus- chaltung eines der beiden Energiespeicher in beiden Polaritä- ten analog zu einem Vollbrücken-Submodul . Im Gegensatz zum

Vollbrücken-Submodul befindet sich in dem Schaltzustand, bei dem das Submodul den Energiespeicher überbrückt, nur die bi ¬ direktionale Schalteinrichtung im Strompfad, wodurch vorteil ¬ haft die Leitungsverluste reduziert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Submoduls gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit de- nen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für das Submodul noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden: - Die bidirektionale Schalteinrichtung kann so gestaltet sein, dass bei seinem Ausfall eine niederohmige Verbindung geschaffen wird. Mit anderen Worten hat die bidirektionale Schalteinrichtung „conduct-on-fail"-Eigenschaften . Dadurch wird bei einem Ausfall der bidirektionalen Schalteinrichtung das Submodul sicher und dauerhaft überbrückt, sodass ein Um ¬ richter mit einem solchen Submodul den Betrieb fortsetzen kann. Hierzu ist vorteilhaft keine zusätzliche Schaltung mit einem Überbrückungsschalter und einer Überwachungseinrichtung nötig. Es werden also Bauteile, Kosten und Komplexität redu ¬ ziert .

- Die bidirektionale Schalteinrichtung kann eine Serie aus zwei gegensinnig angeordneten Leistungshalbleiterschaltern umfassen, beispielsweise eine Serie aus zwei gegensinning an ¬ geordneten IGBTs oder MOSFETs mit paralleler Diode. Alterna ¬ tiv kann die bidirektionale Schalteinrichtung eine Parallel ¬ schaltung zweier gegensinnig angeordneter Leistungshalbleiterschalter umfassen, beispielsweise zweier IGBTs ohne paral- lele Freilaufdiode . In beiden Fällen ist die Überbrückung der Energiespeicher stromrichtungsunabhängig abschaltbar, wodurch das Submodul vorteilhaft einen Schutz des Wandlers bei einem DC-seitigen Kurzschluss erlaubt. - Die erste Schalteinrichtung kann einen ersten Leistungshalbleiter umfassen. Insbesondere kann die erste Schalteinrichtung genau den ersten Leistungshalbleiter, also mit anderen Worten nur einen Leistungshalbleiter umfassen. Alternativ kann die erste Schalteinrichtung zusätzlich in Serie zum ers- ten Leistungshalbleiter einen zweiten Leistungshalbleiter umfassen. Insbesondere kann die erste Schalteinrichtung genau zwei Leistungshalbleiter umfassen. Durch die Serienschaltung zweier Leistungshalbleiter wird die sperrbare Spannung, aber auch die Durchlassverluste erhöht. - Alternativ zum zweiten Leistungshalbleiter kann die erste Schalteinrichtung auch eine erste Diode in Serie zum ersten Leistungshalbleiter umfassen. Hierdurch werden Aufbau und An- Steuerung vereinfacht.

- Die Aufbauvarianten für die erste Schalteinrichtung können unabhängig von der ersten Schalteinrichtung auch bei der zweiten Schalteinrichtung verwendet werden. So kann die zwei- te Schalteinrichtung einen einzelnen dritten Leistungshalbleiter umfassen. Mit anderen Worten kann also die zweite Schalteinrichtung genau einen Leistungshalbleiter umfassen. Weiterhin kann die zweite Schalteinrichtung zusätzlich einen vierten Leistungshalbleiter in Serie zum dritten Leistungs- halbleiter umfassen. Alternativ kann die zweite Schalteinrichtung anstelle des vierten Leistungshalbleiters eine zwei ¬ te Diode in Serie zum dritten Leistungshalbleiter aufweisen.

- In einer besonders vorteilhaften Aufbauvariante umfasst die erste Schalteinrichtung genau den ersten Leistungshalbleiter, also mit anderen Worten nur einen Leistungshalbleiter, während die zweite Schalteinrichtung die bereits beschriebene Serienschaltung aus dem dritten und vierten Leistungshalbleiter aufweist. Hierdurch wird eine stärkere Aufladung des zweiten der Energiespeichers ermöglicht, wobei der zweite Energiespeicher derjenige ist, der in Serie zur zweiten

Schalteinrichtung angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, dass die zweite Schalteinrichtung genau den dritten Leistungshalb ¬ leiter, also mit anderen Worten nur einen Leistungshalbleiter aufweist, während die erste Schalteinrichtung die bereits be ¬ schriebene Serienschaltung aus dem ersten und zweiten Leistungshalbleiter aufweist. Das Submodul ist besonders geeignet, um einen modularen Mehr ¬ stufenumrichter aufzubauen. Dazu werden mehrere Submodule in Serie geschaltet, um wenigstens zwei Zweige auszubilden. Die Zweige werden paarweise zusammengeschaltet. Bei den Submodu- len handelt es sich teilweise oder komplett um erfindungsge ¬ mäße Submodule. Es ist möglich, dass alle Submodule gleich aufgebaut sind. Alternativ ist es auch möglich, dass die Sub ¬ module verschieden voneinander aufgebaut sind, auch wenn es sich nur um erfindungsgemäße Submodule handelt.

Der modulare Mehrstufenumrichter umfasst eine Steuereinrichtung, die ausgestaltet ist, die Schaltung der Leistungshalb ¬ leiter und den Ladezustand der Energiespeicher zu steuern. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, für eines oder mehrere der Submodule durch Schaltung der Leistungshalb ¬ leiter den Ladezustand der Energiespeicher auf einem ersten Pegel für einen ersten der Energiespeicher und auf einem zweiten Pegel für einen zweiten der Energiespeicher zu hal- ten, wobei der erste Pegel im Bereich zwischen 30% und 70%, insbesondere in einem Bereich zwischen 40% und 60% des zwei ¬ ten Pegels liegt.

Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die in Serie zum zweiten der Energiespeicher liegende Schalteinrichtung diejenige mit zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern ist. Mit anderen Worten umfasst beispielsweise die zweite Schalteinrichtung zwei serielle Leistungshalbleiter und der zweite Energiespei ¬ cher wird mit etwa der doppelten Spannung geladen wie der erste Energiespeicher. Die erste Schalteinrichtung umfasst in diesem Beispiel nur genau einen Leistungshalbleiter.

In dieser Ausführung wird vorteilhaft der erste Energiespei ¬ cher mit einer positiven Spannung geladen und der zweite Energiespeicher mit einer negativen Spannung. Die positive Spannung. Die positive Spannung des ersten Energiespeichers ist höher als die negative Spannung des zweiten Energiespei ¬ chers .

Vorteilhaft kann bei dieser Betriebsform und diesem Aufbau derjenige Energiespeicher mit der höheren, also der positiven Spannung und der dazugehörige einzelne Leistungshalbleiter für den normalen Betrieb genutzt werden, während in außerge- wohnlichen Betriebssituationen der Energiespeicher mit der geringeren, also der negativen Spannung zugeschaltet wird. Dadurch werden im normalen Betrieb die Durchlassverluste im Rahmen der Verluste eines Halbbrücken-Submoduls gehalten, während aber die Schaltmöglichkeiten eines Vollbrücken- Submoduls vorhanden sind für beispielsweise den Fall eines Kurzschlusses .

Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen. Dabei zeigen:

Figur 1 einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Submodulen,

Figur 2 ein Submodul,

Figuren 3 und 4 Schalteinrichtungen des Submoduls,

Figuren 5 bis 10 Betriebszustände des Submoduls und

Figur 11 ein weiteres Submodul. Figur 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines modularen

Mehrstufenumrichters M mit mehreren Submodulen SM. Der modu- lare Mehrstufenumrichter M umfasst zwei Gleichspannungsanschlüsse El, E2 für den Anschluss einer Gleich ¬ spannung bzw. für den Anschluss an ein Gleichstromnetz und einen Wechselspannungsanschluss W für den Anschluss an ein Wechselstromnetz. Weiter ist der modulare Mehrstufenumrichter M beispielsweise dazu eingerichtet, eine Gleichspannung in eine (einphasige) Wechselspannung umzuwandeln. Der Wechsels- pannungsanschluss W teilt die Reihenschaltung der Submodule SM in zwei Zweige ZI, Z2. Jeder Zweig ZI, Z2 umfasst die gleiche Anzahl an Submodulen SM sowie eine Induktivität LI, L2. In Figur 1 ist nur ein Paar von Zweigen ZI, Z2 gezeigt, also ein Aufbau für eine einphasige Wechselspannung am Wechsels ¬ pannungsanschluss W. Für einen dreiphasigen Aufbau würden drei Paare von Zweigen ZI, Z2 parallel zueinander geschaltet. Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Submoduls SM.

Das Submodul SM umfasst eine erste Serienschaltung aus einer ersten Schalteinrichtung Sl und einer zweiten Schalteinrichtung S2. Weiterhin umfasst das Submodul SM eine zweite Se ¬ rienschaltung eines ersten und eines zweiten Kondensators Cl, C2. Die beiden Serienschaltungen sind parallel zueinander geschaltet, also mit ihren jeweiligen Außenanschlüssen verbunden. Der Mittelpunkt der ersten Serienschaltung bildet einen ersten Knotenpunkt Kl . Der Mittelpunkt der zweiten Serienschaltung bildet einen zweiten Knotenpunkt K2. Den ersten und zweiten Knotenpunkt Kl, K2 verbindend ist eine dritte Schalt ¬ einrichtung S3 angeordnet. Der erste Knotenpunkt Kl bildet einen ersten Submodul-Anschluss AI. Der zweite Knotenpunkt K2 bildet einen zweiten Submodul-Anschluss Bl . Im Betrieb des Submoduls SM wird immer eine der drei Schalt ¬ einrichtungen Sl, S2, S3 angeschaltet, während die beiden an ¬ deren Schalteinrichtungen Sl, S2, S3 abgeschaltet sind. Durch Anschalten der dritten Schalteinrichtung S3 und Abschaltung der ersten und zweiten Schalteinrichtungen Sl, S2 wird das Submodul SM in einen „0"-Zustand geschaltet, bei dem die Kon ¬ densatoren Cl, C2 überbrückt sind und somit vom Submodul SM keine Spannung erzeugt wird. Durch Anschalten der ersten Schalteinrichtung Sl und Abschaltung der zweiten und dritten Schalteinrichtungen S2, S3 wird das Submodul SM in einen „+"- Zustand geschaltet, bei dem der erste Kondensator Cl in den Strompfad geschaltet ist und somit seine Spannung der Zweig ¬ spannung zugefügt wird. Durch Anschalten der zweiten Schalteinrichtung S2 und Abschaltung der ersten und dritten Schalt- einrichtungen Sl, S3 wird das Submodul SM in einen „-"-

Zustand geschaltet, bei dem der zweite Kondensator C2 in den Strompfad geschaltet ist und somit seine Spannung der Zweig ¬ spannung zugefügt wird. Figur 3 zeigt Ausgestaltungen der dritten Schalteinrichtung S3. Wichtig ist dabei, dass die dritte Schalteinrichtung S3 „conduct-on-fail"-Eigenschaften aufweist, also im Falle eines Ausfalls der dritten Schalteinrichtung S3 eine niederohmige Verbindung an ihrer Stelle sichergestellt ist. Ein solcher Ausfall der dritten Schalteinrichtung S3 führt somit immer in den „0"-Zustand für das Submodul SM. Dadurch wird das

Submodul SM im Fehlerfall überbrückt und der modulare Mehr ¬ stufenumrichter 10 kann weiterarbeiten. Diese Eigenschaft haben solche Schalter, die bei einem Überstrom legieren und da- durch eine niederohmige Verbindung sicherstellen.

Eine erste Variante für die dritte Schalteinrichtung S3 ist eine gegensinnige Parallelschaltung von zwei IGBTs 31, 32, wobei die IGBTs 31, 32 in diesem Fall ohne jeweilige zusätz- liehe Dioden verbaut werden. Bei dieser Ausführung ist in jeder Stromrichtung und bei jedem Schaltzustand höchstens ein IGBT im Strompfad. Dadurch werden vorteilhaft die Leitungs ¬ verluste im „0"-Zustand gegenüber einem Vollbrücken-Submodul verringert . In einer zweiten Variante wird die dritte Schalteinrichtung S3 durch eine gegensinnige Serienschaltung von zwei IGBTs 33, 34 gebildet.

Figur 4 zeigt 3 zeigt Ausgestaltungen der erste und der zweiten Schalteinrichtung Sl, S2. Die beiden Schalteinrichtungen Sl, S2 können unabhängig voneinander als je eine der möglichen Ausgestaltungen realisiert sein, müssen also mit anderen Worten nicht gleichartig aufgebaut sein. Die Schalteinrich ¬ tungen Sl, S2 können einen einzelnen Schalter 35, beispielsweise einen IGBT, umfassen. Alternativ können die Schalteinrichtungen Sl, S2 als eine Serie aus zwei Schaltern 35, 36 aufgebaut sein. In einer weiteren Alternative umfassen die Schalteinrichtungen Sl, S2 einen Schalter 35 in Serie zu einer Diode 37.

Die Figuren 5 bis 10 zeigen eine mögliche Betriebsform für das Submodul SM. Es wird dabei von einem symmetrischen Be- trieb ausgegangen, bei dem eine gleich hohe Spannung an beiden Kondensatoren Cl, C2 angestrebt wird und bei dem beide Kondensatoren Cl, C2 verwendet werden. Im Submodul SM in den Figuren 5 bis 10 umfassen die erste und die zweite Schaltein ¬ richtung Sl, S2 jeweils genau einen IGBT 35 und die dritte Schalteinrichtung S3 wird von einer gegensinnigen Parallelschaltung von zwei IGBTs 31, 32 gebildet.

Figur 5 zeigt das Submodul SM in einem Schaltzustand, in dem eine positive Spannung in Höhe der Spannung VC des ersten Kondensators Cl zwischen den Submodul-Anschlüssen AI, Bl anliegt, wobei der Arm-Stromfluss IA in der Richtung vom ersten Modulanschluss AI zum zweiten Modulanschluss Bl verläuft. In diesem Fall sind die zweite und dritte Schalteinrichtung S2, S3 und damit ihre jeweiligen Leistungshalbleiter abgeschal- tet, während die erste Schalteinrichtung Sl eingeschaltet ist. Der Stromfluss IA führt in diesem Fall über die erste Schalteinrichtung Sl und den ersten Kondensator Cl und führt zu einer Ladung des ersten Kondensators Cl .

Figur 6 zeigt das Submodul SM in einem Schaltzustand, in dem eine positive Spannung in Höhe der Spannung VC des ersten Kondensators Cl zwischen den Submodul-Anschlüssen AI, Bl anliegt, wobei der Arm-Stromfluss IA in der Richtung vom zwei- ten Modulanschluss Bl zum ersten Modulanschluss AI verläuft. Auch in diesem Fall sind die zweite und dritte Schalteinrich ¬ tung S2, S3 und damit ihre jeweiligen Leistungshalbleiter abgeschaltet, während die erste Schalteinrichtung Sl einge ¬ schaltet ist. Der Stromfluss IA führt in diesem Fall über die erste Schalteinrichtung Sl und den ersten Kondensator Cl und führt zu einer Entladung des ersten Kondensators Cl .

Figur 7 zeigt das Submodul SM in einem Schaltzustand, in dem eine negative Spannung mit dem Betrag der Spannung VC des zweiten Kondensators C2 zwischen den Submodul-Anschlüssen AI, Bl anliegt, wobei der Arm-Stromfluss IA in der Richtung vom ersten Modulanschluss AI zum zweiten Modulanschluss Bl ver ¬ läuft. In diesem Fall sind die erste und dritte Schaltein ¬ richtung Sl, S3 und damit ihre jeweiligen Leistungshalbleiter abgeschaltet, während die zweite Schalteinrichtung S2 einge ¬ schaltet ist. Der Stromfluss IA führt über die zweite Schalt ¬ einrichtung S2 und den zweiten Kondensator C2 und führt in diesem Fall zu einer Entladung des zweiten Kondensators C2. Figur 8 zeigt das Submodul SM in einem Schaltzustand, in dem eine negative Spannung mit dem Betrag der Spannung VC des zweiten Kondensators C2 zwischen den Submodul-Anschlüssen AI, Bl anliegt, wobei der Arm-Stromfluss IA in der Richtung vom zweiten Modulanschluss Bl zum ersten Modulanschluss AI ver- läuft. Auch in diesem Fall sind die erste und dritte Schalt ¬ einrichtung Sl, S3 und damit ihre jeweiligen Leistungshalb ¬ leiter abgeschaltet, während die zweite Schalteinrichtung S2 eingeschaltet ist. Der Stromfluss IA führt über die eingebau- te Diode der zweiten Schalteinrichtung S2 und den zweiten Kondensator C2 und führt in diesem Fall zu einer Ladung des zweiten Kondensators C2.

Figur 9 zeigt das Submodul SM in einem Schaltzustand, in dem die Energiespeicher, also die Kondensatoren Cl, C2 überbrückt sind, also im Wesentlichen keine Spannung zwischen den

Submodul-Anschlüssen AI, Bl abfällt, wobei der Arm-Stromfluss IA in der Richtung vom ersten Modulanschluss AI zum zweiten Modulanschluss Bl verläuft. In diesem Fall sind die erste und zweite Schalteinrichtung Sl, S2 und damit ihre jeweiligen

Leistungshalbleiter abgeschaltet, während die dritte Schalt ¬ einrichtung S3 eingeschaltet ist. Es ist dabei ausreichend, einen der beiden IGBTs 31, 32 einzuschalten. Der Stromfluss IA führt nur über den eingeschalteten der IGBTs 31, 32 der dritten Schalteinrichtung S3. Daher findet in diesem Schaltzustand keine Ladung oder Entladung der Kondensatoren Cl, C2 statt .

Figur 10 zeigt das Submodul SM in einem Schaltzustand, in dem die Energiespeicher, also die Kondensatoren Cl, C2 überbrückt sind, also im Wesentlichen keine Spannung zwischen den

Submodul-Anschlüssen AI, Bl abfällt, wobei der Arm-Stromfluss IA in der Richtung vom zweiten Modulanschluss Bl zum ersten Modulanschluss AI verläuft. Auch in diesem Fall sind die ers- te und dritte Schalteinrichtung Sl, S3 und damit ihre jewei ¬ ligen Leistungshalbleiter abgeschaltet, während die zweite Schalteinrichtung S2 eingeschaltet ist. Es ist dabei ausrei ¬ chend, im Gegensatz zu Figur 9 den anderen der beiden IGBTs 31, 32 einzuschalten. Der Stromfluss IA führt nur über den eingeschalteten der IGBTs 31, 32 der dritten Schalteinrichtung S3. Daher findet in diesem Schaltzustand keine Ladung oder Entladung der Kondensatoren Cl, C2 statt. Anhand der Figuren 5 bis 8 ist ersichtlich, dass aktives La ¬ den und Entladen, also eine Spannungskontrolle für den ersten und für den zweiten Kondensator Cl, C2 möglich ist, wenn die Stromrichtung in genügend geringen zeitlichen Abständen wechselt. Typischerweise wechselt die Stromrichtung mit jeder Halbwelle der Wechselspannung, die am Wechselspannungsan- schluss W anliegt oder erzeugt wird.

Eine weitere vorteilhafte Betriebsform für ein Submodul SM, das gemäß Fig. 11 aufgebaut ist, besteht darin, dass der zweite Kondensator C2 nur mit einer Spannung von 40 - 60 % der Spannung des ersten Kondensators Cl geladen wird. Weiterhin wird als zweite Schalteinrichtung S2 in diesem Submodul SM eine Serienschaltung zweier IGBTs eingesetzt. Bei diesem Submodul SM werden im normalen Betrieb nur die erste und dritte Schalteinrichtung Sl, S3 verwendet. Dadurch wird das Submodul SM im Wesentlichen wie ein bekanntes Halb- brücken-Submodul verwendet. Im Unterschied zum normalen Halb- brücken-Submodul kann jedoch im Fehlerfall durch die zweite Schalteinrichtung S2 eine Spannung negativer Polarität dargestellt werden. Das Submodul SM bzw. der damit aufgebaute Wandler agieren somit als DC-Breaker. Weiterhin ist durch die conduct-on-fail-Eigenschaft der dritten Schalteinrichtung S3 gewährleistet, dass eine Überbrückung des Submoduls SM im Falle des Ausfalls der dritten Schalteinrichtung S3 vorliegt.

Die zweite Schalteinrichtung S2 wird in diesem Submodul SM nur in Ausnahmefällen (DC-FRT, Sturm) eingesetzt. Sie erlaubt es, die Funktionalität eines Vollbrücken-Submoduls bereitzu- stellen, wenn das nötig ist, ohne aber die erhöhten Verluste eines Vollbrücken-Submoduls zwingend mitzubringen.