Anordnung mit einem Modul eines Multilevelstromrichters

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Modul eines modularen Multilevelstromrichters, welches einen ersten

Modulanschluss, einen zweiten Modulanschluss, ein erstes elektronisches Schaltelement, ein zweites elektronisches Schaltelement und einen elektrischen Energiespeicher

aufweist .

Modulare Multilevelstromrichter weisen eine Vielzahl von derartigen Modulen auf, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wenn eines der Module der Reihenschaltung während des Betriebs des Multilevelstromrichters ausfällt, dann kann ein mechanischer Überbrückungsschalter zum elektrischen

Überbrücken des Moduls vorgesehen sein. Dadurch wird

sichergestellt, dass der Multilevelstromrichter bei Ausfall von einem oder von mehreren Modulen _W eiterarbeiten kann. Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2011/107363 Al ist ein derartiger mechanischer Überbrückungsschalter bekannt.

Mittels eines solchen mechanischen Überbrückungsschalters kann der durch das Modul fließende Strom sicher übernommen werden und somit das Modul im Fehlerfall überbrückt werden. Allerdings benötigt der mechanische Überbrückungsschalter aufgrund der Massenträgheit seiner mechanischen Bauteile eine gewisse Zeitdauer, um im Fehlerfall einen elektrisch

leitfähigen Zustand einzunehmen und den Strom sicher zu übernehmen. Diese Zeitdauer kann durchaus im

Millisekundenbereich liegen. Während dieser Zeitdauer fließt im Fehlerfall der Strom weiterhin in das Modul und lädt den elektrischen Energiespeicher weiter auf. Diese weitere

Aufladung des Energiespeichers ist unerwünscht, weil dabei zum einen der Energiespeicher beschädigt werden kann. Zum anderen kann dann bei einer nachfolgenden Entladung des Energiespeichers (beispielsweise beim Schließen des

mechanischen Überbrückungsschalters) die vergrößerte

gespeicherte Energiemenge explosionsartig in Wärme umgesetzt werden. Außerdem können aufgrund der dann stattfindenden plötzlichen Stromrichtungsumkehr in den Bauelementen des Moduls weitere Zerstörungen/Beschädigungen des Moduls

auftreten .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen im Fehlerfall die weitere Aufladung des elektrischen Energiespeichers verringert werden kann .

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Offenbart wird eine Anordnung mit einem Modul eines modularen Multilevelstromrichters , welches einen ersten Modulanschluss, einen zweiten Modulanschluss, ein erstes elektronisches

Schaltelement, ein zweites elektronisches Schaltelement und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, einem

mechanischen Überbrückungsschalter, der zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss angeordnet ist und der in seinem eingeschalteten (geschlossenen) Zustand das Modul elektrisch überbrückt, und einer elektronischen

Schalteinheit, die zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss angeordnet ist und die in ihrem eingeschalteten Zustand das Modul elektrisch überbrückt.

Dabei ist vorteilhafterweise die elektronische Schalteinheit vorgesehen, welche im Fehlerfall das Modul überbrücken kann. Da bei Auftreten eines Fehlers die elektronische

Schalteinheit (aufgrund des Fehlens von trägheitsbehafteten mechanischen Bauteilen) wesentlich früher schließen kann (das heißt, einen elektrisch leitfähigen Zustand einnehmen kann) als der mechanische Überbrückungsschalter, kann im Fehlerfall der durch das Modul fließende Strom frühzeitig von der elektronischen Schalteinheit übernommen werden. Dadurch wird eine weitere unerwünschte Aufladung beziehungsweise

Überladung des elektrischen Energiespeichers verringert oder sogar vermieden. Sobald der mechanische Überbrückungsschalter geschlossen ist (das heißt, seinen elektrisch leitfähigen Zustand eingenommen hat) , kommutiert der Strom von der elektronischen Schalteinheit in den mechanischen

Überbrückungsschalter. Dies erfolgt, weil der eingeschaltete mechanische Überbrückungsschalter eine geringere

Übergangsspannung aufweist als die Schalteinheit. Daraufhin wird der Strom dauerhaft von dem mechanischen

Überbrückungsschalter getragen, so dass das Modul zuverlässig überbrückt ist. Dabei treten in dem mechanischen

Überbrückungsschalter geringere Verluste auf, als sie in der elektronischen Schalteinheit auftreten würden, wenn der Strom dauerhaft durch die elektronische Schalteinheit fließen würde. Die elektronische Schalteinheit übernimmt also

temporär den durch das Modul fließenden Strom, bis der mechanische Überbrückungsschalter seinen elektrisch

leitfähigen Zustand erreicht hat.

Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass die

elektronische Schalteinheit parallel zu dem mechanischen Überbrückungsschalter geschaltet ist. Dadurch kann die

Kommutierung des elektrischen Stroms von der elektronischen Schalteinheit in den mechanischen Überbrückungsschalter besonders einfach erfolgen.

Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass das erste elektronische Schaltelement und das zweite elektronische Schaltelement in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind. In diesem Fall kann das Modul insbesondere als ein

sogenanntes Halbbrücken-Modul ausgestaltet sein.

Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass das Modul ein drittes elektronisches Schaltelement und ein viertes elektronisches Schaltelement aufweist, wobei das erste elektronische Schaltelement, das zweite elektronische

Schaltelement, das dritte elektronische Schaltelement und das vierte elektronische Schaltelement in einer

Vollbrückenschaltung angeordnet sind. In diesem Fall kann das Modul als ein sogenanntes Vollbrücken-Modul ausgestaltet sein .

Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass bei einem

Einschalten der elektronischen Schalteinheit auch der

mechanische Überbrückungsschalter einschaltet. Beispielsweise können die elektronische Schalteinheit und der mechanische Überbrückungsschalter mit demselben Einschaltsignal (oder mit gleichzeitig erzeugten Einschaltsignalen) beaufschlagt werden, so dass bei der elektronischen Schalteinheit und dem mechanischen Überbrückungsschalter gleichzeitig der

Einschaltvorgang angestoßen bzw. eingeleitet wird.

Die elektronische Schalteinheit kann auch so ausgestaltet sein, dass die elektronische Schalteinheit bei deren

Einschaltvorgang früher einen leitfähigen Zustand einnimmt als der mechanische Überbrückungsschalter. Mit anderen Worten ist vorteilhafterweise die Schalteinheit so ausgestaltet, dass die Schalteinheit eine geringere Einschaltverzögerung aufweist als der mechanische Überbrückungsschalter. Dies ist bei vielen elektronischen Schalteinheiten der Fall, aufgrund des Fehlens von trägheitsbehafteten mechanischen Teilen.

Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass die elektronische Schalteinheit ein einschaltbares

Leistungshalbleiterbauelement aufweist, insbesondere einen IGBT. Es kann auch ein ein- und ausschaltbares

Leistungshalbleiterbauelement verwendet werden.

Vorteilhafterweise kann dann das ein- und ausschaltbare

Leistungshalbleiterbauelement auch wieder elektrisch

ausgeschaltet werden, sobald der mechanische

Überbrückungsschalter den Strom übernommen hat. Die

Verwendung eines IGBTs als elektronische Schalteinheit (oder die Verwendung von mehreren elektrisch in Reihe geschalteten IGBTs bei höheren Anforderungen an die Sperrspannung) ist deshalb besonders vorteilhaft, weil ein IGBT bei seinem

Einschalten eine sanfte Stromübernahme (langsamer

Stromanstieg) ermöglicht. Im Vergleich dazu tritt bei einem mechanischen Überbrückungsschalter ein sehr schneller

Stromanstieg auf, sobald die mechanischen Kontaktteile sich so weit aneinander angenähert haben, dass ein elektrischer Strom zu fließen beginnt. Dieser schnelle Stromanstieg beim mechanischen Überbrückungsschalter kann aufgrund einer dann stattfindenden schnellen Stromrichtungsumkehr in Bauelementen des Moduls zu weiteren Beschädigungen führen. Aus diesem Grund ist das frühere Einschalten der elektronischen

Schalteinheit mit ihrer sanften Einschaltcharakteristik vorteilhaft und hilft, weitere Schäden an dem Modul zu vermeiden .

Die Anordnung kann weiterhin aufweisen eine

Spannungsmesseinrichtung zum Messen der Spannung des

elektrischen Energiespeichers, und eine Ansteuerschaltung, die die elektronische Schalteinheit und den mechanischen Überbrückungsschalter eingeschaltet, wenn die Spannung des elektrischen Energiespeichers einen vorbestimmten

Schwellenwert überschreitet. Hierbei wird vorteilhafterweise das Vorliegen eines Fehlers in dem Modul dann erkannt, wenn die Spannung des elektrischen Energiespeichers einen

vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Daraufhin schaltet die Ansteuerschaltung die elektronische Schalteinheit und den mechanischen Überbrückungsschalter ein (das heißt, die

Ansteuerschaltung sendet beispielsweise entsprechende

Einschaltsignale sowohl an die elektronische Schalteinheit als auch an den mechanischen Überbrückungsschalter) .

Offenbart wird weiterhin ein modularer Multilevelstromrichter mit einer Mehrzahl von Anordnungen der vorstehend

beschriebenen Varianten.

Der modulare Multilevelstromrichter kann so ausgestaltet sein, dass die Anordnungen elektrisch in Reihe geschaltet sind .

Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Überbrücken eines Moduls eines modularen Multilevelstromrichters , wobei - das Modul des modularen Multilevelstromrichters einen ersten Modulanschluss, einen zweiten Modulanschluss, ein erstes elektronisches Schaltelement, ein zweites

elektronisches Schaltelement und einen elektrischen

Energiespeicher aufweist,

- zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten

Modulanschluss ein mechanischer Überbrückungsschalter

angeordnet ist, der in seinem eingeschalteten (geschlossenen) Zustand das Modul elektrisch überbrückt, und

- zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten

Modulanschluss eine elektronische Schalteinheit angeordnet ist, die in ihrem eingeschalteten Zustand das Modul

elektrisch überbrückt, wobei bei dem Verfahren

- bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul die elektronische Schalteinheit und der mechanische Überbrückungsschalter eingeschaltet werden,

- von der elektronischen Schalteinheit früher ein leitfähiger Zustand eingenommen wird als von dem mechanischen

Überbrückungsschalter, und

- dadurch der über das Modul fließende Strom zuerst in die elektronische Schalteinheit und danach in den mechanischen Überbrückungsschalter geleitet (kommutiert) wird.

Dieses Verfahren kann so ablaufen, dass daraufhin der Strom (dauerhaft) von dem mechanischen Überbrückungsschalter getragen wird.

Das Verfahren kann so ablaufen, dass

- die Spannung des Energiespeichers gemessen wird, und

- das Auftreten des Fehlers in dem Modul erkannt wird, wenn die Spannung des Energiespeichers einen vorbestimmten

Schwellenwert überschreitet. Die elektronische Schalteinheit und der mechanische Überbrückungsschalter werden also

eingeschaltet, wenn die Spannung des Energiespeichers den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebenen Anordnungen weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleichwirkende Elemente.

Dazu ist in

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines modularen

Multilevelstromrichters , in

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls in Form eines

Halbbrücken-Moduls , in

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls in Form eines

Vollbrücken-Moduls , in

Figur 4 das Halbbrücken-Modul mit der elektronischen

Schalteinheit, in

Figur 5 das Vollbrücken-Modul mit der elektronische

Schalteinheit, in

Figur 6 beispielhaft das Halbbrücken-Modul mit der

elektronischen Schalteinheit und einer

Ansteuerschaltung, in

Figur 7 ein weiteres Beispiel für ein Vollbrücken-Modul mit einer elektronische Schalteinheit und in

Figur 8 ein weiteres Beispiel für ein Vollbrücken-Modul mit einer elektronischen Schalteinheit dargestellt .

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1

dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten

Wechselspannungsanschluss 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

Gleichspannungsanschluss 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 Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer 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 Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 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 .

Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine

Steuereinrichtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von dieser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische

Kommunikationsverbindung 37 (zum Beispiel über einen

Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen übertragen. Die Nachrichtenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und einem Modul ist jeweils symbolhaft durch eine Linie 37 dargestellt; die Richtung der Nachrichtenübertragung ist durch die Pfeilspitzen an den Linien 37 symbolisiert. Dies ist am Beispiel der Module 1_1, 1_4 und 4_5 dargestellt; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Nachrichten gesendet beziehungsweise von diesen Modulen

Nachrichten empfangen. Beispielsweise sendet die

Steuereinrichtung 35 an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert für den Schaltzustand der elektronischen

Schaltelemente . In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einem Modul 200 des modularen Multilevelstromrichters 1 und einem mechanischem Überbrückungsschalter 220 (mechanischem Bypass-Schalter 220) dargestellt. Bei dem Modul kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln.

Das Modul 200 ist als ein Halbbrücken-Modul 200 ausgestaltet. Das Modul 200 weist ein erstes (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 202 (erstes abschaltbares Halbleiterventil 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf. Weiterhin weist das Modul 200 ein zweites (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 206 (zweites abschaltbares

Halbleiterventil 206) mit einer zweiten antiparallel

geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen

Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite

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

Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster galvanischer

Modulanschluss 212 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten elektronischen Schaltelements 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 elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss des

Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem

Anschluss des ersten elektronischen Schaltelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.

Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel

geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten

elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten

elektronischen Schaltelement 206. Durch entsprechende

Ansteuerung des ersten elektronischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206 durch eine Steuereinrichtung des Stromrichters 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.

Parallel zu dem Modul 200 ist ein mechanischer

Überbrückungsschalter 220 geschaltet. Der mechanische

Überbrückungsschalter 220 ist also zwischen den ersten

Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215

geschaltet. Wenn der mechanische Überbrückungsschalter 220 in den geschlossenen Zustand / eingeschalteten Zustand übergeht, dann überbrückt der mechanische Überbrückungsschalter 220 das Modul 200; das Modul ist dann mittels des mechanischen

Überbrückungsschalters 220 kurzgeschlossen. Der Betriebsstrom des Stromrichters fließt dann beispielsweise vom ersten

Modulanschluss 212 über den mechanischen

Überbrückungsschalter 220 zum zweiten Modulanschluss 215 (und nicht über die übrigen Bauelemente des Moduls 200,

insbesondere nicht über die Schaltelemente 202, 206 und die Dioden 204, 208) .

Bei Auftreten eines modulinternen Fehlers kann der

mechanische Überbrückungsschalter 220 geschlossen werden. Dieser Schließvorgang dauert (aufgrund der mechanischen

Trägheit des mechanischen Schalters 220) relativ lange; er kann beispielsweise im Millisekundenbereich liegen. Während dieser Zeit wird zum einen der elektrische Energiespeicher 210 des Moduls weiter aufgeladen bzw. überladen, zum anderen kann es beim Schließen des mechanischen Überbrückungsschalter 220 zu einem Abbrand an den Kontaktstücken des mechanischen Schalters 220 kommen, wodurch der elektrische Kontakt

verschlechtert werden kann. Diese Effekte müssen beim Design des Moduls berücksichtigt werden. Beispielsweise könnte der elektrische Energiespeicher 210 so ausgelegt werden, dass dieser auch eine Überladung während beispielsweise einer weiteren Zeitdauer von einer Millisekunde unbeschadet

übersteht. Auch ist es möglich, die Kontaktstücke des mechanischen Überbrückungsschalters 220 sehr robust

auszugestalten, so dass ein auftretender Lichtbogen diese Kontaktspitzen nicht nennenswert beschädigt. Derartige

Designmaßnahmen sind jedoch relativ teuer und führen zu größeren und schwereren Modulen.

Ein weiteres Problem kann dadurch entstehen, dass der

mechanische Überbrückungsschalter 220 zwar spät schließt, dafür aber mit einer relativ großen

Stromanstiegsgeschwindigkeit. Wenn bei dem mechanischen

Überbrückungsschalter 220 sich die mechanischen Kontaktteile soweit aneinander angenähert haben, dass ein elektrischer Strom zu fließen beginnt, dann tritt nämlich ein sehr

schneller Stromanstieg auf. Dadurch können Bauelemente des Moduls beschädigt werden.

Wenn es dadurch zu einer schlagartigen Entladung des

elektrischen Energiespeichers 210 kommt, dann kann ein

Entladestrom von beispielsweise 500 kA auftreten, welcher weitere Schäden anrichtet.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Anordnung mit einem Modul 300 des modularen

Multilevelstromrichters 1 und einem mechanischen

Überbrückungsschalter 320 dargestellt. Bei dem Modul 300 kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln. Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 300 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches

Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur

Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt (Verbindungspunkt) einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten

elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten

elektronischen Schaltelement 306.

Das Modul 300 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 300. Dieses Vollbrücken-Modul 300 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier

elektronischen Schaltelemente 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 300 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Multilevelstromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 200, nur Vollbrücken- Module 300 oder auch Halbbrücken-Module 200 und Vollbrücken- Module 300 aufweisen.

Parallel zu dem Modul 300 ist ein mechanischer

Überbrückungsschalter 320 geschaltet. Der mechanische

Überbrückungsschalter 320 ist also zwischen den ersten

Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 315

geschaltet. Wenn der mechanische Überbrückungsschalter 320 in seinen eingeschalteten Zustand / elektrisch leitfähigen

Zustand übergeht, dann überbrückt der mechanische

Überbrückungsschalter 320 das Modul 300; der mechanische Überbrückungsschalter 320 schließt das Modul 300 kurz. Der Betriebsstrom des Stromrichters fließt dann beispielsweise vom ersten Modulanschluss 212 über den mechanischen

Überbrückungsschalter 320 zum zweiten Modulanschluss 315 (und nicht über die übrigen Bauelemente des Moduls 300,

insbesondere nicht über die Schaltelemente 202, 206, 302, 306 und/oder die Dioden 204, 208, 304, 308) . Der mechanische Überbrückungsschalter 320 kann wie der mechanische

Überbrückungsschalter 220 aufgebaut sein. Bei der Anordnung gemäß Figur 3 können gleichartige Probleme auftreten, wie sie oben im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben sind.

In Figur 4 ist eine weitere Anordnung mit dem Modul 200 und dem mechanischen Überbrückungsschalter 220 dargestellt. Diese Anordnung unterscheidet sich von der Anordnung der Figur 2 dadurch, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 zusätzlich eine elektronische Schalteinheit 410 angeordnet ist. Die elektronische

Schalteinheit 410 ist im Ausführungsbeispiel als ein weiteres elektronisches Schaltelement 410 ausgestaltet. Insbesondere ist im Ausführungsbeispiel diese elektronische Schalteinheit 410 als ein IGBT 410 ausgestaltet. In anderen

Ausführungsbeispielen kann die elektronische Schalteinheit aber auch anders ausgestaltet sein, insbesondere als ein Thyristor oder ein IGCT (integrated gate-commutated

thyristor) .

In seinem eingeschalteten Zustand schließt die elektronische Schalteinheit 410 den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215 kurz. Die elektronische

Schalteinheit 410 ist also eine Kurzschließeinrichtung 410. Die elektronische Schalteinheit 410 überbrückt also in ihrem eingeschalteten Zustand das Modul 200. Die elektronische Schalteinheit 410 ist dabei parallel zu dem mechanischen Überbrückungsschalter 220 geschaltet.

In Figur 5 ist eine weitere beispielhafte Anordnung mit dem Modul 300 und dem mechanischen Überbrückungsschalter 320 dargestellt. Diese Anordnung unterscheidet sich von der

Anordnung nach Figur 3 dadurch, dass zusätzlich zu dem mechanischen Überbrückungsschalter 320 eine elektronische Schalteinheit 510 vorhanden ist, welches den ersten

Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 315

miteinander verbindet. Diese elektronische Schalteinheit 510 ist gleichartig zu der elektronischen Schalteinheit 410 der Figur 4 ausgestaltet. Insbesondere handelt es sich beim

Ausführungsbeispiel der Figur 5 um eine elektronische

Schalteinheit in Form eines IGBTs 510. Bei dem

Vollbrückenmodul 300 wird vorteilhafterweise eine

elektronische Schalteinheit verwendet, die in beiden

Richtungen Sperrspannungen aufnehmen und/oder ggf. Ströme führen kann. In Figur 5 ist lediglich symbolhaft das

Schaltsymbol eines IGBTs dargestellt. Vorteilhafterweise kann die elektronische Schalteinheit 510 aber optional eine

Reihenschaltung von zwei elektronischen Schaltelementen entgegengesetzter Durchlassrichtung aufweisen, insbesondere eine Reihenschaltung von zwei IGBTs entgegengesetzter

Durchlassrichtung. Beispielsweise können die Emitter der beiden IGBTs oder die Kollektoren der beiden IGBTs verbunden sein. Die beiden IGBTs können dabei jeweils mit einer

antiparallelen Freilaufdiode versehen sein. Ein Beispiel einer derartigen elektronischen Schalteinheit ist jeweils in Figur 7 und Figur 8 dargestellt.

In Figur 6 ist eine weitere beispielhafte Anordnung mit dem Modul 200, dem mechanischen Überbrückungsschalter 220 und der elektronischen Schalteinheit 410 dargestellt. Diese Anordnung unterscheidet sich von der Anordnung gemäß Figur 4 durch eine Spannungsmesseinrichtung 610 und eine Ansteuerschaltung 615 für den mechanischen Überbrückungsschalter 220 und für das weitere elektronische Schaltelement 410. Die

Spannungsmesseinrichtung 610 ist dem elektrischen

Energiespeicher 210 zugeordnet und misst die Spannung des elektrischen Energiespeichers 210. Die

Spannungsmesseinrichtung 610 sendet Spannungsmesswerte 620 über eine erste Signalleitung 625 zu der Ansteuerschaltung 615. Die Ansteuerschaltung 615 empfängt die

Spannungsmesswerte 620 und wertet die Spannungsmesswerte 620 aus. Dabei vergleicht die Ansteuerschaltung 615 die

Spannungsmesswerte 620 mit einem vorbestimmten

(beispielsweise in der Ansteuerschaltung 615 abgespeicherten) Schwellenwert (Spannungs-Schwellenwert) . Der Schwellenwert kann beispielsweise 150% der im Regelbetrieb maximal

auftretenden Energiespeicherspannung betragen.

Wenn die Spannungsmesswerte 620 größer sind als der

vorbestimmte Schwellenwert, dann sendet die Ansteuerschaltung 615 ein erstes Ansteuersignal 630 über eine zweite

Signalleitung 635 zu der elektronischen Schalteinheit 410. Weiterhin sendet die Ansteuerschaltung 615 ein zweites

Ansteuersignal 640 über eine dritte Signalleitung 645 zu dem mechanischen Überbrückungsschalter 220. Das erste

Ansteuersignal 630 kann dabei auch identisch mit dem zweiten Ansteuersignal 640 sein; das heißt, an die elektronische Schalteinheit 410 und an den mechanischen

Überbrückungsschalter 220 kann dasselbe Ansteuersignal gesendet werden. Das erste Ansteuersignal 630 startet den Einschaltvorgang der elektronischen Schalteinheit 410. Im Ausführungsbeispiel ist die elektronische Schalteinheit 410 als ein IGBT ausgestaltet, das erste Ansteuersignal 630 kann in diesem Beispiel als Gate-Signal direkt auf die

elektronische Schalteinheit 410 einwirken und dadurch die elektronische Schalteinheit 410 einschalten. Das zweite

Ansteuersignal 640 startet den Einschaltvorgang des

mechanischen Überbrückungsschalters 220. Wenn der mechanische Überbrückungsschalter 220 beispielsweise als ein

pyrotechnisch angetriebener mechanischer

Überbrückungsschalter 220 ausgestaltet ist, veranlasst das zweite Ansteuersignal 640 eine Zündung eines pyrotechnischen Treibsatzes in dem Überbrückungsschalter 220, was zu einem Schließen der mechanischen Schaltkontakte des

Überbrückungsschalters 220 führt. Als mechanischer

Überbrückungsschalter 220 kann aber auch ein Schalter mit einem anderen Antrieb verwendet werden, beispielsweise mit einem Federspeicherantrieb.

Beim Ausführungsbeispiel der Figur 6 wird die elektronische Schalteinheit 410 früher leitend als der mechanische

Überbrückungsschalter 220. Dadurch kommutiert der Strom von dem ersten Modulanschluss 212 zunächst in die elektronische Schalteinheit 410 und fließt dann zu dem zweiten Modulanschluss 215. Wenn zu einem späteren Zeitpunkt der mechanische Überbrückungsschalter 220 seinen elektrisch leitfähigen Zustand einnimmt, dann kommutiert der Strom von der elektronischen Schalteinheit 410 in den mechanischen Überbrückungsschalter 220.

Anhand Figur 6 soll noch einmal ein beispielhafter

Verfahrensablauf zum Überbrücken des Moduls 200 beschrieben werden. Dabei wird angenommen, dass während des Betriebs des modularen Multilevelstromrichters plötzlich an dem zweiten elektronische Schaltelement 206 des Moduls 200 ein Defekt auftritt: das zweite elektronische Schaltelement 206 kann nicht mehr eingeschaltet werden. Dadurch fließt der Strom von dem ersten Modulanschluss 212 dauerhaft über die erste antiparallel geschaltete Diode 204 und den elektrischen

Energiespeicher 210 zu dem zweiten Modulanschluss 215.

Dadurch wird der elektrische Energiespeicher 210 immer weiter aufgeladen; es kommt zu einer Überladung des Energiespeichers 210. Dadurch steigt die Spannung des Energiespeichers 210 immer weiter an.

Mittels der Spannungsmesseinrichtung 610 wird die Spannung des Energiespeichers 210 gemessen und entsprechende

Spannungsmesswerte 620 werden in der Ansteuerschaltung 615 ausgewertet. Sobald die Spannung des Energiespeichers 210 den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, sendet die

Ansteuerschaltung das erste Ansteuersignal 630 an die

elektronische Schalteinheit 410 und das zweite Ansteuersignal 640 an den mechanischen Überbrückungsschalter 220. Beim mechanischen Überbrückungsschalter 220 wird der

pyrotechnische Treibsatz gezündet und die mechanischen

Kontakte bewegen sich (aufgrund der Massenträgheit zunächst relativ langsam) aufeinander zu. Viel früher als der

mechanische Überbrückungsschalter 220 erreicht die

elektronische Schalteinheit 410 ihren leitfähigen Zustand. Daher wird der zuvor durch den elektrischen Energiespeicher 210 fließende Strom von dem ersten Modulanschluss 212 über die elektronische Schalteinheit 410 zu dem zweiten Modulanschluss 215 geleitet. Das Modul 200 wird also

elektrisch überbrückt. Dabei weist die elektronische

Schalteinheit 410 eine sanfte Einschaltcharakteristik auf, das heißt, der durch die elektronische Schalteinheit 410 fließende Strom erhöht sich nicht schlagartig, sondern langsam (gedämpft) . Mit anderen Worten schaltet die

elektronische Schalteinheit 410 zwar viel früher ein als der mechanische Überbrückungsschalter 220, aber dafür mit einer sanften Einschaltcharakteristik. Diese sanfte

Einschaltcharakteristik führt dazu, dass der bisher über die erste antiparallel geschaltete Diode 204 fließende

Kondensatorstrom sanft verringert (sanft abkommutiert) wird, bis er schließlich vollständig durch die elektronische

Schalteinheit 410 fließt. Dadurch werden die Bauelemente des Moduls vor einer Beschädigung geschützt.

Nach einiger Zeit erreicht auch der mechanische

Überbrückungsschalter 220 seinen elektrisch leitfähigen

Zustand. Da der mechanische Überbrückungsschalter 220 in diesem geschlossenen Zustand eine geringere Übergangsspannung aufweist als die elektronische Schalteinheit 410 in deren geschlossenem Zustand, kommutiert der Strom von der

elektronische Schalteinheit 410 in den mechanischen

Überbrückungsschalter 220 und fließt danach dauerhaft über den mechanischen Überbrückungsschalter 220. Dadurch treten im mechanischen Überbrückungsschalter 220 geringere Verluste auf, als sie in der elektronische Schalteinheit 410 auftreten würden, falls der Strom weiterhin dauerhaft über die

elektronische Schalteinheit 410 fließen würde. Damit ist ein stabiler Zustand erreicht: der Strom wird an dem Modul 200 vorbeigeleitet, das Modul 200 wird also sicher überbrückt.

Der modulare Multilevelstromrichter kann mit den

verbleibenden (intakten) Modulen der Reihenschaltung weiter betrieben werden.

In Figur 7 ist ein weiteres Beispiel für eine elektronische Schalteinheit 710 bei einem Vollbrücken-Modul 300 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist die

elektronische Schalteinheit 710 neben dem elektronischen Schaltelement 510 ein weiteres elektronisches Schaltelement 720 auf. Dabei sind das elektronische Schaltelement 510 und das elektronische Schaltelement 720 in einer Reihenschaltung geschaltet, wobei die beiden elektronischen Schaltelemente 510, 720 (in der Reihenschaltung) eine entgegengesetzte

Durchlassrichtung aufweisen. Die beiden elektronischen

Schaltelemente 510, 720 sind jeweils als ein IGBT

ausgestaltet. Die elektronische Schalteinheit 710 weist also eine Reihenschaltung von zwei IGBTs entgegengesetzter

Durchlassrichtung auf. Die Emitter der beiden IGBTs 510, 720 sind elektrisch miteinander verbunden. Die beiden

elektronischen Schalteinheiten (hier: die beiden IGBTs) sind dabei jeweils mit einer antiparallelen Freilaufdiode 730, 750 versehen .

In Figur 8 ist ein weiteres Beispiel für eine elektronische Schalteinheit 810 bei einem Vollbrücken-Modul 300

dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 lediglich dadurch, dass die Kollektoren der beiden IGBTs 510, 720 miteinander verbunden sind.

Es wurde eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, bei denen ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters bei Auftreten eines modulinternen Fehlers sicher überbrückt werden kann. Diese Überbrückung wird zum einen

vorteilhafterweise sehr früh nach Erkennen des Fehlers wirksam, zum anderen erfolgt das Überbrücken des Moduls bezüglich des durch das Modul fließenden Stroms sehr sanft, wodurch eine Beschädigung von Leistungshalbleiterbauelementen des Moduls vermieden wird.

Bei der beschriebenen Anordnung und dem beschriebenen

Verfahren wird mittels der elektronischen Schalteinheit der Strom zunächst parallel zu dem mechanischen

Überbrückungsschalter geführt, so dass sich am Überbrückungsschalter kein Lichtbogen ausbildet. Die

elektronische Schalteinheit kann vorteilhafterweise mittels eines IGBTs oder mittels einer Serienschaltung von IGBTs realisiert sein. Die elektronische Schalteinheit kann

beispielsweise in einem zerstörungsfesten Gehäuse angeordnet sein, zum Beispiel in einem mit Sand oder einem ähnlichen Stoff gefüllten Gehäuse. Denkbar ist die Verwendung eines mit Sand gefüllten Sicherungsgehäuses oder ähnliches.

Die elektronische Schalteinheit und der mechanische

Überbrückungsschalter werden gleichzeitig mit dem das

Schließen auslösenden Ansteuersignal beaufschlagt. Die elektronische Schalteinheit übernimmt den (Last-) Strom jedoch technologiebedingt deutlich früher (beispielsweise innerhalb weniger Mikrosekunden) als der mechanische

Überbrückungsschalter, der beispielsweise mehrere

Millisekunden benötigen kann. Durch die IGBT-typische, langsamere beziehungsweise sanftere Abkommutierung des Stroms durch die elektronische Schalteinheit werden die Bauelemente des Moduls geschont. Es ist daher deutlich

unwahrscheinlicher, dass eine schlagartige vollständige

Entladung des elektrischen Energiespeichers 210 (Kondensator 210) über einen Lichtbogen auftritt. Durch die frühere

Abkommutierung mittels der elektronischen Schalteinheit wird der Energiespeicher 210 weniger überladen, und der

vorbestimmte Schwellenwert (welcher in der Ansteuerschaltung mit den Spannungsmesswerten 620 verglichen wird) kann höher angesetzt werden als wenn nur ein mechanischer

Überbrückungsschalter 220 vorhanden wäre. Da der mechanische Überbrückungsschalter 220 erst dann seinen leitfähigen

Zustand erreicht, wenn der Strom bereits durch die

elektronische Schalteinheit 410 fließt, tritt an dem

mechanischen Überbrückungsschalter 220 beim Schließvorgang nur noch eine geringe Spannung auf. Dadurch wird der Abbrand an den mechanischen Kontaktstücken (beispielsweise

Kontaktspitzen) des mechanischen Überbrückungsschalters deutlich reduziert. Der Einsatz der elektronischen Schalteinheit (mit beispielsweise diskreten IGBT-Bauelementen) ermöglicht eine erheblich bessere spannungsmäßige Ausnutzbarkeit des Moduls. Insbesondere braucht der Kondensator 210 nicht stark

überdimensioniert zu werden, weil auch im Fehlerfall der Kondensator 210 nur relativ kurzzeitig überladen wird.

Desweiteren wird der Abbrand an den mechanischen

Kontaktstücken des mechanischen Überbrückungsschalters fast vollständig vermieden, was den Kontaktübergang des

mechanischen Überbrückungsschalters verbessert und somit die Zuverlässigkeit des mechanischen Überbrückungsschalters im geschlossenen (eingeschalteten, ausgelösten) Zustand

verbessert. Dadurch lassen sich sogar längere Intervalle zwischen zwei Wartungen des modularen Multilevelstromrichters realisieren.