DE102012201623A1

DE102012201623A1 - Circuit arrangement for photovoltaic module for electric power generation, has direct current-direct current converter connected between input and output terminals, and including control signal generator for generating signal

Info

Publication number: DE102012201623A1
Application number: DE201210201623
Authority: DE
Inventors: Ralf Keggenhoff
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08
Also published as: CN103248229A; CN103248229B

Abstract

The arrangement has two input terminal (11, 12) for supplying a source current (I1) and a source voltage (V1) from a solar cell (2). Two output terminals (13, 14) provide an output voltage (Vz) and an output current (Iz), respectively. A direct current (DC)-DC converter (6) connected between the input and output terminals includes a control signal generator (8) for generating a signal (S67) by which a switching element (67) is switched on or off, where a potential of one input terminal corresponds to a potential of one output terminal, and the potentials of the output terminals are same.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem Schaltwandler, insbesondere mit einem Schaltwandler für niedrige und hohe Eingansspannungen mit Power Point Tracking Funktion. The invention relates to a circuit arrangement with a switching converter, in particular with a switching converter for low and high Eingansspannungen with power point tracking function.

Mit zunehmendem Interesse an einer nachhaltigen Energieproduktion richtet sich das Interesse zunehmend auf Photovoltaik-Module zur Produktion elektrischer Leistung. Photovoltaik-(PV)-Module umfassen wenigstens eine Photovoltaik-(PV)-Zelle, die auch als Solarzelle bezeichnet wird. Da die Ausgangsspannung einer Zelle vergleichsweise gering ist, umfasst ein PV-Modul üblicherweise einen Strang mit mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen oder sogar mehrere solcher Stränge, die parallel geschaltet sind. With increasing interest in sustainable energy production, interest is increasingly turning to photovoltaic modules for the production of electrical power. Photovoltaic (PV) modules include at least one photovoltaic (PV) cell, also referred to as a solar cell. Since the output voltage of a cell is comparatively low, a PV module usually comprises a string with a plurality of solar cells connected in series, or even several such strings, which are connected in parallel.

Bekanntlich funktioniert eine Solarzelle, und daher ein PV-Modul, wie ein Leistungsgenerator, der eine Ausgangsgleichspannung und einen Ausgangsgleichstrom erzeugt, wenn sie/es Sonnenlicht ausgesetzt ist. Bei einer gegebenen Lichtleistung, die durch das PV-Modul empfangen wird, gibt es einen Bereich von Ausgangsströmen und einen Bereich von zugehörigen Ausgangsspannungen, bei denen das PV-Modul betrieben werden kann. Allerdings gibt es nur einen Ausgangsstrom und eine zugehörige Ausgangsspannung, bei der die elektrische Leistung, die durch das PV-Modul bereitgestellt wird, ihr Maximum hat. Der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung, bei der die Ausgangsleitung ihr Maximum besitzt, definiert den maximalen Leistungspunkt (Maximum Power Point, MPP). Der MPP variiert abhängig von der Lichtleistung, die von dem Modul empfangen wird und abhängig von der Temperatur. As is known, a solar cell, and therefore a PV module, such as a power generator, produces a DC output voltage and a DC output current when exposed to sunlight. For a given light power received by the PV module, there is a range of output currents and a range of associated output voltages at which the PV module can operate. However, there is only one output current and one associated output voltage at which the electrical power provided by the PV module has its maximum. The output current and the output voltage at which the output line has its maximum defines the maximum power point (MPP). The MPP varies depending on the light power received by the module and the temperature.

Maximum Power Point Tracker (MPPT), die auch als "Maximaler-Leistungspunkt-Nachregler" bezeichnet werden können, sind Schaltungen, die den maximalen Leistungspunkt eines PV-Moduls detektieren und die das PV-Modul in ihrem maximalen Leistungspunkt betreiben, und zwar unabhängig von den Spannungs- oder Stromanforderungen einer Last, die durch das PV-Modul versorgt wird. Maximum Power Point Tracker (MPPT), which may also be referred to as the "Maximum Power Point Regulator," are circuits that detect the maximum power point of a PV module and that operate the PV module at its maximum power point regardless of the voltage or current requirements of a load supplied by the PV module.

Zum Bereitstellen höherer Ausgangsspannungen können mehrere PV-Module in Reihe geschaltet werden. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Module hängt dabei im Wesentlichen von der maximalen Eingangsspannung des verwendeten Wechselrichters ab. Da nicht alle Verbraucher als Gleichstromgeräte erhältlich sind, wird häufig ein Wechselrichter eingesetzt, um auch Wechselstromgeräte betreiben zu können. In einem solchen System mit mehreren in Reihe geschalteten PV-Modulen sorgt der MPPT dafür, dass das System in seinem maximalen Leistungspunkt betrieben wird. Ein MPPT umfasst dabei üblicherweise einen Schaltwandler. To provide higher output voltages, multiple PV modules can be connected in series. The number of modules connected in series depends essentially on the maximum input voltage of the inverter used. Since not all consumers are available as DC devices, an inverter is often used to operate AC devices. In such a system with multiple series-connected PV modules, the MPPT ensures that the system operates at its maximum power point. An MPPT usually includes a switching converter.

Aus der DE 101 36 147 A1 ist beispielsweise ein photovoltaischer Wechselstromerzeuger bekannt, welcher eine Vielzahl an Solarmodulen umfasst, deren Gleichspannungsausgänge jeweils mit einem zugeordneten Gleichspannungsumformer (DC-DC-Konverter) verbunden sind. Die DC-DC-Konverter sind dabei vorzugsweise als Aufwärtswandler nach dem Boost-Prinzip ausgebildet. From the DE 101 36 147 A1 For example, a photovoltaic alternator is known, which comprises a plurality of solar modules whose DC voltage outputs are each connected to an associated DC voltage converter (DC-DC converter). The DC-DC converter are preferably designed as boost converter according to the boost principle.

Die Ausgangsspannung eines Aufwärtswandlers ist deutlich größer als dessen Eingangsspannung. Da die Ausgangsspannung jedoch nicht beliebig groß sein kann, kann bei Verwendung eines Aufwärtswandlers auch die Modulspannung keinen beliebig großen Wert annehmen, was die Anzahl der in Reihe geschalteten Module begrenzt. The output voltage of a boost converter is significantly larger than its input voltage. However, since the output voltage can not be arbitrarily large, the module voltage can not take any arbitrary value when using a boost converter, which limits the number of modules connected in series.

Bereits heute liegen die Eingangsspannungen verwendeter DC-DC-Konverter typischerweise bei etwa 800V. Um den Verkabelungsaufwand zu verringern sind jedoch noch höhere Eingangsspannungen vorteilhaft. Zukünftig werden diese bis zu 1000V und mehr betragen. Um diese hohen Eingangsspannungen weiter verarbeiten und in kleine Netzspannungen umwandeln zu können, muss die Eingangsspannung heruntergesetzt werden. Gleichzeitig müssen niedrige Eingangsspannungen weiterhin heraufgesetzt werden, um auch bei niedriger Stringspannung noch Energie aus dem String ins Netz einspeisen zu können. Already today, the input voltages of used DC-DC converters are typically around 800V. In order to reduce the wiring effort, however, even higher input voltages are advantageous. In the future these will be up to 1000V and more. In order to be able to process these high input voltages and convert them into small mains voltages, the input voltage must be lowered. At the same time, low input voltages must be further increased in order to still be able to feed energy from the string into the network even at low string voltage.

Aus diesem Grund kommen bereits heute DC-DC-Konverter zum Einsatz, welche als Tiefsetz-Hochsetzsteller (Buck-Boost-Konverter) ausgebildet sind. Eine Schaltungsanordnung mit einem MPPT, bei der unter anderem ein Buck-Boost-Konverter zum Einsatz kommt, ist beispielsweise aus der DE 10 2011 076 184 A1 bekannt. For this reason, DC-DC converters are already being used today, which are designed as step-down step-up converters (buck-boost converters). A circuit arrangement with a MPPT, in which inter alia, a buck-boost converter is used, for example, from DE 10 2011 076 184 A1 known.

Ein Tiefsetz-Hochsetzsteller benötigt jedoch immer mindestens zwei Leistungsschalter und zwei Dioden. Verglichen mit solchen Lösungen, welche nur mit kleinen Eingangsspannungen arbeiten, sind dies mindestens ein Schalter und eine Diode mehr, da ein Aufwärtswandler bereits mit nur einem Schalter und einer Diode realisiert werden kann. However, a step-down step-up converter always requires at least two circuit breakers and two diodes. Compared with such solutions, which work only with small input voltages, these are at least one switch and one diode, since an up-converter can be realized with only one switch and one diode.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, welche sowohl niedrige als auch hohe Eingangspannungen auf einen für eine nachgeschaltete Last optimalen Wert regelt und dabei mit möglichst wenig Bauteilen realisiert werden kann. The object of the invention is to provide a circuit arrangement which controls both low and high input voltages to an optimum value for a downstream load and can be realized with as few components as possible.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. This object is achieved by a circuit arrangement according to claim 1. Embodiments and developments of the invention are the subject of dependent claims.

Eine hierin beschriebene Schaltungsanordnung weist einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss zum Zuführen eines Quellenstromes und einer Quellenspannung von einer Gleichstromquelle auf, wobei der erste Eingangsanschluss ein erstes Potential mit positivem oder negativem Vorzeichen führt und der zweite Eingangsanschluss ein zweites Potential mit einem dem ersten Potential entgegengesetzten Vorzeichen führt. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstromes auf, wobei der zweite Ausgangsanschluss ein drittes Potential mit positivem oder negativem Vorzeichen führt, wobei das dritte Potential das Bezugspotential einer Last ist. Die Schaltung weist ferner einen Gleichspannungswandler und einen Steuersignal-Generator auf, wobei der Gleichspannungswandler zwischen die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, und wobei der Gleichspannungswandler ein Schaltelement umfasst und wobei der Steuersignal-Generator ein Signal erzeugt, durch welches das Schaltelement ein- oder ausgeschaltet werden kann. Die Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Potential dem dritten Potential entspricht und der erste Ausgangsanschluss ein viertes Potential führt, welches das gleiche Vorzeichen wie das erste und das dritte Potential aufweist. A circuit arrangement described herein comprises first and second input terminals for supplying a source current and a source voltage from a DC source, the first input terminal carrying a first potential of positive or negative sign, and the second input terminal carrying a second potential having a sign opposite to the first potential leads. The circuit arrangement further comprises first and second output terminals for providing an output voltage and an output current, the second output terminal carrying a third potential of positive or negative sign, the third potential being the reference potential of a load. The circuit further comprises a DC-DC converter and a control signal generator, wherein the DC-DC converter is connected between the input terminals and the output terminals, and wherein the DC-DC converter comprises a switching element and wherein the control signal generator generates a signal by which the switching element on or off can be. The circuit arrangement is characterized in that the first potential corresponds to the third potential and the first output terminal carries a fourth potential, which has the same sign as the first and the third potential.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt: The invention will be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, wherein the same or similar elements are provided with the same reference numerals. It shows:

1 schematisch eine Solarzelle; 1 schematically a solar cell;

2 die Kennlinie einer Solarzelle und deren Ausgangsleistung abhängig von der Ausgangsspannung für unterschiedliche solare Bestrahlungsleistungen; 2 the characteristic curve of a solar cell and its output power as a function of the output voltage for different solar irradiation powers;

3 den Ort des maximalen Leistungspunktes (Maximum Power point, MPP) auf der Kennlinie; 3 the location of the maximum power point (MPP) on the characteristic curve;

4 ein Ausführungsbeispiel eines PV-Moduls; 4 an embodiment of a PV module;

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines PV-Moduls; 5 another embodiment of a PV module;

6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines PV-Moduls; 6 another embodiment of a PV module;

7 ein Beispiel eines MPP, bei dem der DC-DC-Konverter ein Hochsetzsteller ist; 7 an example of an MPP in which the DC-DC converter is a boost converter;

8 ein Beispiel eines MPP, bei dem der DC-DC-Konverter ein Tiefsetz-Hochsetzsteller ist; 8th an example of an MPP in which the DC-DC converter is a buck-boost converter;

9 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; 9 an embodiment of the circuit arrangement according to the invention;

10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. 10 a further embodiment of the circuit arrangement according to the invention.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Realisierungsmöglichkeiten veranschaulicht 1 schematisch eine Photovoltaik-(PV)-Zelle, die auch als Solarzelle bezeichnet wird, als ein Beispiel einer Gleichstromquelle. Wenn die PV-Zelle Sonneneinstrahlung P ausgesetzt wird, liefert sie einen Ausgangsstrom, der auch als Photostrom I_pv bezeichnet wird, bei einer Ausgangsspannung oder Photospannung V_pv. Die elektrische Leistung, die durch die PV-Zelle bereitgestellt wird, ist das Produkt aus dem Photostrom I_pv und der Photospannung V_pv. Die elektrische Leistung kann dazu verwendet werden, eine elektrische Last Z (dargestellt in gestrichelten Linien) zu versorgen. For a better understanding of the present invention and its implementation possibilities illustrated 1 schematically a photovoltaic (PV) cell, which is also referred to as a solar cell, as an example of a DC power source. When the PV cell is exposed to solar radiation P, it provides an output current, also referred to as photocurrent I _pv , at an output voltage or photovoltage V _pv . The electrical power provided by the PV cell is the product of the photocurrent I _pv and the photovoltage V _pv . The electrical power can be used to supply an electrical load Z (shown in dashed lines).

2 veranschaulicht schematisch eine Kennlinie einer Solarzelle für unterschiedliche Bestrahlungsleistungen. Die Kennlinie veranschaulicht den Photostrom I_pv abhängig von der Photospannung V_pv. In 2 sind drei unterschiedliche Kennlinien I-V₁, I-V₂, I-V₃ dargestellt. Für eine gegebene Ausgangsspannung nimmt der Photostrom I_pv mit zunehmender Bestrahlungsleistung zu. Wie anhand der in 2 dargestellten Kennlinien ersichtlich ist, ist der Photostrom I_pv annähernd konstant für Spannungen, die geringer sind als ein Schwellenwert, wobei für Spannungen höher als der Schwellenwert der Photostrom I_PV rapide absinkt. 2 schematically illustrates a characteristic of a solar cell for different irradiation powers. The characteristic illustrates the photocurrent I _pv depending on the photovoltage V _pv . In 2 are three different characteristics IV ₁ , IV ₂ , IV ₃ shown. For a given output voltage, the photocurrent I _{pv increases} with increasing irradiance. As based on the in 2 is shown, the photocurrent I _{pv is} approximately constant for voltages that are less than a threshold, for voltages higher than the threshold value of the photocurrent I _PV drops rapidly.

2 veranschaulicht außerdem die Ausgangsleistung P_pv. Diese nimmt mit zunehmender Bestrahlungsleistung zu. In 2 sind Kurven P-V₁, P-V₂, P-V₃, die die Ausgangsleistung veranschaulichen, für drei unterschiedliche Bestrahlungsleistungen dargestellt. Jede dieser Kurven besitzt ein Maximum Pmax₁, Pmax₂, Pmax₃. 2 also illustrates the output power P _pv . This increases with increasing irradiation power. In 2 Curves PV ₁ , PV ₂ , PV ₃ , which illustrate the output power, are shown for three different irradiation powers. Each of these curves has a maximum Pmax ₁ , Pmax ₂ , Pmax ₃ .

Was den Betrieb von Solarzellen, und daher den Betrieb von Photovoltaik-Modulen mit mehreren Solarzellen schwierig macht, ist die Tatsache, dass für unterschiedliche Bestrahlungsleistungen die maximale Ausgangsleistung für unterschiedliche Ausgangsspannungen V_pv und für unterschiedliche Ausgangsströme I_pv erhalten wird. Um dies zu veranschaulichen, zeigt 3 Kennlinien I-V₁ bis I-V₅, die für unterschiedliche Bestrahlungsleistungen erhalten werden, und Punkte auf jeder dieser Kennlinien, bei welchen die maximale Ausgangsleistung erhalten wird. Diese Punkte, die auch als maximale Leistungspunkte (Maximum Power Points, MPP) bezeichnet werden, sind definiert als eindeutiges Paar mit einem Ausgangsstrom und der zugehörigen Ausgangsspannung. In den Kennlinien I-V₁ bis I-V₅ gemäß 3 sind die maximalen Leistungspunkte als MPP₁–MPP₅ bezeichnet. Die Kurve MPP gemäß 3 veranschaulicht die maximalen Leistungspunkte. Es ist ersichtlich, dass der Photostrom I_pv und die Ausgangsspannung V_pv in den maximalen Leistungspunkten mit zunehmender Bestrahlungsleistung zunimmt. Zusammenfassend gibt es für jede Bestrahlungsleistung ein eindeutiges Paar mit einem Ausgangsstrom I_pv und einer Ausgangsspannung V_pv, bei dem die Ausgangsleistung P_pv ihr Maximum besitzt. What makes the operation of solar cells and therefore the operation of photovoltaic modules with multiple solar cells difficult is the fact that for different irradiation powers the maximum output power is obtained for different output voltages V _pv and for different output _currents I _pv . To illustrate this, shows 3 Characteristics IV ₁ to IV ₅ , which are obtained for different irradiation powers, and points on each of these characteristics, in which the maximum output power is obtained. These points, also referred to as Maximum Power Points (MPPs), are defined as a unique pair with an output current and the associated output voltage. In the curves IV ₁ to IV ₅ according to 3 the maximum power points are referred to as MPP ₁ -MPP ₅ . The curve MPP according to 3 illustrates the maximum credit points. It can be seen that the photocurrent I _pv and the output voltage V _pv in the maximum power points increases with increasing irradiation power. In summary, for each irradiation power there is a unique pair with an output current I _pv and an output voltage V _pv at which the output power P _{pv has} its maximum.

Um die durch eine PV-Zelle oder ein PV-Modul bereitgestellte elektrische Leistung zu maximieren, kann ein MPPT (Maximum Power Point Tracker)verwendet werden. Ein MPPT stellt für die PV-Zelle oder das PV-Modul eine Last dar, und zwar derart, dass die PV-Zelle oder das PV-Modul in ihren MPP oder nahe ihres MPP betrieben wird. To maximize the electrical power provided by a PV cell or module, an MPPT (Maximum Power Point Tracker) can be used. An MPPT represents a load to the PV cell or module, such that the PV cell or PV module is operated in or near its MPP.

Das PV-Modul 2 umfasst wenigstens eine Solarzelle und kann insbesondere mehrere Solarzellen umfassen. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines PV-Moduls 2 mit einer Solarzelle 2 ₁, die zwischen Ausgangsanschlüsse des PV-Moduls 2 geschaltet ist. The PV module 2 comprises at least one solar cell and may in particular comprise a plurality of solar cells. 4 illustrates an embodiment of a PV module 2 with a solar cell 2 ₁ , between output terminals of the PV module 2 is switched.

5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem das PV-Modul 2 einen Modul-Strang von n, mit n ≥ 2, Solarzellen 2 ₁, 2 _n aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Ein solcher Modul-Strang oder Zellenstrang (engl.: cell string) erzeugt eine höhere Ausgangsspannung als nur eine Zelle. 5 illustrates an embodiment in which the PV module 2 a module strand of n, with n ≥ 2, solar cells 2 ₁ , 2 _n , which are connected in series. Such a module string or cell string generates a higher output voltage than just one cell.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 6 dargestellt ist, umfasst das PV-Modul 2 eine Anzahl von m, mit m ≥ 2, Modul-Strängen, wobei jeder Modul-Strang n Solarzellen 2 ₁₁, 22 _1n, 2 _m1, 2 _mn aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Modul-Stränge sind parallel geschaltet. According to a further embodiment, the in 6 is shown, includes the PV module 2 a number of m, with m ≥ 2, module strands, each module strand being n solar cells 2 ₁₁ , 22 _1n , 2 _m1 , 2 _mn , which are connected in series. The individual module strings are connected in parallel.

Genau wie die einzelnen Solarzellen, können auch mehrere PV-Module 2 nochmals in Reihe geschaltet werden. Mehrere in Reihe geschaltete PV-Module werden ebenfalls als Strang (engl. string) bezeichnet. Die in den 4 bis 6 gezeigten Anordnungsbeispiele von Solarzellen, können analog auch für die Anordnung von PV-Modulen angewendet werden. Ein Strang aus mehreren in Reihe geschalteten Modulen erzeugt wiederum eine höhere Ausgangsspannung, als nur ein einzelnes Modul. Just like the individual solar cells, you can also use several PV modules 2 to be connected in series again. Several PV modules connected in series are also called strings. The in the 4 to 6 shown arrangement examples of solar cells, can be applied analogously for the arrangement of PV modules. A string of multiple series connected modules in turn generates a higher output voltage than just a single module.

Enthält ein Strang nur so viele PV-Module, dass seine Ausgangsspannung einen bestimmten Wert nicht überschreitet, so kann diese Spannung mittels eines Hochsetzstellers auf den für eine nachgeschaltete Last benötigten Wert heraufgesetzt werden. If a string only contains so many PV modules that its output voltage does not exceed a certain value, this voltage can be increased by means of a boost converter to the value required for a downstream load.

In 7 ist eine derartige Schaltung 6 mit Hochsetzsteller gezeigt. Diese weist Ausgangsanschlüsse 13, 14 zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms Iz auf. Die Schaltung 6 weist zudem Eingangsanschlüsse 11, 12 zum Zuführen eines Quellenstromes I1 und einer Quellenspannung V1 von einer Gleichstromquelle 2 auf. Die Gleichstromquelle 2 ist in dem dargestellten Beispiel ein PV-Modul, welches am ersten Eingangsanschluss 11 ein erstes Potential mit positivem oder negativem Vorzeichen und am zweiten Eingangsanschluss 12 ein zweites Potential, mit einem dem ersten Potential entgegengesetzten Vorzeichen führt. Das zweite Potential entspricht dabei dem Bezugspotential der Gleichstromquelle 2. Eine Induktivität 63, eine Diode 68 und ein Kondensator 66 sind in serieller Anordnung zwischen den ersten Eingangsanschluss 11 und den ersten Ausgangsanschluss 13 gekoppelt. An den Ausgangsanschlüssen 13, 14 wird dabei die am Kondensator 66 abfallende Spannung bereitgestellt. In 7 is such a circuit 6 shown with boost converter. This has output connections 13 . 14 for providing an output current Iz. The circuit 6 also has input connections 11 . 12 for supplying a source current I1 and a source voltage V1 from a DC power source 2 on. The DC source 2 In the example shown, a PV module is located at the first input terminal 11 a first potential with positive or negative sign and at the second input terminal 12 a second potential, with a sign opposite to the first potential sign leads. The second potential corresponds to the reference potential of the DC power source 2 , An inductance 63 , a diode 68 and a capacitor 66 are in serial arrangement between the first input terminal 11 and the first output terminal 13 coupled. At the output terminals 13 . 14 it will be the capacitor 66 declining voltage provided.

Ein Schalter 67 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen Induktivität 63 und Diode 68 einerseits, und einem Bezugspotential andererseits gekoppelt. Das Bezugspotential des Schalters 67 entspricht dabei einem dritten Potential am zweiten Ausgangsanschluss 14, welches das Bezugspotential der Last Z darstellt, welches wiederum dem zweiten Potential (Bezugspotential der Gleichstromquelle) entspricht. A switch 67 is between the connection point between inductance 63 and diode 68 coupled on the one hand, and a reference potential on the other hand. The reference potential of the switch 67 corresponds to a third potential at the second output terminal 14 , which represents the reference potential of the load Z, which in turn corresponds to the second potential (reference potential of the DC power source).

Das Schaltelement 67 wird pulsweitenmoduliert ein- und ausgeschaltet. Wenn das Schaltelement 67 eingeschaltet ist, wird die Induktivität magnetisiert und speichert dadurch Energie. Wenn das Schaltelement 67 ausgeschaltet wird, wird die Induktivität entmagnetisiert und gibt dadurch Energie an den Kondensator 66 und/oder die Last Z über die Diode 68 ab. The switching element 67 is switched on and off with pulse width modulation. When the switching element 67 is turned on, the inductance is magnetized and thereby stores energy. When the switching element 67 is turned off, the inductance is demagnetized and thereby gives energy to the capacitor 66 and / or the load Z via the diode 68 from.

Das Schaltelement 67 ist beispielsweise ein Transistor, wie z.B. ein MOSFET (wie dargestellt). Das Schaltelement wird durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal S67, das durch eine Ansteuerschaltung 60 erzeugt wird, angesteuert. Der Ansteuerschaltung 60 wird eine Duty-Cycle-Information DC beispielsweise von einem MPP-Detektor (nicht dargestellt) zugeführt, und die Ansteuerschaltung 60 erzeugt das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal S67 abhängig von der Duty-Cycle-Information. Der MPP-Detektor berechnet beispielsweise eine momentane Quellenspannung V1, und berechnet daraus die momentane Ausgangsleistung des PV-Moduls 2 und stellt daraufhin den Duty-Cycle des Hochsetzstellers so ein, dass dessen Ausgangsleistung maximiert wird. Der MPP-Detektor kann dazu ausgebildet sein, regelmäßig zu überprüfen, ob der momentane Arbeitspunkt des PV-Moduls immer noch der MPP ist, oder ob der MPP sich möglicherweise geändert hat. The switching element 67 is, for example, a transistor, such as a MOSFET (as shown). The switching element is controlled by a pulse width modulated drive signal S67, by a drive circuit 60 is generated, driven. The drive circuit 60 For example, a duty cycle information DC is supplied from an MPP detector (not shown), and the drive circuit 60 generates the pulse width modulated drive signal S67 depending on the duty cycle information. The MPP detector, for example, calculates an instantaneous source voltage V1, and uses this to calculate the instantaneous output power of the PV module 2 and then adjusts the duty cycle of the boost converter so that its output power is maximized. The MPP detector may be configured to periodically check if the current operating point of the PV module is still the MPP or if the MPP may have changed.

Die Ausgangsspannung V1 eines PV-Moduls, bzw. eines Strangs aus mehreren PV-Modulen kann jedoch so hoch werden, dass sie zunächst heruntergesetzt werden muss, bevor sie einer Last Z, wie zum Beispiel einem DC-AC-Wandler zur Verfügung gestellt werden kann. Ein solcher Strang kann jedoch unter bestimmten Voraussetzungen auch niedrigere Ausgangsspannungen V1 liefern, welche zunächst hochgesetzt werden müssen. Aus diesem Grund ist die Verwendung von DC-DC-Konvertern, welche als Tiefsetz-Hochsetzsteller ausgebildet sind verbreitet. However, the output voltage V1 of a PV module or a string of several PV modules can become so high that it must first be lowered before it can be made available to a load Z, such as a DC-AC converter , Under certain conditions, however, such a string can also deliver lower output voltages V1, which must first be set high. For this reason, the use of DC-DC converters which are designed as step-down step-up converter is widespread.

8 zeigt eine solche Schaltungsanordnung mit Tiefsetz-Hochsetzsteller. Die Topologie dieses Wandlers entspricht der Topologie des Aufwärtswandlers, die zuvor anhand von 7 erläutert wurde, wobei zusätzlich ein zweites Schaltelement 62 zwischen die Induktivität 63 und den ersten Eingangsanschluss 11 geschaltet ist, und wobei ein Freilaufelement 64 zwischen das zweite Schaltelement 62 und den zweiten Ausgangsanschluss 14 geschaltet ist. Dieser Wandler kann entweder im Tiefsetz-Betrieb oder im Hochsetz-Betrieb betrieben werden. 8th shows such a circuit arrangement with buck-boost converter. The topology of this converter corresponds to the topology of the up-converter, previously determined by 7 has been explained, wherein additionally a second switching element 62 between the inductance 63 and the first input terminal 11 is switched, and wherein a freewheeling element 64 between the second switching element 62 and the second output terminal 14 is switched. This converter can be operated either in buck-boost mode or in boost mode.

Im Tiefsetz-Betrieb ist das zweite Schaltelement 67 dauerhaft ausgeschaltet (offen) und das erste Schaltelement 62 wird pulsweitenmoduliert ein- und ausgeschaltet. Wenn das Schaltelement 62 geöffnet ist, fließt Strom aus dem PV-Modul 2 in den Eingangskondensator 61 und lädt diesen dadurch auf. Wenn das Schaltelement 62 geschlossen wird, fließen der Quellenstrom I1 und ein Strom aus dem Eingangskondensator 61 durch das Schaltelement 62 und die Induktivität 63, die in Reihe zu dem Schaltelement 62 geschaltet ist, an die Ausgangsanschlüsse 13, 14. Wenn das Schaltelement 62 wieder geöffnet wird, ermöglicht ein Freilaufelement 64 einen Stromfluss durch die Induktivität 63, die während der vorherigen Ein-Phase des Schaltelements 62 magnetisiert wurde. Das Freilaufelement 64 kann beispielsweise als Diode (wie dargestellt) implementiert werden. In step-down mode, the second switching element 67 permanently off (open) and the first switching element 62 is switched on and off with pulse width modulation. When the switching element 62 open, current flows out of the PV module 2 in the input capacitor 61 and charges this up. When the switching element 62 is closed, the source current I1 and a current flow from the input capacitor 61 through the switching element 62 and the inductance 63 in series with the switching element 62 is connected to the output terminals 13 . 14 , When the switching element 62 is opened again, allows a freewheeling element 64 a current flow through the inductance 63 during the previous on-phase of the switching element 62 was magnetized. The freewheeling element 64 For example, it can be implemented as a diode (as shown).

Im Hochsetz-Betrieb ist das erste Schaltelement 62 dauerhaft eingeschaltet (geschlossen) und das zweite Schaltelement 67 wird pulsweitenmoduliert ein- und ausgeschaltet. Der Wandler funktioniert in diesem Fall wie der anhand von 7 erläuterte Hochsetzsteller. In boost mode, the first switching element 62 permanently switched on (closed) and the second switching element 67 is switched on and off with pulse width modulation. The converter works in this case as the basis of 7 explained boost converter.

Die Schaltelemente 62 und 67 werden wiederum durch pulsweitenmodulierte Ansteuersignale S62, S67 angesteuert, welche durch eine Ansteuerschaltung 60 erzeugt werden. Der Ansteuerschaltung wird ebenfalls, wie oben beschrieben, eine Duty-Cycle-Information DC beispielsweise von einem MPP-Detektor (nicht dargestellt) zugeführt, und die Ansteuerschaltung 60 erzeugt das jeweils pulsweitenmodulierte Ansteuersignal S62 bzw. S67 abhängig von dieser Duty-Cycle-Information. The switching elements 62 and 67 are in turn driven by pulse width modulated drive signals S62, S67, which by a drive circuit 60 be generated. As described above, the drive circuit is also supplied with duty cycle information DC from, for example, an MPP detector (not shown), and the drive circuit 60 generates the respective pulse width modulated drive signal S62 or S67 depending on this duty cycle information.

Da es wünschenswert ist, möglichst wenige Komponenten für eine solche Schaltungsanordnung 6 zu verwenden, die Schaltungsanordnung 6 jedoch weiterhin in der Lage sein soll, sowohl niedrige als auch hohe Ausgangsspannungen V1 des PV-Moduls auf einen für eine nachgeschaltete Last Z optimalen Wert zu regeln, ist erfindungsgemäß eine Schaltungsanordnung 6 vorgesehen, die genau wie ein Hochsetzsteller mit lediglich einem Schaltelement und einer Diode auskommt, jedoch zusätzlich zu niedrigen auch hohe Ausgangsspannungen V1 auf einen für die nachgeschaltete Last optimalen Wert regeln kann. Since it is desirable to have as few components as possible for such a circuit arrangement 6 to use the circuitry 6 However, to continue to be able to regulate both low and high output voltages V1 of the PV module to an optimum value for a downstream load Z, according to the invention is a circuit arrangement 6 provided, which just like a boost converter with only one switching element and a diode manages, but in addition to low and high output voltages V1 can regulate to an optimum value for the downstream load.

In 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 6 gezeigt. Prinzipiell entspricht die Schaltungsanordnung 6 dem in 7 gezeigten Prinzip des Hochsetzstellers. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Eingangsanschluss 11 und einen zweiten Eingangsanschluss 12 auf, wobei der erste Eingangsanschluss 11 ein erstes Potential führt, das ein Potential der Gleichstromquelle 2 mit positivem oder negativem Vorzeichen darstellt, und wobei der zweite Eingangsanschluss 12 ein zweites Potential führt, das ein dem ersten Potential entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Die Gleichstromquelle 2 kann beispielsweise ein Strang aus einem oder einer Vielzahl von PV-Modulen sein. Die Schaltung weist weiterhin einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss 13, 14 auf, wobei der zweite Ausgangsanschluss 14 ein drittes Potential führt, das das Bezugspotential der Last Z darstellt. Der erste Ausgangsanschluss 13 führt ein viertes Potential. In 9 is an embodiment of a circuit arrangement according to the invention 6 shown. In principle, the circuit arrangement corresponds 6 the in 7 shown principle of the boost converter. The circuit arrangement has a first input terminal 11 and a second input terminal 12 on, with the first input terminal 11 leads a first potential, which is a potential of the DC power source 2 represents positive or negative sign, and wherein the second input terminal 12 leads to a second potential having a sign opposite to the first potential sign. The DC source 2 For example, it may be a strand of one or a plurality of PV modules. The circuit also has a first and a second output terminal 13 . 14 on, wherein the second output terminal 14 a third potential that represents the reference potential of the load Z leads. The first output terminal 13 leads a fourth potential.

Eine Induktivität 63 und eine Diode 64 sind in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss 11 und den ersten Ausgangsanschluss 13 geschaltet. Ein Schaltelement 67 ist zwischen einen Verbindungspunkt zwischen Induktivität 63 und Diode 64 einerseits und das zweite Potential (Eingangsanschluss 12) andererseits geschaltet. Ein Kondensator 66 ist zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss (13, 14) geschaltet. Im Unterschied zum oben beschriebenen Hochsetzsteller ist der zweite Ausgangsanschluss 14 jedoch mit dem ersten Eingangsanschluss 11 gekoppelt. Somit entspricht das Bezugspotential der Last Z, also das dritte Potential dem ersten Potential. Das vierte Potential weist das gleiche Vorzeichen auf wie das erste und zweite Potential. An inductance 63 and a diode 64 are in series between the first input port 11 and the first output terminal 13 connected. A switching element 67 is between a connection point between inductance 63 and diode 64 on the one hand and the second potential (input terminal 12 ) on the other hand switched. A capacitor 66 is between the first and second output terminals ( 13 . 14 ). In contrast to the boost converter described above, the second output terminal 14 however, with the first input terminal 11 coupled. Thus, the reference potential of the load Z, that is, the third potential corresponds to the first potential. The fourth potential has the same sign as the first and second potentials.

Wenn das Schaltelement 67 geschlossen ist, fließt ein Strom über die Induktivität 63 gegen das zweite Potential. Wird der Schalter geöffnet, wird die in der Induktivität 63 gespeicherte Energie über die Diode 64 auf den Kondensator 66 geladen. Da das Bezugspotential der Ausgangsspannung Vz bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung jedoch dem ersten Potential entspricht, kann die Boosterspannung (von to boost, verstärken) auf das Potential des PV-Moduls sozusagen aufgesattelt werden. Dadurch ergibt sich an den Ausgangsanschlüssen immer ein für die nachgeschaltete Last optimaler Wert. When the switching element 67 is closed, a current flows through the inductor 63 against the second potential. When the switch is opened, the inductance in the 63 stored energy via the diode 64 on the capacitor 66 loaded. However, since the reference potential of the output voltage Vz in the circuit arrangement according to the invention corresponds to the first potential, can the booster voltage (from to boost, amplify) can be saddled up to the potential of the PV module, so to speak. This always produces an optimum value for the downstream load at the output terminals.

Das Schaltelement 67 wird entsprechend gesteuert, so dass die Ausgangsleistung der Schaltungsanordnung maximiert wird. Hierfür kann ein Steuersignal-Generator 8 vorgesehen werden. Dieser kann ein Ansteuersignal S67 erzeugen, durch welches das Schaltelement 67 gesteuert wird. Dem Steuersignal-Generator 8 kann wie oben beschrieben beispielsweise eine Duty-Cycle-Information DC von einem MPP-Detektor (in 9 nicht dargestellt) zugeführt werden. The switching element 67 is controlled accordingly, so that the output power of the circuit is maximized. For this purpose, a control signal generator 8th be provided. This can generate a drive signal S67, by which the switching element 67 is controlled. The control signal generator 8th For example, as described above, duty cycle information DC from an MPP detector (in FIG 9 not shown) are supplied.

Der Steuersignal-Generator 8 kann auch Teil eines MPP-Detektors sein. Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit MPP-Tracking-Funktion ist in 10 gezeigt. Die Schaltungsanordnung weist dabei zusätzlich einen ersten und einen zweiten Widerstand R1, R2 auf, wobei der erste Widerstand R1 zwischen einen ersten Ausgang A1 des Steuersignal-Generators 8 und den zweiten Eingangsanschluss 12 geschaltet ist. Der zweite Widerstand R2 ist zwischen einen zweiten Ausgang A2 des Steuersignal-Generators 8 und den zweiten Eingangsanschluss 12 geschaltet. Über dem ersten Widerstand R1 liegt eine Spannung VR1, und über dem zweiten Widerstand R2 eine Spannung VR2 an. The control signal generator 8th can also be part of an MPP detector. An example of a circuit arrangement according to the invention with MPP tracking function is shown in FIG 10 shown. The circuit arrangement additionally has a first and a second resistor R1, R2, the first resistor R1 being connected between a first output A1 of the control signal generator 8th and the second input terminal 12 is switched. The second resistor R2 is connected between a second output A2 of the control signal generator 8th and the second input terminal 12 connected. A voltage VR1 is applied across the first resistor R1, and a voltage VR2 is applied across the second resistor R2.

Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen dritten und einen vierten Widerstand R3, R4 auf, wobei der dritte Widerstand R3 zwischen den ersten Ausgang A1 des Steuersignal-Generators 8 und den ersten Ausgangsanschluss 13 geschaltet ist. Der vierte Widerstand R4 ist zwischen den zweiten Ausgang A2 des Steuersignal-Generators 8 und den zweiten Ausgangsanschluss 14 geschaltet. The circuit arrangement furthermore has a third and a fourth resistor R3, R4, wherein the third resistor R3 is connected between the first output A1 of the control signal generator 8th and the first output terminal 13 is switched. The fourth resistor R4 is between the second output A2 of the control signal generator 8th and the second output terminal 14 connected.

Der Steuersignal-Generator 8 kann beispielsweise durch Subtraktion der Spannung VR2 von der Spannung VR1 die Ausgangsspannung Vz ermitteln. In Abhängigkeit eines Sollwertes 7 kann der Steuersignal-Generator 8 dann ein pulsweitenmoduliertes Signal S67 ausgeben, welches das Schaltelement 67 steuert. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung Vz derart eingestellt werden, dass sich eine maximale Ausgangsleistung ergibt. The control signal generator 8th For example, by subtracting the voltage VR2 from the voltage VR1, the output voltage Vz can be determined. Depending on a setpoint 7 can be the control signal generator 8th then output a pulse width modulated signal S67, which is the switching element 67 controls. In this way, the output voltage Vz can be set to give a maximum output.

Der Sollwert 7 kann dabei auf verschiedene Art und Weise generiert werden. Beispielsweise könnte der Strom I67 über dem Schaltelement 67, sowie die Spannung VR2 gemessen werden. Eine weitere Möglichkeit wäre, die Ausgangsspannung Vz und den Ausgangsstrom Iz zu messen. Neben den genannten Beispielen sind jedoch auch noch weitere Möglichkeiten denkbar, um einen Sollwert 7 und ein Steuersignal für das Schaltelement 67 zu generieren. The setpoint 7 can be generated in different ways. For example, the current could be I67 above the switching element 67 , as well as the voltage VR2 are measured. Another possibility would be to measure the output voltage Vz and the output current Iz. In addition to the examples mentioned, however, other possibilities are conceivable to set a desired value 7 and a control signal for the switching element 67 to generate.

Der Steuersignal-Generator 8 kann beispielsweise ein Mikrocontroller, ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder ein DSP (Digitaler Signalprozessor) sein. Ein FPGA ist ein Integrierter Schaltkreis (IC) der Digitaltechnik, in dem eine logische Schaltung programmiert werden kann. Ein digitaler Signalprozessor dient in der Regel der kontinuierlichen Bearbeitung von digitalen Signalen durch digitale Signalverarbeitung. Die Last Z kann, wie weiter oben bereits beschrieben, ein Wechselrichter sein, welcher die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. The control signal generator 8th may be, for example, a microcontroller, a FPGA (Field Programmable Gate Array) or a DSP (Digital Signal Processor). An FPGA is a digital integrated circuit (IC) in which a logic circuit can be programmed. A digital signal processor usually serves the continuous processing of digital signals by digital signal processing. As already described above, the load Z can be an inverter, which converts the DC voltage into an AC voltage.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10136147 A1 [0006]
DE 102011076184 A1 [0009]

Claims

Circuit arrangement comprising: a first and a second input terminal ( 11 . 12 ) for supplying a source current (I1) and a source voltage (V1) from a DC source ( 2 ), wherein the first input terminal ( 11 ) leads a first potential with a positive or negative sign and the second input terminal ( 12 ) leads a second potential with a sign opposite to the first potential; a first and a second output terminal ( 13 . 14 ) for providing an output voltage (Vz) and an output current (Iz), the second output terminal ( 14 ) carries a third potential of positive or negative sign, the third potential being the reference potential of a load (Z); a DC-DC converter ( 6 ) connected between the input terminals ( 11 . 12 ) and the output terminals ( 13 . 14 ), wherein the DC-DC converter ( 6 ) a switching element ( 67 ); and a control signal generator ( 8th ) which generates a signal (S67) through which the switching element ( 67 ) can be switched on or off; characterized in that the first potential corresponds to the third potential; and the first output terminal ( 13 ) carries a fourth potential having the same sign as the first and third potentials.

Circuit arrangement according to Claim 1, in which the DC-DC converter ( 6 ) further comprises: an inductance ( 63 ) and a diode ( 64 ) arranged in series between the first input terminal ( 11 ) and the first output terminal ( 13 ) are switched; and a capacitor ( 66 ) connected between the first and second output terminals ( 13 . 14 ) is switched.

Circuit arrangement according to Claim 2, in which the switching element ( 67 ) between a connection point between inductance ( 63 ) and diode ( 64 ) On the one hand and the third potential on the other hand is connected.

Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 3, in which the control signal generator ( 8th ) is a microcontroller, a field programmable gate array or a digital signal processor.

Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, further comprising: a first and a second resistor (R1, R2), wherein the first resistor (R1) between a first output (A1) of the control signal generator ( 8th ) and the third potential and the second resistor (R2) between a second output (A2) of the control signal generator ( 8th ) and the third potential is switched; and third and fourth resistors (R3, R4), the third resistor (R3) being connected between the first output (A1) of the control signal generator (R3). 8th ) and the first output terminal ( 13 ) and the fourth resistor (R4) between the second output (A2) of the control signal generator ( 8th ) and the second output terminal ( 14 ) is switched.

Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 5, in which the control signal generator ( 8th ) the signal (S67) in dependence on a setpoint ( 7 ) generated.

Circuit arrangement according to Claim 6, in which the nominal value ( 7 ) is generated by a current (I67) via the switching element ( 67 ) and a voltage (VR2) across the resistor (R2) is measured.

Circuit arrangement according to Claim 6, in which the nominal value ( 7 ) is generated by measuring the output voltage (Vz) and the output current (Iz).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, in which the control signal generator ( 8th ) the switching element 67 such that the output voltage Vz is controlled such that a resulting output power at the output terminals ( 13 . 14 ) is maximum.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, which is connected to the input terminals ( 11 . 12 ) connected DC power source ( 2 ).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, in which the direct current source ( 2 ) has a PV string with at least one PV module.