AT512780A4 - Schaltnetzteil sowie Wechselrichter und Strangüberwachung mit einem solchen Schaltnetzteil - Google Patents

Schaltnetzteil sowie Wechselrichter und Strangüberwachung mit einem solchen Schaltnetzteil Download PDF

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AT512780A4 ATA50231/2012A AT502312012A AT512780A4 AT 512780 A4 AT512780 A4 AT 512780A4 AT 502312012 A AT502312012 A AT 502312012A AT 512780 A4 AT512780 A4 AT 512780A4
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil (14) zur Versorgung der Komponenten einer Photovoltaikanlage (1) mit einer konstanten Ausgangsgleichspannung (UJ , mit Anschlüssen (15) zur Verbindung mit den Photovoltaikmodulen (2) der Photovoltaikanlage (1) zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung (Ue) , mit einem Gleichspannungswandler (16) enthaltend zumindest einen Schalter (17), einem Transformator (18), einer Regeleinrichtung (22) zur Ansteuerung des zumindest einen Schalters (17) mit einer Schaltfrequenz(fs) zur Erzielung der gewünschten Ausgangsgleichspannung (Ua), einem Ausgangsgleichrichter (23) und mit Anschlüssen (24) zur Bereitstellung der Ausgangsgleichspannung (Ua) , sowie einen Wechselrichter (4) und eine Strangüberwachung (3) einer Photovoltaikanlage (1). Zur Schaffung einer möglichst verlustarmen Ausgangsgleichspannung (Ua) bei einem sehr weiten Bereich der Eingangsgleichspannungannung (Ue) zwischen 200V und 1500V ist der Gleichspannungswandler (16) durch eine Kombination aus Sperr undDurchflusswandler mit zwei in Serie angeordneten Schaltern (17, 17') gebildet, wobei die Schalter (17, 17') mit der Regeleinrichtung (22) verbunden sind, und die Regeleinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass die Regelung der Ausgangsspannung (Ua) derart erfolgt, dass die Schalter (17, 17') in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung (20) des Transformators (18) geschaltet sind.

Description

arirnted:l4-06-2012 .1
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Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil zur Versorgung der Komponenten einer Photovoltaikanlage mit einer konstanten Ausgangsgleichspannung, mit Anschlüssen zur Verbindung mit den Pho-tovoltaikmodulen der Photovoltaikanlage zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannungannung im Bereich zwischen 200V und 1500V, mit einem Gleichspannungswandler enthaltend zumindest einen Schalter, einem Transformator mit einem Spulenkörper, einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung des zumindest einen Schalters des Gleichspannungswandlers mit einer Schaltfrequenz zur Erzielung der gewünschten Ausgangsgleichspannung, einem Ausgangsgleichrichter und mit Anschlüssen zur Bereitstellung der Ausgangsgleichspannung.
Weiters betrifft die Erfindung einen Wechselrichter und eine Strangüberwachung für eine Photovoltaikanlage mit Photovoltaik-modulen, mit einer Spannungsversorgung.
Photovoltaikanlagen dienen dazu, elektrische Energie aus Licht, insbesondere Sonnenlicht, zu erzeugen und in Versorgungsnetze einzuspeisen bzw. zum Betrieb von elektrischen Verbrauchern zu nutzen. Zur Erzeugung von Gleichspannung aus Lichtenergie werden Photovoltaikmodule eingesetzt. Die erzeugte Gleichspannung wird mithilfe von Wechselrichtern in WechselSpannung umgewandelt. In letzter Zeit geht der Trend zur Verwendung einer höheren Anzahl an Photovoltaikmodulen mit entsprechend höheren Eingangsgleichspannungen vom unteren Niederspannungsbereich von beispielsweise 200V bis in den Mittelspannungsbereich von beispielsweise 1500V. Für das Management einer großen Anzahl an seriell und parallel zusammengeschalteten Photovoltaikmodulen werden sogenannte Strangüberwachungen (String Controller) eingesetzt. In Zukunft ist eine Fortsetzung des Trends zu noch mehr Photovoltaikmodulen bzw. noch höheren Eingangsgleichspannungen zu erwarten.
Zur Versorgung der elektrischen Komponenten der Photovoltaikanlage, insbesondere dem Wechselrichter und der allfälligen Strangüberwachung, falls diese nicht im Wechselrichter integriert ist, dienen üblicherweise Schaltungen zur Spannungsversorgung, welche aus der Gleichspannung der Photovoltaikmodule die erforderliche Gleichspannung zum Betrieb der elektrischen 2
Komponenten der Photovoltaikanlage erzeugen. Für den Einsatz bei bisherigen Photovoltaikanlagen mit begrenzten Eingangsspannungsbereichen konnten herkömmliche Spannungsversorgungen mit relativ gutem Wirkungsgrad und relativ geringen Verlusten eingesetzt werden. Durch den höheren Bereich der Eingangsgleichspannung von beispielsweise 200V bis 1500V ist es mit herkömmlichen Technologien jedoch nicht mehr möglich Spannungsversorgungsschaltungen bereitzustellen, welche bei allen möglichen Eingangsspannungen geringe Verluste und einen relativ guten Wirkungsgrad aufweisen, da bei einem so hohen Eingangsspannungsbereich die Energieeffizienz mit Schaltverlusten nicht zufriedenstellend ist und ein hoher Aufwand zur Kühlung der Schalter entsteht.
Bekannte Spannungversorgungen für Komponenten netzgekoppelter Wechselrichter arbeiten mit Sperrwandlertopologien, welche den Nachteil aufweisen, dass bei höheren Spannungen immer höhere Schaltverluste entstehen und die Energieeffizienz somit sinkt. Bei Spannungen nahe der Mittelspannung oder darüber ist keine energieeffiziente Versorgung mehr möglich, und die in den Schaltern entstehenden Verluste können nur mit erhöhtem Kühlaufwand reduziert werden, wodurch jedoch wieder die Gesamtkosten steigen und der gesamte Wirkungsgrad sinkt.
Andere Lösungen teilen den großen Eingangsgleichspannungsbereich in zwei oder mehrere Bereiche auf und verwenden entsprechend viele serielle Spannungsversorgungen bzw. Schaltnetzteile mit entsprechend vielen Transformatorwicklungen. Dies erhöht jedoch den Schaltungsaufwand und somit die Kosten.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines oben genannten Schaltnetzteils und eines oben genannten Wechselrichters bzw. einer oben genannten Strandüberwachung für eine Photovoltaikanlage, durch welche auch bei einem relativ hohen Eingangsgleichspannungsbereich von 200V bis 1500V eine effiziente und verlustarme Versorgung der Komponenten der Photovoltaikanlage mit elektrischer Energie erzielt werden kann. Nachteile des Standes der Technik sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein oben genann-
ϋ;
3 tes Schaltnetzteil, wobei der Gleichspannungswandler durch eine Kombination aus Sperr- und Durchflusswandler mit zwei in Serie angeordneten Schaltern gebildet ist, wobei die Schalter mit der Regeleinrichtung verbunden sind, und die Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Regelung der Ausgangsspannung derart erfolgt, dass die Schalter in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung des Transformators geschaltet sind. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler des Schaltnetzteils wird durch eine Kombination aus Sperr- und Durchflusswandler in Halbbrückenanordnung gebildet. Beim gegenständlichen Schaltnetzteil werden die Schalter so gestaltet, dass möglichst geringe Verluste auftreten, was zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines mit diesem Schaltnetzteil ausgestatteten Wechselrichters führt. Zusätzlich ist die Regeleinrichtung des gegenständlichen Schaltnetzteils mit der Primärseite des Transformators des Schaltnetzteils verbunden, sodass die Regelung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms und nicht in Abhängigkeit der stark schwankenden Eingangsspannung erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil zeichnet sich durch geringe Verluste und somit eine geringere Baugröße aus. Aufgrund der geringen Verluste in den Schaltern des Schaltnetzteils ist die Montage von Kühlkörpern zur Kühlung der Komponenten des Schaltnetzteils bzw. Wechselrichters nicht erforderlich. Insbesondere kann die Baugröße des Transformators des Schaltnetzteils gegenüber bisher verwendeten Transformatoren deutlich reduziert werden.
Vorteilhafterweise sind die Schalter mit der Primärwicklung des Transformators verbunden.
Zur isolierten Ansteuerung des mit der positiven Eingangsgleichspannung verbundenen Schalters, dem sogenannten Highside-Schal-ters, enthält die Regeleinrichtung des Schaltnetzteils vorzugsweise einen Optokoppler zur Ansteuerung dieses Highside-Schalters. Somit wird die Ansteuerung des Highside-Schalters des Schaltnetzteils über optoelektronische Bauelemente vorgenommen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Optokoppler durch eine Bootstrap-Schaltung versorgt. Durch die Verwendung einer solchen Bootstrap-Schaltung zur Ansteuerung der Schalter
4 des Schaltnetzteils kann der Highside-Schalter länger als 50% eingeschaltet sein.
Die Regeleinrichtung kann zur Regelung der Schaltfrequenz der Schalter in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung des Transformators ausgebildet sein. In diesem Fall der Regelung wird also die Schaltfrequenz der Schalter mit konstantem primärseitigem Strom verändert, um eine konstante Ausgangsspannung des Schaltnetzteils zu erzielen. Diese Regelung ist unter der Bezeichnung Pulse Frequency Mode bekannt.
Gemäß einer Variante des Schaltnetzteils ist die Regeleinrichtung zur Regelung der Einschaltzeit eines Schalters in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung des Transformators bei konstanter Frequenz ausgebildet. Bei dieser Variante wird also die Pulsweite, während der ein Schalter durchgeschaltet ist, geregelt.
Um den hohen Anforderungen an die Isolierung und den Aufbau des Transformators des Schaltnetzteils gerecht zu werden und eine möglichst geringe Baugröße des Transformators zu erzielen, sind verschiedene Maßnahmen vorteilhaft. Zum einen ist es zur Reduktion der parasitären Kapazitäten des Transformators von Vorteil, wenn die Anschlüsse der Primärwicklung und die Anschlüsse der Sekundärwicklung des Transformators auf einer Seite angeordnet sind.
Weiters ist es von Vorteil, wenn der Abstand zwischen den Anschlüssen der Primärwicklung und der Abstand der Anschlüsse der Sekundärwicklung des Transformators möglichst groß gewählt ist, da dadurch die höchstmöglichen Potenziale den größten Abstand zueinander haben.
Wenn über den Anschlüssen der Primärwicklung des Transformators ein Isolationsschlauch angeordnet ist, werden ausreichende Luft-und Kriechstrecken an der Primärseite des Transformators geschaffen, was sich wiederum positiv auf die Baugröße des Transformators auswirkt. Als Isolationsschlauch eignet sich insbesondere ein Silikonschlauch.
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Wenn die Sekundärwicklung des Transformators durch eine doppelt gegengleiche bandierte Litze, eine v'ollisolierte Litze oder einen vollisolierten Draht gebildet ist, kann eine weitere Verbesserung der Isolation und eine Vergrößerung der Luft- und Kriechstrecken geschaffen werden.
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, dass zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Transformators eine Isolation, insbesondere eine Polyesterfolie, angeordnet wird.
Weiters ist es von Vorteil, wenn direkt auf den Spulenkörper des Transformators eine Isolation, insbesondere eine Polyesterfolie, angeordnet wird.
Durch ein Vergießen des Transformators mit entsprechend geeignetem Material können weitere Verbesserungen der Isolation und Vergrößerungen der Luft- und Kriechstrecken erzielt werden.
Vorteilhafterweise beträgt die Schaltfrequenz 18kHz bis 500kHz, vorzugsweise 54kHz. Bei der Verwendung derartig hoher Schaltfrequenzen kann die Baugröße des Transformators gering gehalten werden.
Die Schalter des Schaltnetzteils sind vorzugsweise durch Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, gebildet. Insbesondere eignen sich niederohmige Hochspannungstransistoren, wie beispielsweise Silizium Carbid MOS-FET oder J-FET besonders.
Wenn parallel zu den Schaltern des Schaltnetzteils Dioden und Kondensatoren entsprechender Dimensionierung angeordnet sind, kann ein verlustarmes Schalten der Schalter (Zero Voltage Switching) erzielt werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben genannten Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage und eine oben genannte Strangüberwachung für eine Photovoltaikanlage, bei der die Spannungsversorgung durch ein Schaltnetzteil gemäß der obigen Beschreibung ausgebildet ist. Durch die Schaffung eines besonders verlustarmen Schaltnetzteils, welches in der Lage ist, printed; 14-06^0.12
I
6 auch bei einem sehr großen Eingangsspannungsbereich von beispielsweise 200V bis 1500V eine konstante AusgangsSpannung für die Komponenten der Photovoltaikanlage zu liefern, kann dieses auch in den Wechselrichter oder die Strangüberwachung integriert werden. Die Verluste in den Transistoren sind aufgrund dieser Betriebsart des Schaltnetzteils so gering, dass keine Kühlkörper montiert werden müssen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Photovoltaikanla-ge;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Wechselrichters einer Photovoltaikanlage;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils zur Versorgung der Komponenten einer Photovoltaikanlage;
Fig. 4 eine Ausführungsform eines Schaltnetzteils zur Versorgung der Komponenten einer Photovoltaikanlage;
Fig. 5 ein schematischer zeitlicher Verlauf des primärseitigen Stroms durch den Transformator des Schaltnetzteils gemäß Fig. 4;
Fig. 6 eine Ausführungsform des Treibers für den Highside-Schal-ter des Schaltnetzteils gemäß Fig. 4;
Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines Treibers für den High-side-Schalter des Schaltnetzteils gemäß Fig. 4;
Fig. 8 eine 'weitere Aus führungs form eines Treibers für den High-side-Schalter des Schaltnetzteils gemäß Fig. 4;
Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Transformator eines Schaltnetzteils zur Versorgung der Komponenten einer Photovoltaikanlage; und
Fig. 10 ein Schnittbild durch den Transformator eines Schaltnetzteils gemäß Fig. 9.
Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile des Ausführungsbeispiels mit gleichen Bezugszeichen versehen werden.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer bekannten Photovoltaikanlage 1. Die Photovoltaikmodule 2 der Photovoltaikanlage 1 werden üblicherweise über eine Strangüberwachung 3
7 (String Controller), die auch in einem Wechselrichter 4 integriert sein kann, mit dem Wechselrichter 4 verbunden. Der Wechselrichter 4 erzeugt aus der Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 eine entsprechende Wechselspannung, die ins Versorgungsnetz 5 eingespeist und/oder zur Versorgung entsprechender Verbraucher 6 verwendet wird. Üblicherweise sind viele Photovoltaikmodule 2 in Serie und parallel zueinander geschaltet. Die Komponenten der Photovoltaikanlage 1, insbesondere die Strangüberwachung 3 und der Wechselrichter 4, müssen mit entsprechenden Spannungsversorgungen 7 mit der gewünschten elektrischen Energie, vorzugsweise einer Gleichspannung von beispielsweise 14V, versorgt werden. Der Wechselrichter 4 und/oder die Strangüberwachung 3 erzeugt eine interne Versorgungsspannung für die elektronischen Bauteile bzw. für den Schaltungsaufbau, wobei diese über entsprechende Anschlusselemente auch nach außen für zusätzliche anschließbare Komponenten geführt sein kann. Es wird also die für die Komponenten der Photovoltaikanlage 1 notwendige Spannung direkt aus der zur Verfügung stehenden Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 abgeleitet. Bei einem sehr großen Eingangsgleichspannungsbereich bzw. einer sehr großen Anzahl an seriell geschalteten Photovol-taikmodulen 2 und der daraus resultierenden hohen Spannung wird es mit herkömmlichen Technologien an Schaltnetzteilen sehr schwierig, die erforderliche Gleichspannung für die Komponenten der Photovoltaikanlage 1 verlustarm, d.h. mit relativ gutem Wirkungsgrad, herzustellen. Der große Eingangsgleichspannungsbereich ergibt sich daraus, dass sich die Sonneneinstrahlung im Laufe eines Tages verändert, d.h., nach Sonnenaufgang liefern die Photovoltaikmodule 2 weniger Energie als zur Mittagszeit. Weiters hat ein großer Eingangsgleichspannungsbereich den Vorteil, dass die Anzahl der in seriell und parallel geschalteten Photovoltaikmodule 2 flexibler gestaltet werden kann.
In Fig. 2 ist ein Aufbau eines bekannten Wechselrichters 4, im Detail eines HF-Wechselrichters, dargestellt. Da die einzelnen Komponenten bzw. Baugruppen und Funktionen von Wechselrichtern 4 bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird auf diese nachstehend nicht näher eingegangen.
Der Wechselrichter 4 weist zumindest einen Eingangs-DC-DC-Wand- 8 ler 8, einen Zwischenkreis 9 und einen Ausgangs-DC-AC-Wandler 10 auf. Am Eingangs-DC-DC-Wandler 8 ist ein oder sind mehrere parallel und/oder seriell zueinander geschaltete Photovoltaikmodule 2 angeschlossen. Der Ausgang des Wechselrichters 4 bzw. des Aus-gangs-DC-AC-Wandlers 10 kann mit einem Versorgungsnetz 5, wie einem öffentlichen oder privaten Wechselspannungsnetz oder einem Mehr-Phasennetz, und/oder mit zumindest einem elektrischen Verbraucher 6 verbunden sein. Beispielsweise wird ein Verbraucher 6 durch einen Motor, Kühlschrank, Funkgerät, Haushaltsgeräte, usw. gebildet. Ebenso kann der Verbraucher 6 auch eine Hausversorgung darstellen. Die einzelnen Komponenten des Wechselrichters 4 können über einen Datenbus 11 mit einer Steuervorrichtung 12 verbunden sein.
Bevorzugt dient ein derartiger Wechselrichter 4 als sogenannter netzgekoppelter Wechselrichter 4, dessen Energiemanagement daraufhin optimiert ist, möglichst viel Energie in das Versorgungsnetz 5 einzuspeisen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden die Verbraucher 6 über das Versorgungsnetz 5 versorgt. Selbstverständlich können auch mehrere parallel geschaltete Wechselrichter 4 eingesetzt werden. Dadurch kann mehr Energie zum Betrieb der Verbraucher 6 bereitgestellt werden.
Diese Energie wird von den Photovoltaikmodulen 2 in Form einer Gleichspannung geliefert, welche über zumindest zwei Anschlüsse 15 mit dem Wechselrichter 4 verbunden sind.
Die Steuervorrichtung 12 des Wechselrichters 4 ist beispielsweise durch einen Mikroprozessor, Mikrocontroller oder Rechner gebildet. Über die Steuervorrichtung 12 kann eine entsprechende Steuerung der einzelnen Komponenten des Wechselrichters 4, wie dem Eingangs-DC-DC-Wandler 8 oder dem Ausgangs-DC-AC-Wandler 10, insbesondere der darin angeordneten Schaltelemente, vorgenommen werden. In der Steuervorrichtung 12 sind hierzu die einzelnen Regel- bzw. Steuerabläufe durch entsprechende Software-Programme und/oder Daten bzw. Kennlinien gespeichert.
Des Weiteren sind mit der Steuervorrichtung 12 Bedienelemente 13 verbunden, durch welche der Benutzer beispielsweise den Wechselrichter 4 konfigurieren und/oder Betriebszustände oder Parameter 9 anzeigen - beispielsweise mittels Leuchtdioden - und einstellen kann. Die Bedienelemente 13 sind dabei beispielsweise über den Datenbus 11 oder direkt mit der Steuervorrichtung 12 verbunden. Derartige Bedienelemente 13 sind beispielsweise an einer Front des Wechselrichters 4 angeordnet, sodass eine Bedienung von außen möglich ist. Ebenso können die Bedienelemente 13 auch direkt an Baugruppen und/oder Modulen innerhalb des Wechselrichters 4 angeordnet sein.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils 14 für den Wechselrichter 4 und/oder die Strangüberwachung 3 bzw. weitere Komponenten einer Photovoltaikanlage 1 zur Bildung einer konstanten Ausgangsgleichspannung U, aus einer Eingangsgleichspannung Ue in einem relativ großen Bereich von etwa 200V bis 1500V. Über zwei Anschlüsse 15 wird das Schaltnetzteil 14 mit den Photovoltaikmodulen 2 (nicht dargestellt) verbunden. Die Photovoltaikmodule 2 liefern eine Eingangsgleichspannung Ue/ die in einem sehr großen Bereich von beispielsweise 200V bis 1500V liegt. In einem Gleichspannungswandler 16 wird mit Hilfe zumindest eines Schalters 17 die Eingangsgleichspannung Ue in Wechselspannung umgewandelt und einem Transformator 18 zugeführt. Der Transformator 18 besteht aus einem Spulenkörper 19, einer Primärwicklung 20 und zumindest einer Sekundärwicklung 21. In einem Ausgangsgleichrichter 23 wird das transformierte SpannungsSignal gleichgerichtet und den Anschlüssen 24 zum Abgreifen der Ausgangsgleichspannung Ua zugeführt. Mit dieser Ausgangsgleichspannung U* werden die Komponenten der Photovoltaikanlage 1 versorgt. Über eine Regeleinrichtung 22 wird der zumindest einen Schalter 17 des Gleichspannungswandlers 16 derart angesteuert, dass auch bei unterschiedlichen bzw. schwankenden Eingangsgleichspannungen Ue eine konstante Ausgangsgeichspannungng Ua erzielt werden kann. Dabei ist der Gleichspannungswandler 16 des Schaltnetzteils 14 bevorzugt durch eine Kombination aus Sperr- und Durchflusswandler mit zwei in Serie angeordneten Schaltern 17, 17' gebildet, wobei die Regeleinrichtung 22 mit der Primärwicklung 20 des Transformators 18, insbesondere über die Schalter 17, 17', verbunden ist. Ebenso erfasst die Regeleinrichtung 22 über die Anschlüsse 24 die AusgangsSpannung Ua, welche in gewünschter Höhe konstant gehalten wird. Dazu werden die Schalter 17, 17' in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ua geschaltet, sodass der primär 10 seitige Strom durch die Primärwicklung 20 des Transformators 18 angepasst wird.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante eines Schaltnetzteils 14 zur Versorgung von Komponenten einer Photovoltaikanlage 1, insbesondere zum Einsatz in einem Wechselrichter 4 und/oder einer Strangüberwachung 3, bei welcher der Gleichspan-nungswandler 16 durch eine Kombination eines Sperrwandlers und eines Durchflusswandlers in Halbbrückenanordnung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern 17, 17' (einem mit dem positiven Pol der Eingangsgleichspannung verbundenen sogenannten High-Side-Schalter 17 und einem mit der Masse verbundenen sogenannten Low-Side-Schalter 17') gebildet ist. Es handelt sich bei der Schaltung quasi um einen asymmetrischen Duty Cycle Flyback Converter, dessen Funktionsweise im Folgenden und unter Heranziehung des Zeitdiagramms des primärseitigen Stroms des Transformators 18 gemäß Fig. 5 beschrieben wird. Während des Zeitintervalls ti ist der Schalter 17', der sogenannte Low-Side-Schalter 17' bzw. Low-Side-Transistor eingeschaltet und es wird sowohl die Magnetisierungsinduktivität L* als auch die Streuinduktivität Ll des Transformators 18 und der in Serie geschaltete Kondensator CI mit Energie aufgeladen. Dementsprechend steigt der Strom im Zeitintervall tj., wobei auf die Sekundärseite des Transformators 18 keine Energie übertragen wird.
Der Kondensator C3 ist hierbei aufgeladen und der Schalter 17 oiiorrüorViol Ί- ci Ή Während des Zeitraums t2 wird der Low-Side-Schalter 17' ausgeschaltet. Der Strom kommutiert in den parallelen parasitären oder zusätzlichen Kondensator C2, welcher also aufgeladen wird. Somit entstehen keine Ausschaltverluste, da der Schalter 17' spannungsfrei ist. Der Kondensator C2 wird nun bis auf die Eingangsspannung Ue aufgeladen, während der parallel zum High-Side-Schalter 17 bzw. High-Side-Transistor liegende Kondensator C3 entladen wird. Das heißt, dass C2 und C3 umgeladen werden. Für dieses Umladen werden die Induktivitäten Lm und Ll entladen und der Kondensator Cl aufgeladen, wobei sich die Polarität des Transformators 18 auf der Primärseite und Sekundärseite änderte Somit kann im nächsten Schritt Energie auf die Sekundärseite 14τ06ί, ' m [102012/50231 11 übertragen werden. Die Zeitdauer für das Umladen ist von der Dimensionierung der Kondensatoren C2 und C3 bzw. der Wahl der Schalter abhängig, ist generell aber sehr kurz im Verhältnis zu den Lade- und Entladevorgängen von CI. Während der Zeit t3 ist der Kondensator C2 bereits völlig entladen und der Strom von den Induktivitäten Lm und Ll fließt durch die Bodydiode oder eine parallel geschaltete Diode des High-Si-de-Schalters 17. Der High-Side-Schalter 17 kann nun nahezu Spannungsfrei und somit verlustarm eingeschaltet werden. Dabei wird ein Stromkreis mit Schalter 17, Kondensator CI und Trafo 18 gebildet. Hierbei wird der Strom von Ln, auf die Sekundärseite übertragen (Sperrwandlerbetrieb} und der Strom von Ll lädt CI. Entsprechend eines Sperrbetriebs wirkt hier der Trafo als Drossel. Der Zeitpunkt, wann der Schalter 17 eingeschaltet werden muss, kann mittels Spannungsmessung am Schalter 17 eruiert werden - wobei nahezu null gemessen werden muss bzw. die Diodenspannung, oder man gibt eine fixe Totzeit vor, in der die Kapazitäten C2 und C3 sicher umgeladen werden. Entsprechend wird der Zeitpunkt von der Regeleinrichtung 22 bestimmt. Wesentlich ist hierbei, dass der Schalter 17 während der Zeit t3 eingeschaltet wird - im Wesentlichen also auch zu einem beliebigen Zeitpunkt möglich - sodass Energie übertragen wird. Dazu fließt der Strom weiter in die selbe Richtung.
Durch die Energieübertragung sinkt der Strom auf der Primärseite, bis die Spannung am Kondensator Cl größer ist als die Spannung an der Sekundärseite des Transformators 18 mal dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 18 und die gesamte Primärstreuinduktivität Ll im Transformator 18 entladen bzw. übertragen ist.
Anschließend ändert der Strom durch die Primärwicklung 20 des Transformators 18 seine Polarität und die Energie aus dem Kondensator Cl wird über den Transformator 18 im Flussbetrieb (Durchflusswandler) während der Zeit t4 übertragen. Dies zusätzlich zum Sperrbetrieb, da ja der Schalter 17' ausgeschaltet ist. Voraussetzung hierfür ist, dass die Spannung am Kondensator Cl größer ist, als die Spannung Ua an der Sekundärseite des Transformators 18 multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis ü des 12
Transformators 18, Es wird also solange Energie übertragen, bis CI und Ue*ü gleich sind.
Die Zeit, bis sich der Kondensator Cl auf die genannte Spannung Ua*ü entladen hat, ist bestimmt durch die Resonanzformel t=pi*V (Ll*C1 ) . Ist diese Zeit länger als t4, so wird der Gleichspannungswandler 16 nicht lückend betrieben. Ist die Zeit kürzer, wird Cl ganz bis auf Ua*ü entladen (was dem sogenannten lückenden Betrieb des Gleichspannungswandlers 16 entspricht) und die restliche Zeit bis zum Umschalten wird genutzt, die Magnetisierung der Induktivität Lm umzudrehen. Dies ist insofern ein Vorteil bei höheren Spannungen gemäß der vorliegenden Erfindung, da beim Umschwingen während t5 dann mehr Energie zur Verfügung steht. Während der Zeit t5 wird der Highside-Schalter 17 verlustfrei ausgeschaltet, da der Kondensator C3 seit der Zeit t2 entladen ist. Dies deshalb, da der Strom in den Kondensator C3 kommu-tiert. Für das nachfolgende Einschalten des Schalters 17' ist es erforderlich, den Kondensator C3 zu laden und den Kondensator C2 zu entladen. Dies erfolgt im Wesentlichen automatisch durch Ausschalten des Schalters 17. Anschließend kann der Schalter 17' Verlustfrei von der Regeleinrichtung 22 eingeschaltet werden. Im nicht lückendenden Betrieb treibt nur die Primärstreuinduktivität Ll und vernachlässigbar die Magnetisierungsinduktivität Lm den Strom weiter und lädt den Kondensator C3 auf und entlädt den Kondensator C2. Im lückenden Betrieb ist der Anteil der Magnetisierungsinduktivität L„ wesentlich mehr beteiligt. Während der kurzen Zeitdauer ts werden also äquivalent zur Zeit t2 die Kondensatoren C2 und C3 umgeladen. Für den Umladevorgang ist entsprechende Energie erforderlich.
Zu Beginn der Zeit t6 ist der Kondensator C2 schon beinahe vollständig entladen und die Bodydiode des Low-Side-Schalters 17' oder eine parallele Diode führt den Strom. Der Low-Side-Schalter 17' kann somit beinahe spannungsfrei und somit verlustarm eingeschaltet werden. Der Zeitpunkt, an dem der Schalter 17' verlustarm eingeschaltet werden kann, kann durch Spannungsmessung am Schalter 17' oder durch eine fixe Zeit, in welcher der Kondensa- 13 13 ,1 Ä®§Äi2 tor C2 sicher entladen ist, bestimmt werden. Entsprechend erfolgt das Einschalten des Schalters 17’ äquivalent zum Einschalten von Schalter 17 in der Zeit t3.
Dieser Ablauf wiederholt sich entsprechend mit einer Schaltfrequenz im Bereich von 18kHz bis 500kHz, insbesondere 54kHz. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass während der Zeit t3 Energie im Sperrbetrieb und während der Zeit t4 Energie im Durchflussbetrieb und Sperrbetrieb übertragen wird. Demzufolge sind Sperr- und Durchflusswandler kombiniert. Daraus resultiert entsprechend die gewünschte AusgangsSpannung Ua des Netzteils, beispielsweise 5V, 12V, 24V usw..
Die Ansteuerung des High-Side-Schalters 17 stellt sich hier als nicht so trivial heraus, da dieser länger als 50% eingeschaltet ist (von Zeitpunkt t3 bis t4) . Bei höheren Spannungen oder bei einem eventuellen Softstart ist er sogar bis 90% oder noch länger eingeschaltet. Die Ansteuerung mittels magnetischen Übertrager ist deshalb nicht zweckgemäß, da das Entmagnetisieren des Übertragers verhältnismäßig hohe Spannungen erfordert. Deshalb eignet sich hierfür vorzugsweise eine optische Ansteuerung mit Hilfsversorgung, welche entweder durch ein Hilfsnetzteil realisiert werden kann, oder durch eine Bootstrapschaltung.
Fig. 6 zeigt eine Variante der Ansteuerung des High-Side-Schal-ters 17 des Gleichspannungswandlers 16 des Schaltnetzteils 14 mit einer Boostrap-Schaltung. Der High-Side-Schalter 17 wird mit der Energie aus dem Bootstrap-Kondensator CBS eingeschaltet. Dieser wird immer dann aufgeladen, wenn der Low-Side-Schalter 17' eingeschaltet ist. Bei sehr kurzen Einschaltdauern, wie sie vor allem bei hohen Spannungen Vorkommen, muss diese Ladung in sehr kurzer Zeit erfolgen. IGBT's (Insulatet Gate Bipolar Transistor) sind hierfür als Schalter 17, 17' nicht geeignet, da die Sättigungsspannung verhältnismäßig spät erreicht wird, weshalb der Bootstrap-Kondensator CBs nicht vollständig geladen wird und die Spannung nicht ausreicht, um den High-Side-Schalter 17 anzusteuern. Besser geignet sind hier niederohmige MOS-FETs oder J-FETs, beispielsweise auf Basis von Siliziumcarbid. Man kann hier die Zeit, welche zum Laden des Bootstrap-Kondensators CBs benötigt wird, einfach mit dem Widerstand RCSon des Low-Side-Schalters 17' 14 berechnen mit t=RDSon * CBS und UCbs = Uq* (1-θλ (—t/T) ) , wobei Uq in diesem Fall 15V minus der VorwärtsSpannung der Diode ist. Dabei entsprechen die 15V der Versorgungsspannung der Regeleinrichtung 22 zur Erzeugung des Highside-Signals HS und Lowside-Signals LS. Zur Erzielung einer Isolierung gegenüber dem Ground-Potential ist die Ansteuerung des Schalters 17 durch einen Optokoppler 25 gebildet, da ja Schalter 17 kein Ground-Potential aufweist .
Fig. 7 zeigt eine Variante der Ansteuerung des Schalters 17 mit einer Hilfsversorgung Ux, welche beispielsweise von einer Batterie oder einem Hilfsnetzteil geliefert wird.
Eine andere Möglichkeit für eine sichere Ansteuerung besteht darin, wenn man die Topologie so ändert, dass der High-Side-Schalter 17 nicht über 50% Einschaltdauer erreicht. Dann kann man auf aus dem Stand der Technik bekannte magnetische Koppler 27 zur Ansteuerung des High-Side-Schalters 17 zurückgreifen (siehe Fig. 8). Dazu wird gemäß der Funktionsbeschreibung der Fig. 2 bis 7 die Schalter vertauscht. Somit übernimmt der Schalter 17' die Funktion des Schalters 17, hat demnach einen Bezug zu Ground und kann direkt von der Regeleinrichtung 22 angesteuert werden. Dies hat zur Folge, dass die Einschaltdauer nicht mehr relevant ist und entsprechend der magnetische Koppler 27 eingesetzt werden kann.
Eine Möglichkeit der Regelung durch die Regeleinrichtung 22 der Ausgangs Spannung üa besteht in der Regelung der Zeit ti bei konstanter Schaltfrequenz fs. Die Regelung kann Grundsätzlich über zwei bekannte Verfahren erfolgen. Beim „Current Mode" wird in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ua die Stromamplitude während ti geregelt. Beim Hochstarten, wenn der Sekundärkondensator noch entladen ist, wird langsam der Primärstrom erhöht, bis die Ausgangsspannung Ua erreicht wird. Der Vorteil in dieser Regelung liegt in erster Linie darin, dass eben beim Hochstarten im Vergleich zum „Voltage Mode" keine großen primären Überströme entstehen. Beim „Voltage Mode" wird die Pulsweite während tx reguliert. Beim Hochstarten geht dieser Schritt für Schritt auseinander. Dies hat den Nachteil, dass bei noch niedriger Sekundärspannung, die Energie, welche im Transformator 18 gespeichert ist, nicht schnell genug entladen werden kann, und es bleibt ein ü
IS
Mm 15
Großteil der Energie im Transformator 18. Somit startet der Primärstrom bei der nächsten Periode bei annähernd dem Wert, bei dem er bei der letzten Periode abgedreht wurde. Somit steigt der Strom immer weiter an, und es besteht die Gefahr, dass der Transformator 18 sättigt. Abhilfe kann mit einer Strombegrenzung geschaffen werden, welche den Schalter 17, welcher während ti leitet, bei einem definierten Strom abdreht und hier in den „Current Mode" übergeht.
Eine weitere Möglichkeit ist die Regelung der Frequenz fs mit konstanter Zeit ti. Dies ist bekannt unter „Pulse Frequency Mode". Hierbei wird t4 bei sinkender Last verlängert, sodass die Zahl der Energieübertragungen sinkt. Gleichzeitig entlädt sich auch der in Serie zum Transformator 18 geschaltene Kondensator CI tiefer, und es wird mehr Blindleistung benötigt, um Energie zu übertragen.
Bei hohen Spannungen sind die Anforderungen an die Isolierungen und den Aufbau des Transformators 1 enorm. Zum einen ist die Energie, welche zum Umschwingen benötigt wird, direkt proportional zur parallelen parasitären Kapazität des Transformators 18.
Um die kapazitären Einflüsse möglichst gering zu halten, wird der Transformator 18 so konstruiert, dass eine Wicklung immer in einer Lage voll ausgewickelt werden kann. Alternativ kann auch eine ungerade Anzahl von Lagen für die Wicklung eingesetzt werden. Damit wird gewährleistet, dass die höchst möglichen Potentiale den größten Abstand zueinander haben. Zudem wurde darauf geachtet, dass der Wickelanfang und das Wickelende der Wicklung ebenfalls einen großen Abstand zueinander aufweisen. Dieses Prinzip wird sowohl auf der Primärwicklung 20 als auch auf der Sekundärwicklung 21 angewendet.
Die dauernde Belastung durch die hohe EingangsSpannung Ue von beispielsweise 1500V stellen an die Isolation des Transformators 18 sehr hohe Anforderungen.
Dazu sind die Anschlüsse der Primärwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 aufgrund der kapazitiven Optimierungsmaßnahmen auf der gleichen Pinreihe angeordnet. Hier muss darauf geachtet wer-
PjMj 16tpr^ted: ϊΐ #-06^-2012 fE014.1 ^10 2012/50231 den, dass jene Anschlüsse, welche direkt in der Trennstrecke zwischen Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 liegen, aus dem Spulenkörper 19 herausgezogen werden- Natürlich muss der Abstand zwischen den Anschlüssen auch ausreichend groß gewählt werden.
Auf den Anschlüssen der Primärwicklung 20 wird vorzugsweise ein Silikonschlauch 26 angeordnet, damit ausreichend Luft- und Kriechstrecken geschaffen werden. Sekundärseitig sowie primärseitig wird eine doppelt gegengleich bandierte Litze verwendet. Durch diese doppelt gegengleiche Bandierung wird bei 50%iger Folienüberlappung eine Luft- und Kriechstrecke von 1,5 mal der Isolier-Folienbreite erreicht. Alternativ kann auch eine vollisolierte Litze oder ein vollisolierter Draht verwendet werden. Zusätzlich wird ein Seitenabstand zwischen der Seitenwand des Spulenkörpers 19 und den Wicklungen 20, 21 eingehalten. Zwischen der Primärwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 wird eine ausreichend dicke Schicht Polyesterfolie eingefügt, da diese die direkte Trennstelle darstellt. Direkt auf den Spulenkörper 19 wird vorzugsweise ebenfalls eine Lage Polyesterfolie gewickelt, weil Polyester eine höhere Spannungsfestigkeit aufweist als das Material des Spulenkörpers 19. Die Silikonschläuche 26, welche über die Anschlüsse der Primärwicklung 20 gestreift werden, müssen bis zur Pinkontaktierung reichen, da sonst eventuell über den Ferritkern die Luft- und Kriechstrecken verkürzt werden könnten. Schließlich ist ein Vollverguß des Transformators 18 zu empfehlen.
Mit diesen Maßnahmen können auch auf einem Transformator 18 eines Schaltnetzteils 14 mit sehr geringen Abmaßen die Luft- und Kriechstrecken so gestreckt werden, dass ein Betrieb bei hohen Eingangsspannungen Ue auf Dauer gewährleistet werden kann.
Die abgebildeten Skizzen gemäß den Figuren 9 und 10 eines Transformators 18 stellen lediglich eine Ausführungsform dar.

Claims (17)

17 17 141 14^06^2012 Patentansprüche: 1. Schaltnetzteil (14) zur Versorgung der Komponenten einer Photovoltaikanlage (1) mit einer konstanten Ausgangsgleichspannung (UJ , mit Anschlüssen (15) zur Verbindung mit den Photovoltaikmo-dulen (2) der Photovoltaikanlage (1) zur Bereitstellung einer Eingangsgleichspannung (Ue) im Bereich zwischen 200V und 1500V, mit einem Gleichspannungswandler (16) enthaltend zumindest einen Schalter (17), einem Transformator (18) mit einem Spulenkörper (19), einer Primärwicklung (20) und einer Sekundärwicklung (21), einer Regeleinrichtung (22) zur Ansteuerung des zumindest einen Schalters (17) des Gleichspannungswandlers (16) mit einer Schaltfrequenz (fs) zur Erzielung der gewünschten Ausgangsgleichspannung (UJ , einem Ausgangsgleichrichter (23) und mit Anschlüssen (24) zur Bereitstellung der Ausgangsgleichspannung (Ua), dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (16) durch eine Kombination aus Sperr- und Durchflusswandler mit zwei in Serie angeordneten Schaltern (17, 17') gebildet ist, wobei die Schalter (17, 17') mit der Regeleinrichtung (22) verbunden sind, und die Regeleinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass die Regelung der Ausgangsspannung (Ua) derart erfolgt, dass die Schalter (17, 17') in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung (20) des Transformators (18) geschaltet sind.
2. Schaltnetzteil (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (17, 17') mit der Primärwicklung (20) des Transformators (18) verbunden sind.
3. Schaltnetzteil (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (22) einen Optokoppler (25) zur Ansteuerung eines Schalters (17), des sogenannten High-Side-Schalters, enthält.
4. Schaltnetzteil (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Optokoppler (25) durch eine Bootstrap-Schaltung versorgt ist.
5. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (22) zur Regelung der
fPrinted: ,14-06-2012 18 Schaltfrequenz (fs) der Schalter (17, 17') in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung (20) des Transformators (18) ausgebildet ist.
6. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (22) zur Regelung der Einschaltzeit (tx) eines Schalters (17) in Abhängigkeit des primärseitigen Stroms durch die Primärwicklung (20) des Transformators (18) ausgebildet ist.
7. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse der Primärwicklung (20) und die Anschlüsse der Sekundärwicklung (21) des Transformators (18) auf einer Seite angeordnet sind. ß. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Anschlüssen der Primärwicklung (20) und der Abstand der Anschlüsse der Sekundärwicklung (21) des Transformators (18) möglichst groß gewählt ist.
9. Schaltnetzteil· (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den Anschlüssen der Primärwicklung (20) ein Isolationsschlauch (26), insbesondere ein Silikonschlauch, angeordnet ist.
10. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (21) durch eine doppelt gegengleich bandierte Litze, eine vollisolierte Litze oder einen vollisolierten Draht gebildet ist.
11. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Primärwicklung (20) und Sekundärwicklung (21) des Transformators (18) eine Isolation, insbesondere eine Polyesterfolie, angeordnet ist.
12. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass direkt auf den Spulenkörper (19) des Transformators (18) eine Isolation, insbesondere eine Polyesterfolie, angeordnet ist.
13. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da-durch gekennzeichnet, dass der Transformator (18) vergossen ist.
14. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (fs) 18kHz bis 500kHz, vorzugsweise 54kHz, beträgt.
15. Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (17, 17') durch Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, gebildet sind.
16. Schaltnetzteil· (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Schaltern (17, 17') Dioden und Kondensatoren angeordnet sind.
17. Wechselrichter (4) für eine Photovoltaikanlage (1) mit Pho-tovoltaikmodulen (2), mit einer Spannungsversorgung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (7) durch ein Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.
18. Strangüberwachung (3) für eine Photovoltaikanlage (1) mit Photovoltaikmodulen (2), mit einer Spannungsversorgung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (7) durch ein Schaltnetzteil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.
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