CH706337A2

CH706337A2 - Converter circuitry for transmission of electrical power of multi-phase change voltage system or voltage system, has transformer arrangement formed such that magnetic flux of primary windings in secondary windings is summed

Info

Publication number: CH706337A2
Application number: CH00462/12A
Authority: CH
Inventors: Felix Jauch; Juergen Biela
Original assignee: Eth Zuerich Eth Transfer
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-15
Also published as: CH706337B1

Abstract

The circuitry has switching networks (1, 2, 3) connecting primary winding terminals (23, 26, 36, 39, 45, 48) optionally with phase connections (20, 29, 31, 32, 33, 42). A transformer arrangement is formed such that magnetic flux of primary windings (8, 10, 12) in secondary windings (9, 11, 13) is summed and/or the secondary windings are switched in series if two or more secondary windings are present. Transformed voltages of the primary windings are summed. The secondary windings are magnetically coupled with the primary windings. An independent claim is also included for a method for controlling a converter circuitry.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Schaltungstechnik und insbesondere auf eine Konverterschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung, zur Realisierung eines bidirektionalen, galvanisch getrennten Multi-Port Konverters für AC- und DC-Spannungen. The invention relates to the field of electronic circuit technology and in particular to a converter circuit and a method for driving a converter circuit, for the realization of a bidirectional, galvanically isolated multi-port converter for AC and DC voltages.

[0002] Zur bidirektionalen, galvanisch getrennten Kopplung von AC- und DC-Netzen respektive von AC-Erzeugern sowie AC-Verbrauchern und DC-Erzeugern sowie DC-Verbrauchern existieren leistungselektronische Systeme, welche Wirk- und Blindleistungsflüsse mit hoher Dynamik regeln können. Diese Systeme finden beispielsweise bei der Einbindung von erneuerbaren Energien wie Wasserkraft, Windenergie oder Sonnenenergie in bestehende elektrische Übertragungs- und Verteilnetze Anwendung. Hochfrequent getaktete leistungselektronische Konvertersysteme ersetzen dabei voluminöse und schwere netzfrequente nicht regelbare Transformatoren. For bidirectional, galvanically isolated coupling of AC and DC networks respectively of AC producers and AC consumers and DC producers and DC consumers exist power electronic systems that can control active and reactive power flows with high dynamics. These systems are used, for example, in the integration of renewable energies such as hydropower, wind energy or solar energy in existing electrical transmission and distribution networks. High frequency clocked power electronic converter systems replace voluminous and heavy mains frequency non-controllable transformers.

[0003] Mittels bidirektionalen, galvanisch getrennten Multi-Port Konvertern lassen sich eine beliebige Anzahl von Leistungsquellen und -senken über einen magnetischen Kreis unter Verwendung einer geringen Anzahl aktiver Schaltelemente koppeln. Unter einem Multi-Port Konverter (Mehrportkonverter) wird in der Literatur die Kopplung von mehreren DC-Ports (DC-Anschlüssen) verstanden. Einzelne Ausführungen erlauben zudem einen AC-Port (AC-Anschluss) mit mehreren DC-Ports zu koppeln. By means of bidirectional, galvanically isolated multi-port converters, any number of power sources and sinks can be coupled via a magnetic circuit using a small number of active switching elements. Under a multi-port converter (multi-port converter) is in the literature, the coupling of multiple DC ports (DC ports) understood. Single versions also allow an AC (AC) port to be coupled to multiple DC ports.

[0004] Multi-Port Konverter lassen eine einstufige Leistungskonversion zwischen den verschiedenen Ports zu. Multi-port converters allow one-level power conversion between the various ports.

[0005] Die in der Literatur beschriebenen Multi-Port Konverter weisen in der Regel drei DC-Ports auf, welche über einen Dreiwicklungs-Transformator gekoppelt sind [1–2]. Um hohe Ströme und damit hohe Verluste in den Wicklungen des Transformators zu vermeiden, werden die an den Wicklungen über eine halbe Taktperiode angelegten Spannungszeitflächen (welche den Spitzenwerten der magnetischen Flussverkettungen entsprechen) möglichst gleich gehalten. Durch die Verwendung von Vollbrücken als Schaltnetzwerk zur Erzeugung der hochfrequenten, mittelwertfreien Spannungen am Transformator können Spannungsvariationen an den DC-Ports kompensiert werden [1]. Dies ist jedoch nur für einen beschränkten Spannungsbereich möglich. The multi-port converters described in the literature generally have three DC ports, which are coupled via a three-winding transformer [1-2]. In order to avoid high currents and thus high losses in the windings of the transformer, the voltage time surfaces (which correspond to the peak values of the magnetic flux linkages) applied to the windings over half a clock period are kept as constant as possible. By using full bridges as a switching network to generate the high-frequency, mean-free voltages at the transformer, voltage variations at the DC ports can be compensated [1]. However, this is only possible for a limited voltage range.

[0006] In der Literatur beschriebene Ansätze zur Kopplung von AC-Leistungsquellen sowie -senken und DC-Leistungsquellen sowie -senken basieren auf dreistufigen leistungselektronischen Konvertersystemen, im Allgemeinen sind dies drei Zwei-Port Konverter, welche zwei mehrphasige AC-Ports mit einem oder mehreren DC-Ports koppeln. Unter einem mehrphasigen AC-Port sind AC-Systeme mit zwei oder mehr Phasen ähnlicher Spannungsamplitude zu verstehen. Diese Konvertersysteme umfassen einen AC-DC Konverter zur Gleichrichtung mit nachfolgendem galvanisch getrenntem DC-DC Konverter zur Isolation und Spannungsanpassung sowie einen DC-AC Konverter zur Wechselrichtung [3]. Die zur Anwendung kommenden Topologien für Gleichrichter und Wechselrichter sind unter anderem dreiphasige (Active-)Diode-Clamped oder Flying-Capacitor Multilevel Konverter [3–5] sowie Multilevel Konverter basierend auf kaskadierten H-Brücken [6] oder Modulare Multilevel Konverter [7]. Der galvanisch getrennte DC-DC Konverter wird meist durch eine Parallel- oder Serienschaltung von Dual-Active-(Full-)Bridge [3–5] oder Dual-Half-Bridge [8] Modulen realisiert. Literature approaches to coupling AC power sources and sinks and DC power sources and sinks are based on three-stage power electronic converter systems, generally three three-port converters that include two multi-phase AC ports with one or more Pair DC ports. A multiphase AC port is AC systems with two or more phases of similar voltage amplitude. These converter systems include an AC-DC converter for rectification with subsequent galvanically isolated DC-DC converter for isolation and voltage adjustment and a DC-AC converter for the AC direction [3]. The topologies for rectifiers and inverters used include three-phase (active) diode-clamped or flying-capacitor multilevel converters [3-5] as well as multilevel converters based on cascaded H-bridges [6] or modular multilevel converters [7]. , The galvanically isolated DC-DC converter is usually implemented by a parallel or series connection of dual-active (full) bridge [3-5] or dual-half-bridge [8] modules.

[0007] Nebst dreistufigen Lösungen sind in der Literatur auch einstufige galvanisch getrennte AC-AC Konvertersysteme (Zwei-Port Konverter mit zwei einphasigen AC-Ports) beschrieben [9-10]. Diese Konvertersysteme basieren auf Parallel- und/oder Serienschaltung von Dual-Active-(Full-)Bridge Modulen mit bidirektionalen Schaltern und weisen eine direkte Kopplung einer einphasigen AC-Leistungsquelle mit einer einphasigen AC-Leistungssenke ohne DC-Port auf. Aufgrund des fehlenden DC-Ports erlaubt die direkte Kopplung aber keine Blindleistungskompensation. Weiterhin können sinnvollerweise nur AC-Ports gleicher Frequenz und gleicher Phasenlage gekoppelt werden, um hohe Differenzen in den am Transformator über eine halbe Taktperiode angelegten Spannungszeitflächen und damit hohe Ströme in den Wicklungen des Transformators zu vermeiden. In addition to three-stage solutions, the literature also describes single-stage galvanically isolated AC-AC converter systems (two-port converters with two single-phase AC ports) [9-10]. These converter systems are based on parallel and / or series connection of dual-active (full) bridge modules with bidirectional switches and have a direct coupling of a single-phase AC power source with a single-phase AC power sink without a DC port. Due to the missing DC port, direct coupling does not allow reactive power compensation. Furthermore, it is expedient to couple only AC ports of the same frequency and the same phase position in order to avoid high differences in the voltage time surfaces applied to the transformer over half a clock period and thus high currents in the windings of the transformer.

[0008] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Konverterschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile beheben und insbesondere hohe Ströme in den Transformatoren vermeidet und gleichwohl einen hohen Wirkungsgrad aufweist. It is therefore an object of the invention to provide a converter circuit and a method for driving a converter circuit of the type mentioned above, which remedy the above-mentioned disadvantages and in particular avoids high currents in the transformers and nevertheless has a high efficiency.

[0009] Diese Aufgabe lösen eine Konverterschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche. This object is achieved by a converter circuit and a method for driving a converter circuit having the features of the corresponding independent patent claims.

[0010] Die Konverterschaltung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Mehrphasen-Wechselspannungssystem von oder zu mindestens einem weiteren Spannungssystem weist also eine erste Transformatoranordnung mit mindestens zwei Primärwicklungen und mindestens einer Sekundärwicklung auf, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung mit einer oder mehreren der Primärwicklungen magnetisch gekoppelt ist. Dabei liegt ein erster Satz von Schaltnetzwerken vor, von welchen jeweils ein Schaltnetzwerk einer der Primärwicklungen zugeordnet ist, wobei für jede der mindestens zwei Primärwicklungen gilt, dass die Primärwicklung mit zwei Primärwicklungsanschlüssen an das zugeordnete Schaltnetzwerk und dieses wiederum mit Phasenanschlüssen (Anschluss der zugeordneten Phase sowie Anschluss des Neutralleiters) an das Mehrphasen-Wechselspannungssystem angeschlossen ist, wobei das Schaltnetzwerk dazu eingerichtet ist, jeden der Primärwicklungsanschlüsse wahlweise mindestens mit einem der Phasenanschlüsse zu verbinden. Es ist die erste Transformatoranordnung so ausgebildet, dass die magnetischen Flüsse der Primärwicklungen sich in der mindestens einen Sekundärwicklung summieren und/oder, falls zwei oder mehr Sekundärwicklungen vorliegen, diese Sekundärwicklungen in Serie geschaltet sind, und sich die transformierten Spannungen der Primärwicklungen summieren. The converter circuit for transmitting electrical energy from a multiphase AC voltage system from or to at least one other voltage system thus has a first transformer arrangement with at least two primary windings and at least one secondary winding, wherein the at least one secondary winding is magnetically coupled to one or more of the primary windings , In this case, there is a first set of switching networks, of which each one switching network is assigned to one of the primary windings, wherein for each of the at least two primary windings, the primary winding with two primary winding connections to the associated switching network and this in turn with phase connections (connection of the associated phase and Connecting the neutral conductor) to the polyphase AC voltage system, the switching network being arranged to selectively connect each of the primary winding terminals to at least one of the phase terminals. The first transformer arrangement is designed so that the magnetic fluxes of the primary windings accumulate in the at least one secondary winding and / or, if there are two or more secondary windings, these secondary windings are connected in series and the transformed voltages of the primary windings accumulate.

[0011] Diese Verschaltung erlaubt insbesondere, eine Spannungs-Zeitfläche der Summe der an den Primärwicklungen angelegten Spannungen zu realisieren, wobei der Wert dieser Spannungs-Zeitfläche, jeweils über eine halbe Taktperiode bestimmt, über die Zeit, also über mehrere Taktperioden einen zumindest annähernd konstanten Wert aufweist. Dieser konstante Wert kann entsprechend einer Vorgabe eingestellt werden. This interconnection allows in particular to realize a voltage-time area of the sum of the voltages applied to the primary windings, wherein the value of this voltage-time area, each determined over half a clock period, over the time, that is, over several clock periods at least approximately constant Value. This constant value can be set according to a specification.

[0012] Dies erlaubt gegenüber bekannten Topologien für Multi-Port Konverter eine direkte einstufige Kopplung zweier mehrphasiger AC-Ports mit einem oder mehreren DC-Ports, über welche Blindleistungskompensation für beide AC-Ports unabhängig voneinander möglich ist. Wird zudem ein Speichersystem oder DC-Netz angebunden, so können ebenfalls die Wirkleistungsflüsse beider AC-Ports gesteuert werden. Weiterhin weist die Erfindung im Gegensatz zu bekannten Ansätzen einen deutlich reduzierten Aufwand an aktiven Schaltelementen und damit auch eine geringere Anzahl von Gate-Ansteuerungen auf. Im Vergleich zu einem dreistufigen Ansatz mit dreiphasigem Gleich- und Wechselrichter erlaubt die Erfindung einen modularen Aufbau und kann somit auf verschiedensten Spannungsebenen zum Einsatz kommen, beispielsweise indem die Anschlüsse mehrerer Konverterschaltungen seriell verschaltet werden, um das Gesamtsystem auf unterschiedlichen Spannungsniveaus zu betreiben. This allows over known topologies for multi-port converter direct one-stage coupling of two multi-phase AC ports with one or more DC ports, via which reactive power compensation for both AC ports is independently possible. If, in addition, a storage system or DC network is connected, the active power flows of both AC ports can also be controlled. Furthermore, in contrast to known approaches, the invention has a significantly reduced expenditure of active switching elements and thus also a smaller number of gate activations. Compared to a three-stage approach with three-phase DC and inverter, the invention allows a modular design and can thus be used at various voltage levels, for example by the connections of several converter circuits are connected in series to operate the entire system at different voltage levels.

[0013] Ein Schaltnetzwerk kann jeweils mindestens die positive oder negative Phasenspannung der angeschlossenen Phase an die Primärwicklung anlegen. Es ist dabei, je nach Ausgestaltung des Schaltnetzwerkes, möglich, dass auch die Spannung Null oder eine Zwischenspannung des Schaltnetzwerkes an die Primärwicklung angelegt werden kann. A switching network can each apply at least the positive or negative phase voltage of the connected phase to the primary winding. It is possible, depending on the configuration of the switching network, possible that the voltage zero or an intermediate voltage of the switching network can be applied to the primary winding.

[0014] Eine Transformatoranordnung kann aus mehreren einzelnen Teiltransformatoren je Phase bestehen, welche nicht einen gemeinsamen Kern aufweisen und somit nur geringfügig miteinander magnetisch gekoppelt sind. Alternativ kann eine Transformatoranordnung mehrere Primärwicklungen und eine Sekundärwicklung an einem gemeinsamen Kern aufweisen, wobei sich beispielsweise die magnetischen Flüsse der Primärwicklungen in der Sekundärwicklung summieren. A transformer arrangement may consist of several individual partial transformers per phase, which do not have a common core and thus are only slightly magnetically coupled to each other. Alternatively, a transformer arrangement may comprise a plurality of primary windings and a secondary winding at a common core, wherein, for example, the magnetic fluxes of the primary windings accumulate in the secondary winding.

[0015] In einer Ausführungsform der Konverterschaltung ist das weitere Spannungssystem ein Gleichspannungs-System und ist die Sekundärwicklung oder die Serienschaltung von zwei oder mehr Sekundärwicklungen mit zwei Sekundärwicklungsanschlüssen an ein sekundärseitiges Schaltnetzwerk angeschlossen, und dieses wiederum mit Gleichspannungsanschlüssen an das Gleichspannungs-System angeschlossen. Dabei ist das sekundärseitige Schaltnetzwerk dazu eingerichtet, jeden der Sekundärwicklungsanschlüsse wahlweise mindestens mit einem der Gleichspannungsanschlüsse zu verbinden. Damit wird also ein DC-Port zum Austausch von elektrischer Energie mit einem DC-Netz gebildet. In one embodiment of the converter circuit, the further voltage system is a DC system and the secondary winding or series connection of two or more secondary windings with two secondary winding terminals connected to a secondary side switching network, and this in turn connected to the DC system with DC terminals. In this case, the secondary-side switching network is set up to selectively connect each of the secondary winding terminals to at least one of the DC voltage terminals. Thus, a DC port is formed for the exchange of electrical energy with a DC network.

[0016] In einer Ausführungsform der Konverterschaltung liegt ein zweites Mehrphasen-Wechselspannungssystem vor, und ist dieses über eine zweite Transformatoranordnung und einen zweiten Satz von Schaltnetzwerken, welche in gleicher Weise wie die erste Transformatoranordnung und der erste Satz von Schaltnetzwerken strukturiert und mit dem weiteren Spannungssystem verbunden. Damit wird also ein weiterer oder zweiter AC-Port zum Austausch von elektrischer Energie mit einem weiteren AC-Netz gebildet. In one embodiment of the converter circuit is a second multi-phase AC system, and this is a second transformer assembly and a second set of switching networks, which structured in the same way as the first transformer assembly and the first set of switching networks and the other voltage system connected. Thus, a further or second AC port is formed to exchange electrical energy with another AC network.

[0017] Die Formulierung «in gleicher Weise» bedeutet nicht zwingend, dass die Topologie gleich sein muss, sondern lediglich, dass die im Patentanspruch 1 vorliegende Beschreibung der Verschaltung der ersten Transformatoranordnung und des ersten Satzes von Schaltnetzwerken auch auf die Verschaltung der zweiten Transformatoranordnung und des zweiten Satzes von Schaltnetzwerken zutrifft. The phrase "in the same way" does not necessarily mean that the topology must be the same, but only that the present in claim 1 description of the interconnection of the first transformer assembly and the first set of switching networks also on the interconnection of the second transformer assembly and of the second set of switching networks.

[0018] In einer Ausführungsform der Konverterschaltung bilden die mindestens zwei Primärwicklungen einen ersten Satz von Primärwicklungen, und liegt ein zweites Mehrphasen-Wechselspannungssystem vor, dessen Phasen über einen zweiten Satz von Schaltnetzwerken an einen zweiten Satz von Primärwicklungen angeschlossen sind, wobei in der ersten Transformatoranordnung die Primärwicklungen des ersten und die Primärwicklungen des zweiten Satzes von Primärwicklungen magnetisch miteinander und mit einer Sekundärwicklung gekoppelt sind. In one embodiment of the converter circuit, the at least two primary windings form a first set of primary windings, and there is a second multi-phase AC voltage system whose phases are connected via a second set of switching networks to a second set of primary windings, wherein in the first transformer arrangement the primary windings of the first and the primary windings of the second set of primary windings are magnetically coupled together and to a secondary winding.

[0019] Insbesondere können in der ersten Transformatoranordnung jeweils eine Primärwicklung des ersten und eine Primärwicklung des zweiten Satzes von Primärwicklungen und eine von mehreren, in Serie geschalteten, Sekundärwicklungen in einem Teiltransformator miteinander gekoppelt sein. Alternativ können alle Primärwicklungen beider Sätze und eine Sekundärwicklung an einem gemeinsamen Kern magnetisch miteinander gekoppelt sein. Beispielsweise summieren sich dabei die magnetischen Flüsse aller Primärwicklungen in der Sekundärwicklung. In particular, in the first transformer arrangement in each case a primary winding of the first and a primary winding of the second set of primary windings and one of a plurality of series-connected secondary windings in a partial transformer may be coupled together. Alternatively, all primary windings of both sets and a secondary winding on a common core may be magnetically coupled together. For example, the magnetic fluxes of all primary windings in the secondary winding add up.

[0020] Eine Ausführungsform der Konverterschaltung weist eine Ansteuerschaltung auf, welche dazu ausgebildet ist, die Schaltnetzwerke eines der Sätze von Schaltnetzwerken mit einer Taktfrequenz anzusteuern, welche mindestens das 5-fache oder das 50-fache oder das 100-fache einer Grundfrequenz des an diesem Satz von Schaltnetzwerken anliegenden Wechselspannungssystems beträgt. Die Grundfrequenz wird als niederfrequent betrachtet, die Taktfrequenz als hochfrequent. Die Taktfrequenz fsentspricht einer Taktperiode Ts=1/fs, in welcher sich die Schaltzustände des Schaltnetzwerkes ohne Beachtung der Reihenfolge wiederholen. Der Grundfrequenz fg entspricht eine Grundperiode Tg=1/fg. Beispielsweise ist fg=50 Hz oder 162/3 Hz. Mögliche Taktperioden (oder Taktfrequenzen) liegen dabei beispielsweise zwischen 1 kHz und 200 kHz, insbesondere um 20 kHz. An embodiment of the converter circuit has a drive circuit, which is designed to control the switching networks of one of the sets of switching networks with a clock frequency which is at least 5 times or 50 times or 100 times a fundamental frequency of this at Set of switching networks adjacent AC system is. The fundamental frequency is considered low frequency, the clock frequency as high frequency. The clock frequency fs corresponds to a clock period Ts = 1 / fs, in which the switching states of the switching network repeat without regard to the order. The fundamental frequency fg corresponds to a fundamental period Tg = 1 / fg. For example, fg = 50 Hz or 162/3 Hz. Possible clock periods (or clock frequencies) are for example between 1 kHz and 200 kHz, in particular around 20 kHz.

[0021] Das Verfahren basiert darauf, dass durch die Versehaltung der Schaltnetzwerke des AC-Ports mit einer entsprechenden Transformatoranordnung eine über die Zeit zumindest annähernd konstante Summe der an die Primärwicklungen angelegten Spannungszeitflächen innerhalb einer halben Taktperiode zur Steuerung zur Verfügung steht. The method is based on that by the Versehaltung the switching networks of the AC port with a corresponding transformer arrangement over time at least approximately constant sum of the voltage applied to the primary windings voltage time surfaces within half a clock period for control is available.

[0022] In dem Verfahren zum Ansteuern der Konverterschaltung werden die Schaltnetzwerke eines Satzes von Schaltnetzwerken so angesteuert, dass die Spannungs-Zeitfläche der Summe der Spannungen an den zugeordneten Primärwicklungen innerhalb einer halben Taktperiode zumindest annähernd ein konstantes Verhältnis zu einem vorgegebenen Wert aufweist. In the method for driving the converter circuit, the switching networks of a set of switching networks are controlled so that the voltage-time surface of the sum of the voltages at the associated primary windings within half a clock period has at least approximately a constant ratio to a predetermined value.

[0023] Damit wird es möglich, die Spannungs-Zeitfläche der Summe der an den Primärwicklungen angelegten Spannungen an Spannungs-Zeitflächen an anderen Wicklungen des Transformators anzupassen, wodurch der Wirkungsgrad der Konverterschaltung hoch gehalten wird. Thus, it becomes possible to adjust the voltage-time area of the sum of the voltages applied to the primary windings to voltage-time areas on other windings of the transformer, whereby the efficiency of the converter circuit is kept high.

[0024] Eine physikalisch anders formulierte, aber zum selben Ergebnis führende Beschreibung des Verfahrens besagt, dass die Amplitude der taktfrequenten Grundwelle der Summe der Spannungen an den Primärwicklungen zu einem AC-Port zumindest annähernd ein konstantes Verhältnis zu einem vorgegebenen Wert aufweist. A physically differently formulated but leading to the same result description of the method states that the amplitude of the clock frequency fundamental wave of the sum of the voltages at the primary windings to an AC port at least approximately has a constant ratio to a predetermined value.

[0025] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist der vorgegebene Wert, falls eine einzige Sekundärwicklung vorliegt, gleich einer Spannungs-Zeitfläche einer in derselben halben Taktperiode an die Sekundärwicklung geschalteten Spannung; oder falls mehrere elektrisch in Serie geschaltete Sekundärwicklungen vorliegen, gleich einer Spannungs-Zeitfläche einer in derselben halben Taktperiode an eine Serienschaltung der Sekundärwicklungen geschalteten Spannung; oder falls mehrere magnetisch parallel geschaltete Sekundärwicklungen vorliegen, gleich der Spannungs-Zeitfläche der Summe der in derselben halben Taktperiode an die Sekundärwicklungen geschalteten Spannungen;und ist dabei in allen Fällen skaliert entsprechend dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklungen. In one embodiment of the method, the predetermined value, if a single secondary winding is present, equal to a voltage-time area of a voltage connected to the secondary winding in the same half-cycle period; or if there are a plurality of secondary windings connected in series, equal to a voltage-time area of a voltage connected to a series connection of the secondary windings in the same half-cycle period; or if there are a plurality of magnetically parallel-connected secondary windings, equal to the voltage-time area of the sum of the voltages connected to the secondary windings in the same half-cycle period, and in all cases scaled according to the respective transmission ratio between primary and secondary windings.

[0026] Bei der Definition des Verfahrens über die taktfrequente Grundwelle ist der vorgegebene Wert beispielsweise gleich der Amplitude der taktfrequenten Grundwelle einer der im vorangehenden Absatz beschriebenen Spannungen oder Summenspannungen. In the definition of the method over the clock-frequency fundamental wave, the predetermined value is, for example, equal to the amplitude of the clock-frequency fundamental wave of one of the voltages or sum voltages described in the preceding paragraph.

[0027] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird das Verhältnis der Spannungs-Zeitfläche der Summe der den Primärwicklungen zugeordneten Spannungen zum vorgegebenen Wert nach Massgabe des Leistungsflusses von oder zum AC-Port bestimmt. Beispielsweise geschieht dies, indem der Spannungsabfall über der Streuinduktivität des Transformators – vektoriell als Spannungszeiger der taktfrequenten Grundwelle gesehen – in an sich bekannter Weise so eingestellt wird, dass sich ein Strom ergibt, welcher zu dem gewünschten Leistungsfluss führt. In one embodiment of the method, the ratio of the voltage-time surface of the sum of the primary windings associated voltages to the predetermined value in accordance with the power flow from or to the AC port is determined. For example, this is done by the voltage drop across the stray inductance of the transformer - vectorial seen as a voltage vector of the clock frequency fundamental wave - is set in a conventional manner so that there is a current that leads to the desired power flow.

[0028] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird an jede der Primärwicklungen mit der Taktperiode eine Rechteckspannung mit oder ohne Nullintervall gelegt. Dabei wird eine relative Phasenlage der einzelnen Rechteckspannungen für eine bestimmte Primärwicklung nach Massgabe der Phasenlage der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird und nach Massgabe eines der entsprechenden Phase zu entnehmenden respektive einzuspeisenden Stromes, bestimmt; und eine Länge des Nullintervalls der Rechteckspannung für die Primärwicklung nach Massgabe der Phasenlage der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird und nach Massgabe eines der entsprechenden Phase zu entnehmenden respektive einzuspeisenden Stromes bestimmt. Optional können dabei zusätzliche Randbedingungen berücksichtigt werden, beispielsweise um ein bestimmtes Schaltverhalten (weiches Schalten respektive Soft-Switching) zu erreichen.In one embodiment of the method, a square-wave voltage with or without a zero interval is applied to each of the primary windings with the clock period. It will a relative phase of the individual square voltages for a particular primary winding in accordance with the phase position of the phase voltage, which this primary winding is switched and determined in accordance with one of the corresponding phase to be taken respectively current to be fed; and a length of the zero interval of the square-wave voltage for the primary winding in accordance with the phase position of the phase voltage, which is connected to this primary winding and determined in accordance with the respective phase to be taken respectively to be fed stream. Optionally, additional boundary conditions can be taken into account, for example in order to achieve a specific switching behavior (soft switching or soft switching).

[0029] Falls keine Nullintervalle geschaltet werden, wird nur die Phasenlage der Rechteckspannungen als Steuergrösse verwendet. Falls Nullintervalle geschaltet werden, und dadurch weitere Steuergrössen bilden, müssen – falls die Ströme in den Phasen gleich bleiben sollen – die Phasenlagen der einzelnen Rechteckspannungen angepasst werden. Die Einstellung der Nullintervalle ist also an die Phasenlage gekoppelt. Durch Verstellung der Nullintervalle ist es aber zusätzlich möglich, weitere Randbedingungen wie beispielsweise Bedingungen an den taktfrequenten Stromverlauf zum verlustarmen Schalten (weiches Schalten respektive Soft-Switching) zu erfüllen. Dabei wird bei Änderung des Nullintervalles einer der Rechteckspannungen die entsprechende Phasenlage so angepasst, dass den Phasen weiterhin ein vorgegebener Strom entnommen respektive eingespeist wird und die mit dem Nullintervall verbundene Randbedingung erfüllt wird. Die Länge des Nullintervalls stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar und führt auf eine zusätzliche Gleichung zur Erfüllung der Randbedingung. Durch Lösen des Gleichungssystems, welches für jede Phase des AC-Ports über die vorgegebene zu entnehmende oder einzuspeisende Scheinleistung sowie für die zusätzlich zu erfüllenden Randbedingungen die entsprechenden Gleichungen bereitstellt, lassen sich die Phasenlagen sowie die Nullintervalle zu jedem Zeitpunkt der Grundperiode berechnen. If no zero intervals are switched, only the phase position of the rectangular voltages is used as the control variable. If zero intervals are switched and thus form further control variables, if the currents in the phases are to remain the same, the phase positions of the individual square-wave voltages must be adjusted. The setting of the zero intervals is thus coupled to the phase position. By adjusting the zero intervals but it is also possible to meet other conditions such as conditions on the clock frequency current waveform for low-loss switching (soft switching or soft switching). In this case, when changing the zero interval of one of the square-wave voltages, the corresponding phase position is adjusted so that the phases continue to be taken or fed a predetermined current and the boundary condition associated with the zero interval is met. The length of the zero interval represents an additional degree of freedom and leads to an additional equation for satisfying the boundary condition. By solving the system of equations, which provides the corresponding equations for each phase of the AC port via the given apparent power to be extracted or injected and for the additional boundary conditions to be met, the phase positions and the zero intervals can be calculated at any time of the fundamental period.

[0030] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird eine gemeinsame Phasenlage der Rechteckspannungen bezüglich einer Rechteckspannung eines Schaltnetzwerkes für einen DC-Port zu einem DC-Netz respektive bezüglich einer Gruppe von Rechteckspannungen von Schaltnetzwerken für einen AC-Port zu einem AC-Netz nach Massgabe eines gewünschten Leistungsflusses zu oder von diesem DC-Port respektive AC-Port bestimmt. Entsprechend der gegenseitigen Phasenlage der Rechteckspannungen an den verschiedenen Ports stellt sich der Leistungsfluss zwischen den Ports ein. Liegen nur je ein AC-Port und ein DC-Port vor, so ist die Phasenlage der Rechteckspannungen für Schaltnetzwerke an den Primärwicklungen am AC-Port bezüglich der Rechteckspannung eines Schaltnetzwerkes für den DC-Port so zu wählen, so dass sich ein gewünschter Leistungsfluss zu oder von diesem DC-Port einstellt. Liegen zwei AC-Ports und ein DC-Port vor, so können die Rechteckspannungen für die beiden AC-Ports unabhängig voneinander mit Bezug auf den DC-Port und ausgehend von vorgegebenen Leistungsflüssen zum/vom DC-Port bestimmt werden. Der entsprechende Leistungsfluss zwischen den AC-Ports stellt sich dann automatisch ein. In one embodiment variant of the method, a common phase position of the square-wave voltages with respect to a square-wave voltage of a switching network for a DC port to a DC network or with respect to a group of square-wave voltages of switching networks for an AC port to an AC network in accordance with desired power flow to or from this DC port or AC port. Corresponding to the mutual phase position of the square-wave voltages at the different ports, the power flow between the ports adjusts. If only one AC port and one DC port are present, then the phase position of the square-wave voltages for switching networks at the primary windings at the AC port must be selected with respect to the square-wave voltage of a switching network for the DC port, so that a desired power flow to or from this DC port. If there are two AC ports and one DC port, the square-wave voltages for the two AC ports can be determined independently of each other with respect to the DC port and based on predetermined power flows to / from the DC port. The corresponding power flow between the AC ports then adjusts automatically.

[0031] Die Erzeugung der Phasenlagen der Rechteckspannungen kann geschehen, indem für jede von beispielsweise drei Rechteckspannungen aus einem Dreiphasensystem eine Steuerfunktion für die Phasenlage erzeugt wird. Dabei folgt der Wert der Steuerfunktion respektive der Phasenlage für eine bestimmte Primärwicklung einem zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf, und weist die Phasenlage dieses Verlaufs eine feste Phasenverschiebung bezüglich des Verlaufes der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird, auf. Die relative Phasenlage der beispielsweise drei Steuerfunktionen ergibt sich aus der geforderten Spannungs-Zeitfläche innerhalb einer halben Taktperiode der Summe der an den Primärwicklungen angelegten Spannungen. The generation of the phase positions of the rectangular voltages can be done by a control function for the phase angle is generated for each of, for example, three rectangular voltages from a three-phase system. In this case, the value of the control function or the phase position for a particular primary winding follows an at least approximately sinusoidal profile, and the phase position of this curve has a fixed phase shift with respect to the course of the phase voltage which is connected to this primary winding. The relative phase of, for example, three control functions results from the required voltage-time area within half a clock period of the sum of the voltages applied to the primary windings.

[0032] Für alle Varianten des Verfahrens gilt, dass aufgrund der hochfrequenten Taktung (bezogen auf die Grundfrequenz(en) der angeschlossenen Netze) der Schaltnetzwerke die Phasenspannungen über eine Taktperiode als im Wesentlichen konstant betrachtet werden können. Im Verlauf einer Grundperiode variieren die Phasenspannungen in bekannter Weise, und es wird die vorgegebene Spannungs-Zeitfläche, oder die vorgegebene Amplitude der Grundwelle der Summenspannung, aus diesen einzelnen Phasenspannungen zusammengesetzt. Die Amplitude der Grundwelle dieser Zusammensetzung weist ein annähernd konstantes Verhältnis zum vorgegebenen Wert auf, um den Wirkungsgrad hoch zu halten. For all variants of the method applies that due to the high-frequency clocking (based on the fundamental frequency (s) of the connected networks) of the switching networks, the phase voltages over a clock period can be considered as substantially constant. In the course of a fundamental period, the phase voltages vary in a known manner, and the predetermined voltage-time area, or the predetermined amplitude of the fundamental voltage of the sum voltage, is composed of these individual phase voltages. The amplitude of the fundamental wave of this composition has an approximately constant ratio to the predetermined value in order to keep the efficiency high.

[0033] Weitere Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Dabei sind Merkmale der Verfahrensansprüche sinngemäss mit den Vorrichtungsansprüchen kombinierbar und umgekehrt. Further embodiments will become apparent from the dependent claims. Characteristics of the method claims are analogously combined with the device claims and vice versa.

[0034] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: <tb>Fig. 1<sep>eine Konverterschaltung mit zwei AC-Ports und einem DC-Port; <tb>Fig. 2<sep>den zeitlichen Verlauf einer Rechteckspannung; <tb>Fig. 3 bis 5<sep>Schaltnetzwerke für AC-Ports; <tb>Fig. 6 bis 8<sep>Schaltnetzwerke für DC-Ports; <tb>Fig. 9<sep>Signalverläufe während zweier Taktperioden; <tb>Fig. 10<sep>eine Transformatoranordnung mit einzelnen Zweiwicklungs-Transformatoren; <tb>Fig. 11<sep>eine Transformatoranordnung mit einem Vierwicklungs-Transformator; <tb>Fig. 12<sep>eine Konverterschaltung mit zusammengefassten Sekundärwicklungen; <tb>Fig. 13<sep>Steuerfunktionen für die Phasenverschiebungen von Rechteckspannungen eines AC-Ports; <tb>Fig. 14<sep>eine Konverterschaltung mit einzelnen Dreiwicklungs-Transformatoren; <tb>Fig. 15<sep>eine Konverterschaltung mit einem Siebenwicklungs-Transformator; <tb>Fig. 16<sep>einen Siebenwicklungs-Transformator; <tb>Fig. 17<sep>eine Konverterschaltung mit einem AC-Port und einem DC-Port und einzelnen Zweiwicklungs-Transformatoren; und <tb>Fig. 18<sep>eine Konverterschaltung mit einem AC-Port und einem DC-Port und einem Vierwicklungs-Transformator.In the following the invention with reference to embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically: <Tb> FIG. 1 <sep> a converter circuit with two AC ports and one DC port; <Tb> FIG. 2 <sep> the time course of a square-wave voltage; <Tb> FIG. 3 to 5 <sep> switching networks for AC ports; <Tb> FIG. 6 to 8 <sep> switching networks for DC ports; <Tb> FIG. 9 <sep> waveforms during two clock periods; <Tb> FIG. 10 <sep> a transformer arrangement with individual two-winding transformers; <Tb> FIG. FIG. 11 shows a transformer arrangement with a four-winding transformer; FIG. <Tb> FIG. 12 <sep> a converter circuit with combined secondary windings; <Tb> FIG. 13 <sep> Control functions for the phase shifts of square-wave voltages of an AC port; <Tb> FIG. 14 <sep> a converter circuit with individual three-winding transformers; <Tb> FIG. 15 <sep> a converter circuit with a seven-winding transformer; <Tb> FIG. 16 <sep> a seven-winding transformer; <Tb> FIG. 17 <sep> a converter circuit having an AC port and a DC port and single two-winding transformers; and <Tb> FIG. 18 <sep> a converter circuit having an AC port and a DC port and a four-winding transformer.

[0035] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.

[0036] Für Multi-Port Konverter führen grosse Differenzen in den an den Wicklungen des Transformators über eine halbe Taktperiode angelegten Spannungszeitflächen (was den Spitzenwerten der magnetischen Flussverkettungen entspricht) zu hohen Strömen in den Wicklungen was mit hohen Leitverlusten und einer damit beschränkten Effizienz des Konverters verbunden ist. Dies tritt gerade im Fall von stark unterschiedlichen niederfrequenten AC-Spannungen an den Ports eines Multi-Port Konverters auf, da die zu einem bestimmten Zeitpunkt maximal zur Steuerung zur Verfügung stehende Spannung, welche an die Wicklungen angelegt werden kann, starken Schwankungen unterworfen ist. For multi-port converters, large differences in the voltage-time areas applied to the windings of the transformer over half a clock period (which corresponds to peak magnetic flux linkages) lead to high currents in the windings, resulting in high conduction losses and limited converter efficiency connected is. This occurs in the case of very different low-frequency AC voltages at the ports of a multi-port converter, since the maximum available for control at a certain time voltage which can be applied to the windings, is subject to strong fluctuations.

[0037] Weist nun aber die Summe der an die Wicklungen von mehreren AC-Ports maximal möglich anzulegenden Spannungen über eine halbe Taktperiode einen über die Zeit mindestens annähernd konstanten Wert auf, kann ein mehrphasiger AC-Port direkt mit einem DC-Port über einen magnetischen Kreis gekoppelt werden, ohne dass übermässig hohe Ströme in den Wicklungen auftreten. Über die Zeit steht dann zumindest annähernd eine konstante Summe der an die Primärwicklungen angelegten Spannungszeitflächen innerhalb einer halben Taktperiode zur Steuerung zur Verfügung. Die Amplitude der Grundwelle der Summe der Windungsflüsse der AC-Ports weist ein mindestens annähernd konstantes Verhältnis zur Amplitude der Grundwelle des Windungsflusses des DC-Ports auf. Die Addition der Windungsflüsse der AC-Ports kann über einen wie in Fig. 10beispielhaft dargestellten magnetischen Kreis realisiert werden, indem die Sekundärwicklungen der Zweiwicklungs-Transformatoren pro AC-Port in Serie geschaltet werden. Dies führt auf eine erste Ausführungsform eines einstufigen direkten Multi-Port Konverters mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port, wie in Fig. 1dargestellt. If, however, the sum of the voltages to be applied to the windings of a plurality of AC ports is at most approximately constant over a period of half a clock period, a multiphase AC port can be directly connected to a DC port via a magnetic input Be coupled circle without excessively high currents occur in the windings. Over time, then, at least approximately a constant sum of the voltage time surfaces applied to the primary windings is available for control within half a clock period. The amplitude of the fundamental wave of the sum of the turns of the AC ports has an at least approximately constant ratio to the amplitude of the fundamental wave of the winding flux of the DC port. The addition of the winding currents of the AC ports can be realized via a magnetic circuit as exemplified in FIG. 10 by connecting the secondary windings of the two-winding transformers per AC port in series. This leads to a first embodiment of a single-stage direct multi-port converter with two multi-phase AC ports and a DC port, as shown in Fig. 1.

1. Multi-Port Konverter mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port mittels sechs Zweiwicklungs- oder zwei Vierwicklungs-Transformatoren1. Multi-port converter with two multi-phase AC ports and one DC port using six two-winding or two four-winding transformers

Beschreibungdescription

[0038] In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Topologie eines bidirektionalen, galvanisch getrennten Multi-Port Konverters mit zwei mehrphasigen AC-Ports 201, 202 und einem DC-Port 203 dargestellt, welche ein erstes 1, ein zweites 2, ein drittes 3, ein viertes 4, ein fünftes 5, ein sechstes 6 und ein siebtes 7 Schaltnetzwerk, eine Primärwicklung 8 sowie eine Sekundärwicklung 9 eines ersten, eine Primärwicklung 10 sowie eine Sekundärwicklung 11 eines zweiten, eine Primärwicklung 12 sowie eine Sekundärwicklung 13 eines dritten, eine Sekundärwicklung 14 sowie eine Primärwicklung 15 eines vierten, eine Sekundärwicklung 16 sowie eine Primärwicklung 17 eines fünften und eine Sekundärwicklung 18 sowie eine Primärwicklung 19 eines sechsten Transformators aufweist. In Fig. 1, a first embodiment of the topology of a bidirectional, galvanically isolated multi-port converter with two multi-phase AC ports 201, 202 and a DC port 203 is shown, which a first 1, a second 2, a third 3, a fourth 4, a fifth 5, a sixth 6 and a seventh 7 switching network, a primary winding 8 and a secondary winding 9 of a first, a primary winding 10 and a secondary winding 11 of a second, a primary winding 12 and a secondary winding 13 of a third, a Secondary winding 14 and a primary winding 15 of a fourth, a secondary winding 16 and a primary winding 17 of a fifth and a secondary winding 18 and a primary winding 19 of a sixth transformer.

[0039] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an einem ersten Anschluss 20 über eine erste Leitung 21 an einem ersten Anschlusspunkt 22 eines ersten AC-Netzes, an einem zweiten Anschluss 23 über eine zweite Leitung 24 an einem ersten Anschluss 25 der Primärwicklung 8 des ersten Transformators, an einem dritten Anschluss 26 über eine dritte Leitung 27 an einem zweiten Anschluss 28 der Primärwicklung 8 des ersten Transformators und an einem vierten Anschluss 29 über eine vierte Leitung 30 mit einem ersten Anschluss 31 des zweiten Schaltnetzwerks 2 und einem ersten Anschluss 32 des dritten Schaltnetzwerks 3 verbunden. The first switching network 1 is connected to a first terminal 20 via a first line 21 at a first connection point 22 of a first AC network, at a second terminal 23 via a second line 24 at a first terminal 25 of the primary winding 8 of the first transformer at a third terminal 26 via a third line 27 at a second terminal 28 of the primary winding 8 of the first transformer and at a fourth terminal 29 via a fourth line 30 to a first terminal 31 of the second switching network 2 and a first terminal 32 of the third switching network 3 connected.

[0040] Das zweite Schaltnetzwerk 2 ist an einem zweiten Anschluss 33 über eine fünfte Leitung 34 mit einem zweiten Anschlusspunkt 35 des ersten AC-Netzes, an einem dritten Anschluss 36 über eine sechste Leitung 37 mit einem ersten Anschluss 38 der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators und an einem vierten Anschluss 39 über eine siebte Leitung 40 mit einem zweiten Anschluss 41 der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators verbunden. The second switching network 2 is connected to a second terminal 33 via a fifth line 34 to a second connection point 35 of the first AC network, to a third terminal 36 via a sixth line 37 to a first terminal 38 of the primary winding 10 of the second transformer and connected at a fourth terminal 39 via a seventh line 40 to a second terminal 41 of the primary winding 10 of the second transformer.

[0041] Das dritte Schaltnetzwerk 3 ist an einem zweiten Anschluss 42 über eine achte Leitung 43 mit einem dritten Anschlusspunkt 44 des ersten AC-Netzes, an einem dritten Anschluss 45 über eine neunte Leitung 46 mit einem ersten Anschluss 47 der Primärwicklung 12 des dritten Transformators und an einem vierten Anschluss 48 über eine zehnte Leitung 49 mit einem zweiten Anschluss 50 der Primärwicklung 12 des dritten Transformators verbunden. The third switching network 3 is connected to a second connection 42 via an eighth line 43 to a third connection point 44 of the first AC network, to a third connection 45 via a ninth line 46 to a first connection 47 of the primary winding 12 of the third transformer and connected at a fourth terminal 48 via a tenth line 49 to a second terminal 50 of the primary winding 12 of the third transformer.

[0042] Die Sekundärwicklung 9 des ersten Transformators ist an einem ersten Anschluss 51 über eine elfte Leitung 52 mit einem ersten Anschluss 53 der Sekundärwicklung 14 des vierten Transformators und einem ersten Anschluss 54 des siebten Schaltnetzwerks 7 verbunden sowie an einem zweiten Anschluss 55 über eine zwölfte Leitung 56 mit einem ersten Anschluss 57 der Sekundärwicklung 11 des zweiten Transformators verbunden. The secondary winding 9 of the first transformer is connected at a first terminal 51 via an eleventh line 52 to a first terminal 53 of the secondary winding 14 of the fourth transformer and a first terminal 54 of the seventh switching network 7 and at a second terminal 55 via a twelfth Line 56 is connected to a first terminal 57 of the secondary winding 11 of the second transformer.

[0043] Die Sekundärwicklung 11 des zweiten Transformators ist an einem zweiten Anschluss 58 über eine dreizehnte Leitung 59 mit einem ersten Anschluss 60 der Sekundärwicklung 13 des dritten Transformators verbunden. The secondary winding 11 of the second transformer is connected at a second terminal 58 via a thirteenth line 59 to a first terminal 60 of the secondary winding 13 of the third transformer.

[0044] Die Sekundärwicklung 13 des dritten Transformators ist an einem zweiten Anschluss 61 über eine vierzehnte Leitung 62 mit einem zweiten Anschluss 63 des siebten Schaltnetzwerks 7 und einem ersten Anschluss 64 der Sekundärwicklung 18 des sechsten Transformators verbunden. The secondary winding 13 of the third transformer is connected at a second terminal 61 via a fourteenth line 62 to a second terminal 63 of the seventh switching network 7 and a first terminal 64 of the secondary winding 18 of the sixth transformer.

[0045] Die Sekundärwicklung 14 des vierten Transformators ist an einem zweiten Anschluss 65 über eine fünfzehnte Leitung 66 mit einem ersten Anschluss 67 der Sekundärwicklung 16 des fünften Transformators verbunden. The secondary winding 14 of the fourth transformer is connected at a second terminal 65 via a fifteenth line 66 to a first terminal 67 of the secondary winding 16 of the fifth transformer.

[0046] Die Sekundärwicklung 16 des fünften Transformators ist an einem zweiten Anschluss 68 über eine sechzehnte Leitung 69 mit einem zweiten Anschluss 70 der Sekundärwicklung 18 des sechsten Transformators verbunden. The secondary winding 16 of the fifth transformer is connected at a second terminal 68 via a sixteenth line 69 to a second terminal 70 of the secondary winding 18 of the sixth transformer.

[0047] Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an einem ersten Anschluss 71 über eine siebzehnte Leitung 72 mit einem ersten Anschluss 73 der Primärwicklung 15 des vierten Transformators, an einem zweiten Anschluss 74 über eine achtzehnte Leitung 75 mit einem zweiten Anschluss 76 der Primärwicklung 15 des vierten Transformators, an einem dritten Anschluss 77 über eine neunzehnte Leitung 78 mit einem ersten Anschlusspunkt 79 eines zweiten AC-Netzes und an einem vierten Anschluss 80 über eine zwanzigste Leitung 81 mit einem ersten Anschluss 82 des fünften Schaltnetzwerks 5 und einem ersten Anschluss 83 des sechsten Schaltnetzwerks 6 verbunden. Das fünfte Schaltnetzwerk 5 ist an einem zweiten Anschluss 84 über eine einundzwanzigste Leitung 85 mit einem ersten Anschluss 86 der Primärwicklung 17 des fünften Transformators, an einem dritten Anschluss 87 über eine zweiundzwanzigste Leitung 88 mit einem zweiten Anschluss 89 der Primärwicklung 17 des fünften Transformators und an einem vierten Anschluss 90 über eine dreiundzwanzigste Leitung 91 mit einem zweiten Anschlusspunkt 92 des zweiten AC-Netzes verbunden. Das sechste Schaltnetzwerk 6 ist an einem zweiten Anschluss 93 über eine vierundzwanzigste Leitung 94 mit einem ersten Anschluss 95 der Primärwicklung 19 des sechsten Transformators, an einem dritten Anschluss 96 über eine fünfundzwanzigste Leitung 97 mit einem zweiten Anschluss 98 der Primärwicklung 19 des sechsten Transformators und an einem vierten Anschluss 99 über eine sechsundzwanzigste Leitung 100 mit einem dritten Anschlusspunkt 101 des zweiten AC-Netzes verbunden. The fourth switching network 4 is connected at a first terminal 71 via a seventeenth line 72 to a first terminal 73 of the primary winding 15 of the fourth transformer, at a second terminal 74 via an eighteenth line 75 to a second terminal 76 of the primary winding 15 of the fourth Transformer, at a third terminal 77 via a nineteenth line 78 to a first terminal point 79 of a second AC network and at a fourth terminal 80 via a twentieth line 81 to a first terminal 82 of the fifth switching network 5 and a first terminal 83 of the sixth switching network 6 connected. The fifth switching network 5 is connected to a second terminal 84 via a twenty-first line 85 to a first terminal 86 of the primary winding 17 of the fifth transformer, to a third terminal 87 via a twenty-second line 88 to a second terminal 89 of the primary winding 17 of the fifth transformer and to a fourth terminal 90 connected via a twenty-third line 91 to a second connection point 92 of the second AC network. The sixth switching network 6 is connected to a second terminal 93 via a twenty-fourth line 94 to a first terminal 95 of the primary winding 19 of the sixth transformer, to a third terminal 96 via a twenty-fifth line 97 to a second terminal 98 of the primary winding 19 of the sixth transformer and to a fourth terminal 99 connected via a twenty-sixth line 100 to a third terminal 101 of the second AC network.

[0048] Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einem dritten Anschluss 102 über eine siebenundzwanzigste Leitung 103 mit einem ersten Anschlusspunkt 104 eines DC-Ports 203 zu einem DC-Netz und an einem vierten Anschluss 105 über eine achtundzwanzigste Leitung 106 mit einem zweiten Anschlusspunkt 107 des DC-Ports 203 verbunden. The seventh switching network 7 is connected to a third terminal 102 via a twenty-seventh line 103 to a first connection point 104 of a DC port 203 to a DC network and to a fourth connection 105 via a twenty-eight line 106 to a second connection point 107 of DC ports 203 connected.

[0049] Es sind in den Figuren die Anschlüsse 23, 26, 36, 39, 45, 48, 71, 74, 84, 87, 93, 96, 54, 63 der Schaltnetzwerke, welche an die Transformatorwicklungen geschaltet sind, als hochfrequente oder HF-Anschlüsse bezeichnet, und es sind die Anschlüsse 20, 29, 31, 33, 32, 42, 77, 80, 82, 90, 83, 99, 102, 105 der Schaltnetzwerke, welche an das jeweilige AC-Netz oder DC-Netz geschaltet sind, als niederfrequente oder NF-Anschlüsse bezeichnet. Die NF-Anschlüsse bilden also die AC-Ports 201, 202 oder DC-Ports 203. Bei den AC-Ports 201, 202 sind die NF-Anschlüsse beispielhaft in einer Sternschaltung miteinander verbunden. Der Sternpunkt kann beispielsweise offen gelassen werden oder direkt oder über eine Impedanz mit dem Neutralleiter des AC-Netzes verbunden werden. In the figures, the terminals 23, 26, 36, 39, 45, 48, 71, 74, 84, 87, 93, 96, 54, 63 of the switching networks, which are connected to the transformer windings, as high-frequency or RF terminals, and it is the terminals 20, 29, 31, 33, 32, 42, 77, 80, 82, 90, 83, 99, 102, 105 of the switching networks, which to the respective AC network or DC Power are connected, referred to as low-frequency or low-frequency connections. The LF connections thus form the AC ports 201, 202 or DC ports 203. In the case of the AC ports 201, 202, the LF connections are connected to each other, for example, in a star connection. For example, the star point may be left open or connected directly or through an impedance to the neutral of the AC grid.

[0050] Die Schaltnetzwerke weisen hochfrequent getaktete Schaltelemente mit einer Taktperiode TS auf und erzeugen vorteilhaft Rechteckspannungen mit oder ohne Nullintervall mit einer Länge T0 (wie in Fig. 2gezeigt), welche an die Wicklungen der Transformatoren angelegt werden. Im Folgenden wird unter dem Begriff «Rechteckspannung» ein Spannungssignal gemäss Fig. 2 mit einem positiven und einem negativen Spannungsblock, und mit oder ohne einem dazwischen liegendem Nullintervall verstanden. Die erzeugten Spannungssignale unterschiedlicher Schaltnetzwerke weisen dabei eine im Prinzip beliebige, vorgebbare Phasenlage zueinander auf. Im Folgenden sind verschiedene Ausführungsformen der Schaltnetzwerke beschrieben. The switching networks have high-frequency clocked switching elements with a clock period TS and advantageously generate square-wave voltages with or without zero interval with a length T0 (as shown in Figure 2) applied to the windings of the transformers. In the following, the term "square-wave voltage" is understood to mean a voltage signal according to FIG. 2 with a positive and a negative voltage block, and with or without a zero interval lying between them. The generated voltage signals of different switching networks in this case have a basically arbitrary, specifiable phase relationship to one another. In the following, various embodiments of the switching networks are described.

[0051] Eine erste mögliche Ausführung des ersten 1, zweiten 2, dritten 3, vierten 4, fünften 5 und sechsten 6 Schaltnetzwerks zeigt Fig. 3. Das Schaltnetzwerk weist einen ersten 108 und einen zweiten 109 Kondensator auf sowie ein erstes 110, ein zweites 111, ein drittes 112 und ein viertes 113 unidirektional oder bidirektional leitendes Schaltelement. Weiterhin hat das erste Schaltelement eine erste 114, das zweite Schaltelement eine zweite 115, das dritte Schaltelement eine dritte 116 und das vierte Schaltelement eine vierte 117 Diode parallel angeordnet. Zudem weist das erste Schaltelement eine erste 118, das zweite Schaltelement eine zweite 119, das dritte Schaltelement eine dritte 120 und das vierte Schaltelement eine vierte 121 parasitäre Kapazität auf, welche jeweils die beiden geschalteten Kontakte überbrückt. Bei der Verwendung von bidirektional leitenden und sperrenden Schaltelementen sind die Dioden nicht vorhanden. Eine parasitäre Kapazität zwischen den Anschlusspunkten ist vorhanden. Die parasitäre Kapazität ermöglicht ein Ausschalten bei reduzierter Spannung über dem Schaltelement (weiches Schalten respektive Soft-Switching). Hier wie auch in der nachfolgenden Beschreibung bilden ein Schaltelement, die parasitäre Kapazität und optional eine Diode, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Elementen, eine Schalteinheit 204. A first possible embodiment of the first 1, second 2, third 3, fourth 4, fifth 5 and sixth 6 switching network is shown in FIG. 3. The switching network has a first 108 and a second 109 capacitor and a first 110, a second 111, a third 112 and a fourth 113 unidirectionally or bidirectionally conducting switching element. Furthermore, the first switching element has a first 114, the second switching element has a second 115, the third switching element has a third 116, and the fourth switching element has a fourth 117 diode arranged in parallel. In addition, the first switching element has a first 118, the second switching element has a second 119, the third switching element has a third 120 and the fourth switching element has a fourth parasitic capacitance 121 which bridges the two switched contacts. When using bidirectionally conductive and blocking switching elements, the diodes are not present. There is a parasitic capacitance between the connection points. The parasitic capacitance allows a switch-off at reduced voltage across the switching element (soft switching or soft-switching). Here as well as in the following description, a switching element, the parasitic capacitance and optionally a diode, optionally in combination with further elements, form a switching unit 204.

[0052] Der erste Kondensator 108 ist an einem ersten Anschluss 122 über eine erste Leitung 123 mit einem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124 und einem ersten Anschluss 125 des ersten Schaltelements 110 verbunden. Der erste Kondensator 108 ist an einem zweiten Anschluss 126 über eine zweite Leitung 127 mit einem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128 und einem ersten Anschluss 129 des zweiten Kondensators 109 verbunden. Der zweite Kondensator 109 ist an einem zweiten Anschluss 130 über eine dritte Leitung 131 mit einem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132 und einem ersten Anschluss 133 des vierten Schaltelements 113 verbunden. Das erste Schaltelement 110 ist an einem zweiten Anschluss 134 über eine vierte Leitung 135 mit einem ersten Anschluss 136 des zweiten Schaltelements 111 verbunden. Das zweite Schaltelement 111 ist an einem zweiten Anschluss 137 über eine fünfte Leitung 138 mit einem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139 und einem ersten Anschluss 140 des dritten Schaltelements 112 verbunden. Das dritte Schaltelement 112 ist an einem zweiten Anschluss 141 über eine sechste Leitung 142 mit einem zweiten Anschluss 143 des vierten Schaltelements 113 verbunden. The first capacitor 108 is connected at a first terminal 122 via a first line 123 to a first low-frequency connection point 124 and a first connection 125 of the first switching element 110. The first capacitor 108 is connected at a second terminal 126 via a second line 127 to a first high-frequency connection point 128 and a first connection 129 of the second capacitor 109. The second capacitor 109 is connected at a second terminal 130 via a third line 131 to a second low-frequency connection point 132 and a first connection 133 of the fourth switching element 113. The first switching element 110 is connected to a second terminal 134 via a fourth line 135 to a first terminal 136 of the second switching element 111. The second switching element 111 is connected at a second terminal 137 via a fifth line 138 to a second high-frequency connection point 139 and a first connection 140 of the third switching element 112. The third switching element 112 is connected to a second terminal 141 via a sixth line 142 to a second terminal 143 of the fourth switching element 113.

[0053] Die Kathode der ersten Diode 114 ist mit dem ersten Anschluss 125 des ersten Schaltelements 110 verbunden. Die Kathode der zweiten Diode 115 ist mit dem zweiten Anschluss 137 des zweiten Schaltelements 111 verbunden. Die Kathode der dritten Diode 116 ist mit dem ersten Anschluss 140 des dritten Schaltelements 112 verbunden. Die Kathode der vierten Diode 117 ist mit dem ersten Anschluss 133 des vierten Schaltelements 113 verbunden. Zwei in Serie geschaltete Schaltelemente liegen antiseriell zueinander, sodass die Serienschaltung für positive und negative Spannungen zwischen dem ersten 124 und dem zweiten 132 niederfrequenten Anschlusspunkt Sperrspannung aufnehmen und somit Strom sperren kann. Die antiserielle Verschaltung zweier unidirektional sperrender Schaltelemente kann alternativ mittels eines bidirektionalen Schaltelements realisiert werden. Ein Schaltelement ist ein steuerbares Halbleiterventil wie zum Beispiel ein MOSFET oder ein IGBT. The cathode of the first diode 114 is connected to the first terminal 125 of the first switching element 110. The cathode of the second diode 115 is connected to the second terminal 137 of the second switching element 111. The cathode of the third diode 116 is connected to the first terminal 140 of the third switching element 112. The cathode of the fourth diode 117 is connected to the first terminal 133 of the fourth switching element 113. Two series-connected switching elements are antiserially to each other, so that the series circuit for positive and negative voltages between the first 124 and the second low-frequency 132 connection point record blocking voltage and thus can block power. The antiserial interconnection of two unidirectionally blocking switching elements can alternatively be realized by means of a bidirectional switching element. A switching element is a controllable semiconductor valve such as a MOSFET or an IGBT.

[0054] Der erste Anschluss 20 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der vierte Anschluss 29 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der zweite Anschluss 23 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der dritte Anschluss 26 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The first terminal 20 of the first switching network 1 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The fourth connection 29 of the first switching network 1 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The second connection 23 of the first switching network 1 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 26 of the first switching network 1 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0055] Der zweite Anschluss 33 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 31 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der dritte Anschluss 36 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der vierte Anschluss 39 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The second terminal 33 of the second switching network 2 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The first connection 31 of the second switching network 2 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The third connection 36 of the second switching network 2 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 39 of the second switching network 2 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0056] Der zweite Anschluss 42 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 32 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der dritte Anschluss 45 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der vierte Anschluss 48 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The second connection 42 of the third switching network 3 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The first connection 32 of the third switching network 3 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The third connection 45 of the third switching network 3 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 48 of the third switching network 3 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0057] Der dritte Anschluss 77 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der vierte Anschluss 80 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der erste Anschluss 71 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der zweite Anschluss 74 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The third terminal 77 of the fourth switching network 4 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The fourth connection 80 of the fourth switching network 4 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The first connection 71 of the fourth switching network 4 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 74 of the fourth switching network 4 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0058] Der vierte Anschluss 90 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 82 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der zweite Anschluss 84 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der dritte Anschluss 87 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The fourth terminal 90 of the fifth switching network 5 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The first connection 82 of the fifth switching network 5 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The second connection 84 of the fifth switching network 5 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 87 of the fifth switching network 5 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0059] Der vierte Anschluss 99 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 83 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der zweite Anschluss 93 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der dritte Anschluss 96 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The fourth terminal 99 of the sixth switching network 6 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The first connection 83 of the sixth switching network 6 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The second connection 93 of the sixth switching network 6 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 96 of the sixth switching network 6 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0060] Der dritte Anschluss 102 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der vierte Anschluss 105 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der erste Anschluss 54 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der zweite Anschluss 63 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128. The third terminal 102 of the seventh switching network 7 corresponds to the first low-frequency connection point 124. The fourth connection 105 of the seventh switching network 7 corresponds to the second low-frequency connection point 132. The first connection 54 of the seventh switching network 7 corresponds to the second high-frequency connection point 139 Terminal 63 of the seventh switching network 7 corresponds to the first high-frequency connection point 128.

[0061] Eine zweite mögliche Ausführung des ersten 1, zweiten 2, dritten 3, vierten 4, fünften 5 und sechsten Schaltnetzwerks 6 zeigt Fig. 4. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter H-Brücken- respektive Vollbrücken-Schaltung bekannt. A second possible embodiment of the first 1, second 2, third 3, fourth 4, fifth 5 and sixth switching network 6 is shown in FIG. 4. This embodiment is known in the literature under H-bridge or full-bridge circuit.

[0062] Eine dritte mögliche Ausführung des ersten 1, zweiten 2, dritten 3, vierten 4, fünften 5 und sechsten Schaltnetzwerks 6 zeigt Fig. 5. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter T-Type-Schaltung bekannt. A third possible embodiment of the first 1, second 2, third 3, fourth 4, fifth 5 and sixth switching network 6 is shown in FIG. 5. This embodiment is known in the T-type circuit literature.

[0063] Eine erste mögliche Ausführung des siebten Schaltnetzwerks 7 zeigt Fig. 6. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter Halbbrücken-Schaltung bekannt. A first possible embodiment of the seventh switching network 7 is shown in FIG. 6. This embodiment is known in the literature under half-bridge circuit.

[0064] Eine zweite mögliche Ausführung des siebten Schaltnetzwerks 7 zeigt Fig. 7. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter H-Brücken- respektive Vollbrücken-Schaltung bekannt. A second possible embodiment of the seventh switching network 7 is shown in FIG. 7. This embodiment is known in the literature under H-bridge or full-bridge circuit.

[0065] Eine dritte mögliche Ausführung des siebten Schaltnetzwerks 7 zeigt Fig. 8. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter T-Type-Schaltung bekannt. A third possible embodiment of the seventh switching network 7 is shown in FIG. 8. This embodiment is known in the literature under T-type switching.

Funktionsweisefunctionality

[0066] Über die Serienschaltung der Sekundärwicklungen 9, 11, 13 des ersten, zweiten und dritten Transformators werden die an den Primärwicklungen 8, 10, 12 eingeprägten Rechteckspannungen, deren Amplituden mit der Netzfrequenz des ersten AC-Netzes variieren, nach ihrer Transformation summiert. About the series connection of the secondary windings 9, 11, 13 of the first, second and third transformers impressed on the primary windings 8, 10, 12 square-wave voltages whose amplitudes vary with the line frequency of the first AC network, summed after their transformation.

[0067] Eine von dem ersten Schaltnetzwerk erzeugte Spannung u1liegt zwischen dem zweiten Anschluss 23 und dem dritten Anschluss 26. Eine von dem zweiten Schaltnetzwerk erzeugte Spannung u2 liegt zwischen dem dritten Anschluss 36 und dem vierten Anschluss 39. Eine von dem dritten Schaltnetzwerk erzeugte Spannung u3 liegt zwischen dem dritten Anschluss 45 und dem vierten Anschluss 48. A voltage u1 generated by the first switching network lies between the second terminal 23 and the third terminal 26. A voltage u2 generated by the second switching network is between the third terminal 36 and the fourth terminal 39. A voltage u3 generated by the third switching network is located between the third port 45 and the fourth port 48.

[0068] Die von dem ersten, zweiten und dritten Schaltnetzwerk erzeugten Rechteckspannungen (u1, u2, u3) werden in ihrer Phasenlage vorteilhaft so zueinander verschoben, dass die Amplitude der taktfrequenten Grundwelle der Summation uΣ123 bezogen auf die DC-Seite zumindest annähernd ein über die Zeit konstantes Verhältnis zur Amplitude der taktfrequenten Grundwelle einer vom siebten Schaltnetzwerk erzeugten Rechteckspannung u7aufweist, wie in Fig. 9dargestellt. Die Spannung u7 des siebten Schaltnetzwerks tritt dabei zwischen dem ersten Anschluss 54 und dem zweiten Anschluss 63 auf. Über die Phasenverschiebung zwischen dem summierten Spannungssignal uΣ123und dem erzeugten Spannungssignal u7des siebten Schaltnetzwerks sowie deren Verhältnis der Amplituden der taktfrequenten Grundwelle wird der Leistungsfluss zum respektive vom DC-Port 203 über eine Taktperiode Tseingestellt. Dies erfolgt in Analogie zur bekannten Steuerung von Dual-Active-(Full-)Bridge oder Dual-Half-Bridge DC-DC Konvertern [11]. Die Streuung der Transformatoren wird hier ebenfalls als Energietransfer- und Entkopplungselement zwischen den angelegten Rechteckspannungen genutzt. Der sich einstellende Strom in den Sekundärwicklungen 9, 11, 13 des ersten, zweiten und dritten Transformators itist in Fig. 9 gezeigt. The square-wave voltages (u1, u2, u3) generated by the first, second and third switching network are advantageously shifted relative to one another in terms of their phase position such that the amplitude of the clock-frequency fundamental wave of the summation uΣ123 with respect to the DC side is at least approximately one over the Time constant ratio to the amplitude of the clock frequency fundamental wave of a square-wave voltage u7 generated by the seventh switching network, as shown in Fig. 9. The voltage u7 of the seventh switching network occurs between the first terminal 54 and the second terminal 63. Through the phase shift between the summed voltage signal uΣ123 and the generated voltage signal u7 of the seventh switching network and their ratio of the amplitudes of the clock frequency fundamental wave, the power flow to the DC port 203 is set over one clock period Tse. This is done analogously to the known control of dual-active (full) bridge or dual-half-bridge DC-DC converters [11]. The scattering of the transformers is also used here as an energy transfer and decoupling element between the applied square-wave voltages. The self-adjusting current in the secondary windings 9, 11, 13 of the first, second and third transformer is shown in FIG.

[0069] Die Summation der elektrischen Rechteckspannungen des ersten, zweiten und dritten Schaltnetzwerks (u1, u2, u3) entspricht magnetisch einer Addition der Windungsflüsse Φ1P, Φ2P, Φ3P durch die Serienschaltung der Sekundärwicklungen wie in Fig. 10dargestellt. Über das siebte Schaltnetzwerk 7 am DC-Port 203 wird durch das Einprägen einer Rechteckspannung die Summe der Windungsflüsse Φ1s, Φ2s, Φ3s vorgegeben. In Analogie zur elektrischen Beschreibung kann das Verfahren auch so beschrieben werden: es werden die Windungsflüsse der Primärwicklungen des ersten, zweiten und dritten Transformators (Φ1p, Φ2p, Φ3p) vorteilhaft so eingestellt, dass die Amplitude der taktfrequenten Grundwelle der summierten Windungsflüsse zumindest annähernd ein über die Zeit konstantes Verhältnis zur Amplitude der taktfrequenten Grundwelle des vom siebten Schaltnetzwerk eingeprägten Summenflusses Φ1s+Φ2s+Φ3saufweist. Durch diese Anpassung der Windungsflüsse werden die Streuflüsse der Transformatoren Φ1σ, Φ2σ, Φ3σ limitiert, um hohe Ströme in den Wicklungen der Transformatoren zu vermeiden. Die eben beschriebene Flussanpassung entspricht einer Anpassung der Spannungszeitfläche der Summenspannung uΣ123= U1+U2+U3an die Spannungszeitfläche der vom siebten Schaltnetzwerk 7 erzeugten Spannung u7 über eine halbe Taktperiode. Die beiden Spannungszeitflächen in einer halben Taktperiode sind in der Fig. 9schraffiert. Für die Anpassung der Spannungszeitflächen muss die Summe der Absolutwerte der Phasenspannungen des mehrphasigen AC-Ports 201, 202 über eine Netzperiode möglichst konstant sein. Im Fall eines dreiphasigen symmetrischen AC-Netzes weist diese Summe einen sechspulsigen Verlauf auf. The summation of the electrical square voltages of the first, second and third switching networks (u1, u2, u3) corresponds magnetically to an addition of the winding fluxes Φ1P, Φ2P, Φ3P through the series connection of the secondary windings as shown in FIG. Via the seventh switching network 7 on the DC port 203, the sum of the turns Φ1s, Φ2s, Φ3s is predetermined by impressing a square-wave voltage. In analogy to the electrical description, the method can also be described as follows: the turns of the primary windings of the first, second and third transformers (Φ1p, Φ2p, Φ3p) are advantageously set so that the amplitude of the clock-frequency fundamental wave of the summed turns flows at least approximately one over the time has constant relation to the amplitude of the clock frequency fundamental wave of the sum flux Φ1s + Φ2s + Φ3s impressed by the seventh switching network. This adaptation of the winding flux limits the leakage fluxes of the transformers Φ1σ, Φ2σ, Φ3σ in order to avoid high currents in the windings of the transformers. The flux adaptation just described corresponds to an adaptation of the voltage-time surface of the sum voltage uΣ123 = U1 + U2 + U3 to the voltage-time surface of the voltage u7 generated by the seventh switching network 7 over half a clock period. The two voltage time areas in half a clock period are hatched in FIG. 9. For the adaptation of the voltage time surfaces, the sum of the absolute values of the phase voltages of the multiphase AC port 201, 202 must be as constant as possible over a network period. In the case of a three-phase symmetrical AC network, this sum has a six-pulse course.

[0070] Für die bekannten DC-DC Konverterstrukturen wie Dual-Active-(Full-)Bridge oder Dual-Half-Bridge stellt das Ungleichgewicht der Amplituden der Grundwelle der primär- und sekundärseitig am Transformator angelegten Rechteckspannungen resp. der über eine halbe Taktperiode gerechneten primär- und sekundärseitigen Spannungszeitflächen, was magnetisch einem Ungleichgewicht der eingeprägten Windungsflüsse entspricht, eine wesentliche Limitierung des Spannungsübersetzungsverhältnisses hinsichtlich der Vermeidung hoher Wicklungsströme dar. Aus diesem Grund kann beispielsweise für einen einphasigen, galvanisch getrennten AC-DC Konverter die sekundärseitig am Transformator eingeprägte Rechteckspannung zusätzlich zur Phasenverschiebung gegenüber dem primärseitigen Spannungssignal in der Amplitude der Grundwelle moduliert werden. For the known DC-DC converter structures such as dual-active (full) bridge or dual-half bridge, the imbalance of the amplitudes of the fundamental wave of the primary and secondary side applied to the transformer square voltages resp. the calculated over half a clock period primary and secondary voltage time surfaces, which magnetically corresponds to an imbalance of the impressed Windungsflüsse, a significant limitation of the voltage translation ratio in terms of avoiding high winding currents. For this reason, for example, for a single-phase, galvanically isolated AC-DC converter, the secondary side modulated on the transformer square-wave voltage in addition to the phase shift relative to the primary-side voltage signal in the amplitude of the fundamental wave to be modulated.

[0071] Die Addition der Windungsflüsse der drei Transformatoren aus Fig. 10 kann durch verschiedene magnetische Anordnungen erreicht werden. Eine entsprechende weitere Ausführungsform mit einem Vierschenkelkern und vier Wicklungen zeigt Fig. 11. The addition of the turns of the three transformers of Fig. 10 can be achieved by various magnetic arrangements. A corresponding further embodiment with a four-arm core and four windings is shown in FIG. 11.

[0072] Das elektrische Ersatzschaltbild des Multi-Port Konverters mit der Transformatorgeometrie aus Fig. 11lässt sich gemäss Fig. 12 mit vier Wicklungen pro Transformator darstellen, indem in einem ersten Transformator die drei Sekundärwicklungen zu einer Sekundärwicklung zusammengefasst werden, und allgemein gesprochen jeweils in Serie geschaltete und dem DC-Port zugeordnete Wicklungen zu einer einzigen Wicklung zusammengefasst werden. The electrical equivalent circuit diagram of the multi-port converter with the transformer geometry of FIG. 11 can be represented in FIG. 12 with four windings per transformer by combining the three secondary windings into a secondary winding in a first transformer and, generally speaking, in series switched and the DC port associated windings are combined into a single winding.

[0073] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an einer ersten Wicklung 8 des ersten Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an einer zweiten Wicklung 10 des ersten Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an einer dritten Wicklung 12 des ersten Transformators angeschlossen. Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an einer ersten Wicklung 15 des zweiten Transformators, das fünfte Schaltnetzwerk 5 an einer zweiten Wicklung 17 des zweiten Transformators und das sechste Schaltnetzwerk 6 an einer dritten Wicklung 19 des zweiten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer vierten Wicklung 144 des ersten Transformators sowie an einer vierten Wicklung 145 des zweiten Transformators angeschlossen. The first switching network 1 is connected to a first winding 8 of the first transformer, the second switching network 2 to a second winding 10 of the first transformer and the third switching network 3 to a third winding 12 of the first transformer. The fourth switching network 4 is connected to a first winding 15 of the second transformer, the fifth switching network 5 to a second winding 17 of the second transformer and the sixth switching network 6 to a third winding 19 of the second transformer. The seventh switching network 7 is connected to a fourth winding 144 of the first transformer and to a fourth winding 145 of the second transformer.

[0074] Die Funktionsweise des vierten, fünften und sechsten Schaltnetzwerks ist analog zu derjenigen des ersten, zweiten und dritten. Die taktfrequenten Spannungs- und Stromverläufe entsprechen Fig. 9. Über die elfte Leitung 52 und die vierzehnte Leitung 62 werden die Ströme der Sekundärwicklungen respektive der in Serie geschalteten Sekundärwicklungen addiert. The operation of the fourth, fifth and sixth switching network is analogous to that of the first, second and third. The clock frequency voltage and current waveforms correspond to Fig. 9. Via the eleventh line 52 and the fourteenth line 62, the currents of the secondary windings or the series-connected secondary windings are added.

[0075] Die Phasenverschiebungen zwischen den von den Schaltnetzwerken erzeugten Rechteckspannungen können in an sich bekannter Weise so eingestellt werden, dass dem ersten und dem zweiten AC-Netz eine definierte, vorgegebene Scheinleistung entnommen respektive zugeführt wird. Die zeitabhängigen Phasenverschiebungen der Rechteckspannungen stellen dabei Steuergrössen dar, welche erlauben, einen sinusförmigen Phasenstrom entsprechender Phasenlage zur Netzspannung jeder Phase beider AC-Netze einzustellen. Durch die vorgebbare Scheinleistung beider AC-Netze ist die Leistungsaufnahme respektive -abgabe des DC-Ports 203 implizit bestimmt. The phase shifts between the square voltages generated by the switching networks can be adjusted in a conventional manner so that the first and the second AC network, a defined, predetermined apparent power removed or supplied. The time-dependent phase shifts of the square-wave voltages represent control variables which allow a sinusoidal phase current of corresponding phase position to be set for the line voltage of each phase of both AC grids. Due to the predeterminable apparent power of both AC networks, the power consumption or output of the DC port 203 is implicitly determined.

[0076] Einen möglichen zeitlichen Verlauf von Steuerfunktionen für die Phasenverschiebungen α1, α2, α3der Rechteckspannungen des ersten, zweiten und dritten Schaltnetzwerks bezüglich der Rechteckspannung des siebten Schaltnetzwerks für den DC-Port 203 über eine Periode oder Grundperiode Tg des ersten AC-Netzes ist in Fig. 13 gezeigt (beispielhaft für den Fall von Rechteckspannungen ohne Nullintervall). Die Phasenlage α1, α2, α3von Steuerfunktionen relativ zu den Phasenspannungen ua, ub, uc des ersten AC-Netzes definiert eine Phasenverschiebung δ der Phasenströme ia, ib, ic gegenüber den Phasenspannungen ua, ub, uc, und damit das Argument der komplexen Scheinleistung. Über den Mittelwert der Steuerfunktionen, gerechnet über die Periode Tgdes ersten AC-Netzes sowie über die Amplitude der Steuerfunktionen, werden die Amplitude sowie der Mittelwert über die Periode Tg der Phasenströme eingestellt, wodurch unter Einbezug des Arguments der komplexen Scheinleistung der Betrag der komplexen Scheinleistung und damit die Scheinleistung definiert ist. Diese mögliche Form der Steuerfunktionen ist in analoger Weise ebenfalls für das vierte, fünfte und sechste Schaltnetzwerk des zweiten AC-Ports 202 respektive AC-Netzes anwendbar. Die Grundfrequenz des zweiten AC-Netzes kann von der Grundfrequenz des ersten AC-Netzes abweichen. Beispielsweise kann das erste AC-Netz eine Grundfrequenz von 50 Hz und das zweite AC-Netz eine Grundfrequenz von 60 Hz aufweisen. A possible time course of control functions for the phase shifts α1, α2, α3 of the square-wave voltages of the first, second and third switching network with respect to the square-wave voltage of the seventh switching network for the DC port 203 over a period or basic period Tg of the first AC network is in Fig. 13 is shown (by way of example for the case of rectangular voltages without zero interval). The phase angle α1, α2, α3 of control functions relative to the phase voltages ua, ub, uc of the first AC network defines a phase shift δ of the phase currents ia, ib, ic with respect to the phase voltages ua, ub, uc, and thus the argument of the complex apparent power. The mean value of the control functions, calculated over the period Tg of the first AC network and the amplitude of the control functions, are used to set the amplitude and mean over the period Tg of the phase currents, thereby taking into account the complex apparent power argument so that the apparent power is defined. This possible form of the control functions is analogously also applicable to the fourth, fifth and sixth switching network of the second AC port 202 and AC network, respectively. The fundamental frequency of the second AC network may differ from the fundamental frequency of the first AC network. For example, the first AC network may have a fundamental frequency of 50 Hz and the second AC network may have a fundamental frequency of 60 Hz.

[0077] Die Nullintervalle der Rechteckspannungen stellen weitere Freiheitsgrade und damit Steuergrössen dar, welche neben der vorgegebenen Scheinleistung zum oder vom ersten respektive zweiten AC-Netz zur Erfüllung von zusätzlichen Randbedingungen hinzugezogen werden können. Beispielsweise können Bedingungen an den taktfrequenten Stromverlauf zum verlustarmen Schalten (weiches Schalten respektive Soft-Switching) erfüllt werden. Durch den Einbezug der Nullintervalle mit den entsprechenden zusätzlich zu erfüllenden Randbedingungen werden die Steuerfunktionen für die Phasenverschiebungen der Rechteckspannungen beeinflusst. Die Einstellung der Nullintervalle ist also an die Phasenlage gekoppelt. The zero intervals of the square voltages represent further degrees of freedom and thus control variables which can be used in addition to the predetermined apparent power to or from the first and second AC network to fulfill additional boundary conditions. For example, conditions for the clock-frequency current profile for low-loss switching (soft switching or soft switching) can be met. By including the zero intervals with the corresponding additional boundary conditions to be fulfilled, the control functions for the phase shifts of the square-wave voltages are influenced. The setting of the zero intervals is thus coupled to the phase position.

[0078] Im Allgemeinen lassen sich die Phasenverschiebungen sowie die Nullintervalle zu jedem Zeitpunkt der Grundperiode durch Lösen eines Gleichungssystems, welches für jede Phase des ersten respektive zweiten AC-Netzes über die vorgegebene zu entnehmende oder einzuspeisende Scheinleistung sowie für die zusätzlich zu erfüllenden Randbedingungen die entsprechenden Gleichungen bereitstellt, berechnen. In general, the phase shifts as well as the zero intervals can be at any time of the basic period by solving a system of equations, which for each phase of the first and second AC network over the predetermined to be taken or fed apparent power and for the additional boundary conditions to be met Equations provides, calculate.

[0079] Die zur Steuerung verfügbaren Freiheitsgrade bei der Anwendung von Schaltnetzwerken zur Erzeugung von Rechteckspannungen ohne Nullintervall sind die Phasenwinkel der Rechteckspannungen bezogen auf eine frei wählbare Referenz. Im Fall des in Fig. 1 dargestellten Multi-Port Konverters sind dies sieben Phasenwinkel. Die zur Steuerung verfügbaren Freiheitsgrade bei der Anwendung von Schaltnetzwerken zur Erzeugung von Rechteckspannungen mit Nullintervall sind die Phasenwinkel der Rechteckspannungen bezogen auf eine frei wählbare Referenz sowie die Längen der Nullintervalle. Im Fall des in Fig. 1dargestellten Multi-Port Konverters sind dies sieben Phasenwinkel sowie sieben Längen von Nullintervallen. The degrees of freedom available for the control of the use of switching networks for generating square-wave voltages without a zero interval are the phase angles of the square-wave voltages relative to a freely selectable reference. In the case of the multi-port converter shown in FIG. 1, these are seven phase angles. The degrees of freedom available in the application of switching networks for generating square-wave voltages with zero interval are the phase angles of the square-wave voltages relative to a freely selectable reference and the lengths of the zero intervals. In the case of the multi-port converter illustrated in FIG. 1, these are seven phase angles as well as seven lengths of zero intervals.

[0080] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dreiphasige AC-Netze, sondern lässt sich im Allgemeinen für ein erstes m-phasiges und ein zweites n-phasiges AC-Netz, deren Summe der Absolutwerte der Phasenspannungen über eine Netzperiode möglichst konstant ist, beschreiben, wobei m und n grösser als eins sind. Beide Netze sind über einen magnetischen Kreis mit einem DC-Port verbunden, um die Scheinleistungen der AC-Netze unabhängig voneinander einstellen zu können. Allgemein gesehen stehen dabei für jedes Schaltnetzwerk, respektive für jede AC-Phase und für jeden DC-Port, ein Phasenwinkel und eine Länge des Nullintervalls als Steuergrössen zur Verfügung. The invention is not limited to three-phase AC networks, but can generally be described for a first m-phase and a second n-phase AC network whose sum of the absolute values of the phase voltages over a grid period is as constant as possible, where m and n are greater than one. Both networks are connected via a magnetic circuit with a DC port to adjust the apparent power of the AC networks independently. In general, a phase angle and a length of the zero interval are available as control variables for each switching network, respectively for each AC phase and for each DC port.

2. Multi-Port Konverter mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port mittels drei Dreiwicklungs-Transformatoren2. Multi-port converter with two multi-phase AC ports and one DC port using three three-winding transformers

[0081] Alternativ zum Multi-Port Konverter in Fig. 1 können die sechs einphasigen Transformatoren auf drei Dreiwicklungs-Transformatoren reduziert werden, wie Fig. 14 zeigt. As an alternative to the multi-port converter in FIG. 1, the six single-phase transformers can be reduced to three three-winding transformers, as shown in FIG. 14.

[0082] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an der Primärwicklung 8 des ersten Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an der Primärwicklung 12 des dritten Transformators angeschlossen. Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an der Sekundärwicklung 15 des ersten Transformators, das fünfte Schaltnetzwerk 5 an der Sekundärwicklung 17 des zweiten Transformators und das sechste Schaltnetzwerk 6 an der Sekundärwicklung 19 des dritten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer Serienschaltung von Wicklungen 9, 11, 13 auf dem dritten Schenkel, insbesondere dem Mittelschenkel des ersten, zweiten und dritten Transformators angeschlossen. The first switching network 1 is connected to the primary winding 8 of the first transformer, the second switching network 2 to the primary winding 10 of the second transformer and the third switching network 3 to the primary winding 12 of the third transformer. The fourth switching network 4 is connected to the secondary winding 15 of the first transformer, the fifth switching network 5 to the secondary winding 17 of the second transformer and the sixth switching network 6 to the secondary winding 19 of the third transformer. The seventh switching network 7 is connected to a series circuit of windings 9, 11, 13 on the third leg, in particular the center leg of the first, second and third transformer.

[0083] Die einzelnen Phasen beider AC-Netze sind dadurch magnetisch gekoppelt, sodass die taktfrequenten Ströme unter Vernachlässigung des Magnetisierungsstroms in allen Wicklungen identisch sind. Im Vergleich zum Multi-Port Konverter in Fig. 1 werden die magnetischen Windungsflüsse von den Schaltnetzwerken beider AC-Netze durch die Serienschaltung der Wicklungen am DC-Port summiert. Dies entspricht elektrisch der Addition der von den sechs Schaltnetzwerken erzeugten Rechteckspannungen. Diese werden in ihrer gegenseitigen Phasenlage so eingestellt, dass die Leistung über eine Taktperiode Ts der erforderlichen Momentanleistung der Phase entspricht. The individual phases of both AC networks are thereby magnetically coupled, so that the clock frequency currents are identical, neglecting the magnetization current in all windings. In comparison with the multi-port converter in FIG. 1, the magnetic turns are summed by the switching networks of both AC networks through the series connection of the windings on the DC port. This corresponds electrically to the addition of the square-wave voltages generated by the six switching networks. These are adjusted in their mutual phase position so that the power over a clock period Ts corresponds to the required instantaneous power of the phase.

3. Multi-Port Konverter mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port mittels eines Siebenwicklungs-Transformators3. Multi-port converter with two multi-phase AC ports and one DC port using a seven-winding transformer

[0084] Der in Fig. 14 dargestellte Multi-Port Konverter mit drei Dreiwicklungs-Transformatoren kann mit einem Siebenwicklungs-Transformator realisiert werden wie Fig. 15zeigt. Dabei werden die drei am DC-Port angeschlossenen Wicklungen zu einer gemeinsamen Wicklung zusammengefasst. The multi-port converter with three three-winding transformers shown in Fig. 14 can be realized with a seven-winding transformer as shown in Fig. 15. The three windings connected to the DC port are combined to form a common winding.

[0085] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an einer ersten Wicklung 8 des Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an einer zweiten Wicklung 10 des Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an einer dritten Wicklung 12 des Transformators angeschlossen. Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an einer vierten Wicklung 15 des Transformators, das fünfte Schaltnetzwerk 5 an einer fünften Wicklung 17 des Transformators und das sechste Schaltnetzwerk 6 an einer sechsten Wicklung 19 des dritten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer siebten Wicklung 144 des Transformators angeschlossen. The first switching network 1 is connected to a first winding 8 of the transformer, the second switching network 2 to a second winding 10 of the transformer and the third switching network 3 to a third winding 12 of the transformer. The fourth switching network 4 is connected to a fourth winding 15 of the transformer, the fifth switching network 5 to a fifth winding 17 of the transformer and the sixth switching network 6 to a sixth winding 19 of the third transformer. The seventh switching network 7 is connected to a seventh winding 144 of the transformer.

[0086] Die Funktionsweise entspricht derjenigen des Multi-Port Konverters in Fig. 14. The operation corresponds to that of the multi-port converter in FIG. 14.

[0087] In Fig. 16 ist eine mögliche Ausführungsform des Siebenwicklungs-Transformators gezeigt. In Fig. 16, a possible embodiment of the seven-winding transformer is shown.

4. Multi-Port Konverter mit einem mehrphasigen AC-Port und einem DC-Port mittels drei Zweiwicklungs-Transformatoren oder eines Vierwicklungs-Transformators4. Multi-port converter with a multi-phase AC port and a DC port using three two-winding transformers or a four-winding transformer

[0088] Basierend auf dem Multi-Port Konverter in Fig. 1 kann ein n-phasiger (mit n grösser eins) AC-DC Konverter realisiert werden, welcher beispielhaft in Fig. 17 und Fig. 18 für drei Phasen dargestellt ist. Mögliche Transformatorgeometrien zeigen Fig. 10 und Fig. 11. Based on the multi-port converter in Fig. 1, an n-phase (greater than one n) AC-DC converter can be realized, which is exemplified in Fig. 17 and Fig. 18 for three phases. Possible transformer geometries are shown in FIGS. 10 and 11.

[0089] In Fig. 17 ist das erste Schaltnetzwerk 1 an der Primärwicklung 8 des ersten Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an der Primärwicklung 12 des dritten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an der Serienschaltung der Sekundärwicklungen 9, 11, 13 des ersten, zweiten und dritten Transformators angeschlossen. In Fig. 17, the first switching network 1 is connected to the primary winding 8 of the first transformer, the second switching network 2 to the primary winding 10 of the second transformer and the third switching network 3 to the primary winding 12 of the third transformer. The seventh switching network 7 is connected to the series connection of the secondary windings 9, 11, 13 of the first, second and third transformers.

[0090] In Fig. 18 ist das erste Schaltnetzwerk 1 an einer ersten Wicklung 8 des Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an einer zweiten Wicklung 10 des Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an einer dritten Wicklung 12 des Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer vierten Wicklung 144 des Transformators angeschlossen. In FIG. 18, the first switching network 1 is connected to a first winding 8 of the transformer, the second switching network 2 to a second winding 10 of the transformer and the third switching network 3 to a third winding 12 of the transformer. The seventh switching network 7 is connected to a fourth winding 144 of the transformer.

[0091] Die Funktionsweise des AC-DC Konverters entspricht jener des Multi-Port Konverters in Fig. 1unter Betrachtung nur eines AC-Netzes. The operation of the AC-DC converter corresponds to that of the multi-port converter in Fig. 1, considering only one AC network.

5. Modularer Aufbau5. Modular construction

[0092] Die genannten Ausführungen der Multi-Port Konverter lassen sich als Modul in einem modularen Aufbau für höhere Spannungsebenen einsetzen. Für die mehrphasigen AC-Ports und den DC-Port ist jeweils eine Serie- sowie Parallelschaltung der Ports der Module möglich. The mentioned embodiments of the multi-port converter can be used as a module in a modular design for higher voltage levels. For the multi-phase AC ports and the DC port, a series and parallel connection of the ports of the modules is possible.

Literaturliterature

[0093] [1] Tao, FL; Kotsopoulos, A.; Duarte, J. L. & Hendrix, M. A. M., Transformer-Coupled Multiport ZVS Bidirectional DC-DC Converter With Wide Input Range, IEEE Transactions on Power Electronics, 2008 [2] Zhao, C; Round, S. D. & Kolar, J. W., An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management, IEEE Transactions on Power Electronics, 2008 [3] Aggeler D.; Biela J. & Kolar J. W., Solid-State Transformer based on SiC JFETs for Future Energy Distribution Systems [4] Falcones, S.; Mao, X. & Ayyanar, R., Topology comparison for Solid State Transformer implementation, Proc. IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2010 [5] Qin, H. & Kimball, J. W., A comparative efficiency study of silicon-based solid State transformers, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 [6] Iman-Eini, FL; Farhangi, S.; Schanen, J.-L. & Aime, J., Design of Power Electronic Transformer based on Cascaded H-bridge Multilevel Converter, Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics ISIE, 2007 [7] Lesnicar, A. & Marquardt, R., An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range, Proc. IEEE Power Tech Conference, 2003 [8] Fan, H. & Li, FL, High Frequency High Efficiency Bidirectional DC-DC Converter Module Design for 10 kVA Solid State Transformer, Proc. 25th Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010 [9] Qin, H. & Kimball, J. W., Ac-ac dual active bridge Converter for solid State transformer, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2009 [10] Kang, M.; Enjeti, P. N. & Pitel, I. J., Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system, IEEE Transactions on Power Electronics, 1999 [11] Kheraluwala, M. N.; Gascoigne, R. W.; Divan, D. M. & Baumann, E. D., Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC Converter, IEEE Transactions on Industry Applications, 1992 [1] Tao, FL; Kotsopoulos, A .; Duarte, J.L. & Hendrix, M.A.M., Transformer-Coupled Multiport ZVS Bidirectional DC-DC Converter With Wide Input Range, IEEE Transactions on Power Electronics, 2008 [2] Zhao, C; Round, S.D. & Kolar, J.W., An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management, IEEE Transactions on Power Electronics, 2008 [3] Aggeler D .; Biela J. & Kolar J.W., Solid-State Transformer based on SiC JFETs for Future Energy Distribution Systems [4] Falcones, S .; Mao, X. & Ayyanar, R., Topology Comparison for Solid State Transformer Implementation, Proc. IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2010 [5] Qin, H. & Kimball, J.W., A comparative efficiency study of silicon-based solid state transformers, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposure (ECCE), 2010 [6] Iman-Eini, FL; Farhangi, S .; Schanen, J.-L. & Aime, J., Design of Power Electronic Transformer based on Cascaded H-bridge Multilevel Converter, Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics ISIE, 2007 [7] Lesnicar, A. & Marquardt, R., An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range, Proc. IEEE Power Tech Conference, 2003 [8] Fan, H. & Li, FL, High Frequency High Efficiency Bidirectional DC-DC Converter Module Design for 10 kVA Solid State Transformer, Proc. 25th Applied Power Electronics Conference and Exposure (APEC), 2010 [9] Qin, H. & Kimball, J.W., Ac-ac dual active bridge converter for solid state transformer, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposure (ECCE), 2009 [10] Kang, M .; Enjeti, P.N. & Pitel, I.J., Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system, IEEE Transactions on Power Electronics, 1999 [11] Kheraluwala, M.N .; Gascoigne, R.W .; Divan, D.M. & Baumann, E.D. Performance Characterization of a High-Power Dual Active Bridge DC to DC Converter, IEEE Transactions on Industry Applications, 1992

Claims

A converter circuit for transmitting electrical energy from a multiphase AC system from or to at least one other voltage system, the converter circuit comprising a first transformer arrangement having at least two primary windings (8, 10, 12) and at least one secondary winding (9, 11, 13; wherein the at least one secondary winding (9, 11, 13; 144) is magnetically coupled to one or more of the primary windings (8, 10, 12), wherein a first set of switching networks (1, 2, 3) is present, of which in each case a switching network (1, 2, 3) is associated with one of the primary windings (8, 10, 12), wherein for each of the at least two primary windings (8, 10, 12), the primary winding with two primary winding terminals (23, 26; 36, 39; 45, 48) is connected to the associated switching network (1, 2, 3) and this in turn with phase connections (20, 29; 33, 31, 42, 32) is connected to the polyphase AC system, the switching network (1, 2, 3) being arranged to connect each of the primary winding terminals (23, 26; 36, 39; 45, 48 optionally to connect at least one of the phase terminals (20, 29, 33, 31, 42, 32), and wherein the first transformer arrangement is designed such that the magnetic fluxes of the primary windings (8, 10, 12) accumulate in the at least one secondary winding (9, 11, 13; 144) and / or, if two or more secondary windings (9, 11, 13) are present, these secondary windings (9, 11, 13) are connected in series, and to sum the transformed voltages of the primary windings.

2. converter circuit according to claim 1, wherein the further voltage system is a DC voltage system and the secondary winding (144) or the series connection of two or more secondary windings (9, 11, 13) with two secondary winding terminals (54, 63) to a secondary-side switching network ( 7) and this in turn with DC terminals (102, 105) is connected to the DC system, wherein the secondary-side switching network (7) is adapted to each of the secondary winding terminals (54, 63) optionally at least one of the DC voltage terminals (102, 105) connect to.

3. A converter circuit according to claim 1 or 2, wherein there is a second polyphase AC system, and this via a second transformer arrangement and a second set of switching networks (4, 5, 6), which in the same way as the first transformer arrangement and the first set of Switching networks (1, 2, 3) are structured, is connected to the other voltage system.

4. A converter circuit according to one of the preceding claims, wherein the at least two primary windings (8, 10, 12) form a first set of primary windings, and a second polyphase AC voltage system is provided whose phases are connected via a second set of switching networks (4, 5, 6 ) are connected to a second set of primary windings (15, 17, 19), wherein in the first transformer arrangement, the primary windings (8, 10, 12) of the first and the primary windings (15, 17, 19) of the second set of primary windings are magnetically interconnected and coupled to a secondary winding.

5. Converter circuit according to one of the preceding claims, comprising a drive circuit, which is adapted to drive the switching networks of one of the sets of switching networks with a clock frequency which is at least 5 times a fundamental frequency of the voltage applied to this set of switching networks AC system.

6. A method for driving a converter circuit according to one of the preceding claims, in which the switching networks of a set of switching networks (1, 2, 3, 4, 5, 6) are controlled so that the voltage-time surface of the sum of the voltages to the associated Primary windings (8, 10, 12, 15, 17, 19) within half a clock period at least approximately a constant ratio to a predetermined value.

7. The method according to claim 6, wherein the predetermined value, If a single secondary winding (144, 145) is present, equal to a voltage-time area of a voltage connected to the secondary winding (144, 145) in the same half-cycle period; or If there are a plurality of secondary windings connected in series, equal to a voltage time area of a voltage connected in the same half clock cycle to a series circuit of the secondary windings (9, 11, 13, 14, 16, 18); or If there are a plurality of secondary windings connected in parallel magnetically, equal to the voltage time area is the sum of the voltages connected to the secondary windings (9, 11, 13, 14, 16, 18) in the same half cycle period; in all cases scaled according to the respective transmission ratio between primary and secondary windings.

8. The method according to claim 6, wherein the ratio of the voltage-time area of the sum of the primary windings (8, 10, 12, 15, 17, 19) associated voltages to the predetermined value in accordance with the power flow from or to an AC port (201 202) is determined.

9. The method according to claim 7 or 8, wherein at each of the primary windings (8, 10, 12, 15, 17, 19) with the clock period a square wave voltage is applied with or without zero interval, and A relative phase position of the individual square-wave voltages for a specific primary winding (8, 10, 12, 15, 17, 19) in accordance with the phase position of the phase voltage which is switched to this primary winding (8, 10, 12; 15, 17, 19) and determined in accordance with a current to be taken or fed in at the appropriate stage; and A length of the zero interval of the square-wave voltage for the primary winding (8, 10, 12, 15, 17, 19) in accordance with the phase position of the phase voltage which is switched to this primary winding and is determined in accordance with a current to be taken from the respective phase ,

10. The method according to claim 9, wherein a common phase position of the square voltages with respect to a square wave voltage of a switching network (7) for a DC port (203) to a DC network or with respect to a group of square wave voltages of switching networks (4, 5, 6) for determining an AC port (202) to an AC network in accordance with a desired power flow to or from said DC port (203) and AC port (202), respectively.

11. The method according to claim 9 or 10, wherein the value of the phase position of the square-wave voltage for a particular primary winding (8, 10, 12, 15, 17, 19) follows an at least approximately sinusoidal course, and the phase position of this course a fixed phase shift with respect to Course of the phase voltage, which is connected to this primary winding (8, 10, 12, 15, 17, 19) is connected.