DE102004030912B3 - Verfahren zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere einer Photovoltaik-Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung - Google Patents

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Abstract

Ein Wechselrichter soll mit einem einfachen und kostenoptimierten Schaltungsaufbau hochfrequente Spannungen an Eingangsklemmen vermeiden, wobei ein guter Wirkungsgrad möglich sein soll. Dieses wird erreicht durch ein Verfahren zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung, insbesondere einer Photovoltaik-Gleichspannungsquelle, in eine Wechselspannung mit einer Frequenz durch eine Schaltelemente (V1-V4) und Freilaufelemente (D1-D4) aufweisende Brückenschaltung, wobei die Schaltelemente (V1-V4) einerseits mit der Frequenz angesteuert werden und andererseits mit einer hohen Taktfrequenz getaktet werden sowie ein Gleichspannungskreis, ein Wechselspannungskreis und mehrere Freilaufphasen vorhanden sind. Es ist vorgesehen, dass während der Freilaufphasen der Wechselspannungskreis vom Gleichspannungskreis mittels eines im Gleichspannungskreis angeordneten Schaltelementes entkoppelt wird, wobei in der Brückenschaltung im entkoppelten Zustand ein Freilaufstrom durch eines der Freilaufelemente (D1) fließt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
  • Bekannt ist es, für transformatorlose Photovoltaik-Wechselrichter eine H-Brückenschaltung mit vier Halbleiterschaltern einzusetzen, die so abwechselnd geschaltet werden, dass aus der anliegenden Gleichspannung zwischen den Abzweigen der Brückenhälften eine Wechselspannung entsteht. Die Schaltelemente werden zudem symmetrisch getaktet. Hierbei wird ein Oberschalter einer Brückenhälfte zusammen mit einem anderen Unterschalter der anderen Brückenhälfte synchron mit einer hohen Taktfrequenz pulsweitenmoduliert getaktet.
  • Zur Reduzierung von Oberschwingungen der so erzeugten Wechselspannung werden Drosseln eingesetzt. Damit die Oberschwingung in der Wechselspannung gering gehalten werden, müssen die Drosseln relativ groß dimensioniert werden. Bei dieser Lösung ergeben sich aber relativ hohe Ummagnetisierungsverluste in den Drosseln, so dass der Wirkungsgrad der Schaltung reduziert wird.
  • Außerdem entstehen weitere Verluste, weil gleichzeitig zwei Schaltelemente ein- und abgeschaltet werden und im Freilaufzustand der Strom über zwei Freilaufdioden in den Gleichspannungszwischenkreis fließt. Die Gleichspannung im Zwischenkreis wirkt im Freilaufzustand als Gegenspannung, was einen höheren Stromrippel und damit eine erhöhte Verlustleistung zur Folge hat.
  • Um diese Verluste zu reduzieren, ist es bekannt, die Brücke asymmetrisch zu takten. Das heißt, dass während beispielsweise die oberen Schalter mit Netzfrequenz angesteuert werden, die unteren Schalter mit der hohen Taktfrequenz angesteuert werden. Damit entfällt im Freilaufzustand die Gegenspannung aus dem Zwischenkreis, da der Strom nur über eine Diode und einen Schalter kommutiert. Dies führt zu einem geringeren Stromrippel und zu einer Reduzierung der Verluste. Allerdings ergeben sich durch diese asymmetrische Ansteuerung an den Klemmen des Photovoltaikgenerators hochfrequente Potentialschwankungen, die das EMV-Verhalten des Generators verschlechtern.
  • Eine Maßnahme, die die Nachteile beider Lösungen verhindert, ist in der den Oberbegriff bildenden Druckschrift DE 102 21 592 A1 gezeigt und beschrieben. Hierbei ist vorgesehen, dass zusätzlich zwei Verbindungspfade zwischen Ausgängen einer Brückenschaltung bzw. einer H-Brücke vorhanden sind. In den Verbindungspfaden liegen vier Bauelemente, und zwar jeweils ein weiteres Schaltelement und eine in Reihe geschaltete Diode. Diese Schaltung benötigt wesentlich mehr Bauelemente als andere Schaltungen. Dadurch ist die Schaltung teurer. Die DE 102 21 592 A1 beschreibt auch einen transformatorlosen Wechselrichter mit einer Brückenschaltung. Bei dieser Schaltung sind zwei getrennte, elektrische Verbindungspfade vorgesehen, in denen jeweils ein Schalter sowie in Reihe geschaltete Gleichrichterdioden vorgesehen sind. Diese sind in den einzelnen Verbindungspfaden in Durchlassrichtung geschaltet. Im Gegensatz zu einer symmetrischen Taktung wird durch diese Schaltung ein Stromrippel im Ausgangsstrom deutlich reduziert. Die zusätzlichen Freilaufdioden erlauben eine ohmsche Entkopplung zwischen einem Solargenerator und den Wechselspannungsanschlüssen. Dadurch werden hochfrequente Spannungssprünge an den Anschlussleitungen des Generators vermieden, wodurch das EMV-Verhalten verbessert wird.
  • Eine Vermeidung beider Nachteile wird also durch einen komplexeren Schaltungsaufbau aufgrund der wesentlich höhern Anzahl an Bauelementen erkauft, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltung sinkt und der Materialpreis steigt.
  • Die DE 197 32 218 C1 beschreibt eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit einem invertierenden hoch-/tiefsetzenden und einem nichtinvertierenden Wandlerschaltkreis. Derartige Wechselrichter werden zur Ankopplung von Photovoltaikanlagen verwendet. Die Schaltung weist eine potentialfeste Direktverbindung, d.h. eine auf festen Potential bleibende Leiterverbindung auf. Zwischen einem der beiden Gleichspannungsanschlüsse und einem der Wechselspannungsanschlüsse ist es bei Bedarf möglich, diese Direktverbindung als Nullleiter des Systems zu verwenden und daran beispielsweise den Minusanschluss der Gleichspannungsquelle anzukoppeln, was zur Vermeidung von EMV-Problemen von großem Vorteil ist. Durch die Schaltung soll eine Bereitstellung eines transformatorlosen Wechselrichters mit einem geringen Gewicht und Bauvolumen aber auch mit hoher Personensicherheit und geringen EMV-Problemen möglich sein.
  • Eine Wechselrichterschaltung mit einer Halbleiterbrücke, einem Solargenerator und einem zwischen Solargenerator und Halbleiterbrücke geschalteten Schaltelement ist aus der DE 103 12 921 A1 bekannt. Diese Schaltungsanordnung ist derart ausgebildet, dass bei Überschreitung einer definierten Gleichspannung des Zwischenkreises das Schaltelement geöffnet und bei Unterschreitung einer definierten Gleichspannung des Zwischenkreises das Schaltelement eingeschaltet wird, so dass der für die Wechselrichterschaltung oder den Verbraucher mögliche Eingangsspannungsbereich erhöht wird. Eine Vermeidung hochfrequenter Spannungen bzw. das Beseitigen von EMV-Problemen wird durch diese Ausbildung der Schaltung nicht erreicht.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem einerseits hochfrequente Spannungsanteile an den Anschlüssen des Generators vermieden werden, und andererseits ein einfacher Schaltungsaufbau in verlustarmer Ausführung und somit hohem Wirkungsgrad gegeben ist. Darüber hinaus sollen die Materialkosten reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Kombination mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst. Der Wechselspannungskreis wird während der Freilaufphasen vom Gleichspannungskreis mittels eines im Gleichspannungskreis zusätzlich angeordneten Schaltele mentes entkoppelt. Erfindungsgemäß fließt in der Brückenschaltung ein Freilaufstrom über die inneren Elemente der Brücke, so dass durch den über den zusätzlichen geöffneten Schalter entkoppelten Zustand der beiden Kreise keine hochfrequenten, durch Taktvorgänge erzeugten Störungen im Gleichspannungskreis auftreten.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden in einfacher Weise und mit nur einem zusätzlichen Bauteil (gegenüber einer einfachen H-Brücke mit vier Schaltelementen und vier Freilaufdioden) hochfrequente Spannungsanteile auf den Anschlüssen des Gleichspannungszwischenkreises vermieden. Die Komplexität der Schaltung sinkt gegenüber einer H-Brücke mit zusätzlichen Verbindungspfaden (nach DE 102 21 592 A1 mit sechs Schaltelementen und sechs Freilaufdioden), da also nur ein Halbleiter-Schaltelement mit zugehöriger Ansteuereinheit anstelle von zwei zusätzlichen Halbleiter-Schaltelementen einschließlich Ansteuereinheiten und zwei zusätzlichen Dioden erforderlich ist (insgesamt nur fünf Schaltelemente mit fünf Freilaufdioden). Die Zusatzkosten und die Ausfallwahrscheinlichkeit werden dadurch minimiert.
  • Ein Ansteuersignal für das zusätzliche Schaltelement kann außerdem bei der erfindungsgemäßen Lösung ohne zusätzlichen Aufwand für eine Ansteuerschaltung durch eine logische Verknüpfung aus Ansteuersignalen von beispielsweise den unteren Schaltelementen der H-Brücke gewonnen werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise ein asymmetrischer Betrieb ohne hochfrequente Störungen möglich, insbesondere wenn nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Brückenschaltung derart angesteuert wird, dass das zusätzliche, im Gleichspannungskreis liegende Schaltelement in einer Halbwelle synchron mit einem Unterschalter der einen Brückenhälfte getaktet wird, während es bei der anderen Halbwelle synchron mit einem Unterschalter der anderen Brückenhälfte getaktet wird. Der Zusatzschalter wird demnach jeweils nur mit einem einzigen Schalter gleichzeitig getaktet.
  • Durch den asymmetrischen Betrieb werden Verluste minimiert und der Wirkungsgrad der Schaltung verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren nach dieser vorteilhaften Ausführungsform verbindet also mit minimalem Bauteilaufwand die Vorteile einer einfachen H-Brücken-Schaltung mit unsymmetrischer Taktung, die einen guten Wirkungsgrad aufweist, mit den Vorteilen einer einfachen H-Brücken-Schaltung mit symmetrischer Taktung, die hochfrequente Signale an den Generatorklemmen vermeidet.
  • Ebenso wie bei der asymmetrischen Taktung tritt im Gegensatz zu der symmetrischen Taktung ein Zustand einer Nullspannung ein, da die Spannung an den Ausgangsklemmen des Wechselrichters zwischen +U, Null, –U hin und her geschaltet wird. Dadurch werden die Ummagnetisierungsverluste in den Netzdrosseln reduziert und insbesondere auch der Teillastwirkungsgrad verbessert.
  • Wenn die entsprechenden Schaltelemente der Brückenschaltungen im kHz-Bereich getaktet werden, spielen die Durchlassverluste gegenüber den Schaltverlusten eine untergeordnete Rolle, so dass der Wirkungsgrad durch das zusätzliche Schaltelement nahezu gleich der H-Brücke mit zusätzlichen Verbindungspfaden zwischen den Ausgängen der Brückenschaltung ist.
  • Da durch die Erfindung einerseits eine Spannung an den Wechselspannungsklemmen praktisch zwischen einem positiven Spannungspotential, Null und einem negativen Spannungspotential hin und her geschaltet wird und andererseits durch eine pulsweitenmodulierte Taktung eine Anpassung an die Last möglich ist, ist eine Anwendung der Erfindung beispielsweise bei einem transformatorlosen Photovoltaik-Wechselrichter möglich.
  • Dadurch dass eine antiparallele Diode des Zusatzschalters vorgesehen ist, die nicht als Freilaufdiode wirkt, bzw. nicht im Eingriff ist, sowie beispielsweise die unteren Freilaufdioden der getakteten Schalter im Normalfall ebenfalls nicht im Eingriff sind, besteht die Möglichkeit einer Optimierung der verwendeten Halbleiter. Dadurch können Halbleiterbauelemente verwendet werden, die zwar ungünstige Diodeneigenschaften aufweisen, andererseits aber gute Schalteigenschaften und niedrige Durchlassverluste aufweisen. Dadurch können für die zu taktenden Schaltelemente insbesondere neueste MOSFET-Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, die eine weitere Optimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Kostenreduktion ermöglichen.
  • Weitere Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
    •
  • Die Erfindung sowie Vorteile derselben wird nun anhand der Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines Wechselrichters
  • 2 ein Schaltbild mit einem Stromverlauf während einer positiven Halbwelle
  • 3 ein Schaltbild mit einem Stromverlauf während einer negativen Halbwelle, und
  • 4 ein Schaltbild mit einem Stromverlauf im entkoppelten Zustand.
  • Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wechselrichter 1 mit einem Solargenerator SG bzw. einem Photovoltaikgenerator. Diese Schaltung erlaubt ein Verfahren zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung einer Photovoltaik-Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von zum Beispiel 50Hz.
  • An den Eingangsklemmen 2 des Wechselrichters 1 ist ein Glättungskondensator C bzw. Speicherkondensator parallel zum Solargenerator SG geschaltet. Der Solargenerator SG mit dem Kondensator C bildet einen Gleichspannungszwischenkreis bzw. DC-Kreis. Der Wechselrichter besitzt eine H-Brücke 3 mit vier Halbleiter-Schaltelementen V1-V4 und einen Zusatzschalter V5. Parallel zu den Schaltelementen V1-V5 sind Freilaufdioden D1-D5 geschaltet. An dem Brückenabzweig liegen im Wechselspannungsteil zwei Drosseln L1 und L2.
  • Die oberen Schaltelemente V1 und V3 werden mit Netzfrequenz zum Beispiel 50Hz angesteuert, während die unteren Schaltelemente V2 und V4 mit einer hohen Taktfrequenz im kHz-Bereich, zum Beispiel 16 kHz, pulsweitenmoduliert getaktet werden.
  • Das zusätzliche Halbleiter-Schaltelement V5, das insbesondere auch als MOSFET-Bauelement ausgeführt sein kann, wird zusammen mit den unteren Schaltelementen V2 bzw. V4 mit der hohen Taktfrequenz, zum Beispiel 16 kHz, getaktet. Das Schaltelement V5 wird also in der einen Halbwelle der Netzspannung, in der das Schaltelement V1 eingeschaltet ist, synchron und pulsweitenmoduliert mit dem Schaltelement V4 getaktet, wie 2 zeigt. Der Laststromaufbau erfolgt dann über die Schaltelemente V5, V1 und V4. Werden die hochfrequent taktenden Halbleiterschalter V5 und V4 synchron ausgeschaltet, so kommutiert der Laststrom in einen Freilaufpfad bestehend aus V1 und der zu V3 antiparallele Diode D3.
  • Wie 3 veranschaulicht, wird in der anderen Halbwelle der Netzspannung (negative Halbwelle), in dem das Schaltelement V3 eingeschaltet ist, das Schaltelement V5 synchron und pulsweitenmoduliert mit dem Schaltelement V2 getaktet. Der Laststromaufbau erfolgt dann über die Schaltelemente V5, V3 und V2. Werden die mit hoher Frequenz taktenden Schaltelemente V5 und V2 synchron ausgeschaltet, dann kommutiert der Laststrom auf die parallele Freilaufdiode D1 des Schaltelementes V1, wie 4 zeigt.
  • Dadurch wird erfindungsgemäß mittels eines im Gleichspannungskreis angeordneten Schaltelementes V5 der Lastkreis von den Anschlüssen des Generators entkoppelt, wodurch hochfrequente Spannungskomponenten auf diesen Anschlussleitungen vermieden werden. Das Schaltelement V5 dient demnach als zusätzlicher Entkoppelschalter des einen Gleichspannungsanschlusses gegenüber dem Wechselspannungskreis. Der andere Gleichspannungsanschluß ist gleichsam über die Schalter V2 bzw. V4 von dem Wechselspannungskreis entkoppelt.
  • Hierbei ist es wichtig, dass sich die Spannung über den Schaltelementen V5 und V2 bzw. V4 symmetrisch aufteilt. Daher sind vorzugsweise Schaltelement bzw. Diodenelement mit gleichen Eigenschaften einzusetzen.
  • Zusätzlich wird durch diesen Freilauf der Stromrippel und damit die Ummagnetisierungsverluste in den Netzdrosseln L1 und L2 reduziert.
  • Durch diese Erfindung wird in einfacher Weise ein verlustarmer, transformatorloser und kostenoptimierter Wechselrichter geschaffen, der keine hochfrequenten Störungen im Gleichspannungskreis verursacht.
    • 1
    Wechselrichter
    2
    Eingangsklemmen
    3
    Brücke
    SG
    Solargenerator
    V1-V4
    Schaltelemente der Brückenschaltung
    D1-D4
    Freilaufelemente der Brückenschaltung
    D5
    Diode
    V5
    Entkoppelschalter (Schaltelement)
    C
    Glättungskondensator
    L1-L2
    Netzdrosseln
    RLast
    Lastwiderstand
    LLast
    Lastinduktivität

Claims (8)

  1. Verfahren zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung einer Photovoltaik-Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung mit einer Frequenz durch eine Schaltelemente (V1 –V4) und Freilaufelemente (D1 - D4) aufweisende Brückenschaltung, wobei ein Gleichspannungskreis, ein Wechselspannungskreis und mehrere Freilaufphasen vorhanden sind, und wobei eine Reduzierung von Oberschwingungen durch mindestens eine Drossel (L1, L2) im Wechselspannungskreis erfolgt, dadurch gekennzeichnet, – dass sowohl Ansteuersignale mit Netzfrequenz, wie auch solche mit einer hohen Taktfrequenz für die Schaltelemente (V1 –V4) der Brückenschaltung vorliegen, wobei die Schaltelemente (V1 –V4) der Brückenschaltung derart unsymmetrisch angesteuert werden, dass ein Schaltelement (V1 bzw. V3) angesteuert wird, während ein Schaltelement (V2 bzw. V4) einer anderen Brückenhälfte mit der Taktfrequenz getaktet wird, – dass während mindestens einer der Freilaufphasen der Wechselspannungskreis vom Gleichspannungskreis mittels eines im Gleichspannungskreis angeordneten Schaltelementes entkoppelt wird, wobei in der Brückenschaltung im entkoppelten Zustand ein Freilaufstrom durch eines der Freilaufelemente (D1) bzw. (D3) fließt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dass eine Reduzierung von Oberschwingungen durch zwei in Reihe und an unterschiedlichen Brückenabgriffen angeordneten Drosseln (L1, L2) im Wechselspannungskreis erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anwendung bei einem transformatorlosen Photovoltaik-Wechselrichter (1).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechenden Schaltelemente (V2, V4, V5) der Brückenschaltung im kHz-Bereich getaktet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechenden Schaltelemente (V2, V4, V5) der Brückenschaltung pulsweitenmoduliert getaktet werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche, im Gleichspannungskreis liegende zusätzliche Schaltelement (V5) in einer Halbwelle synchron mit einem getakteten Schaltelement (V2) getaktet wird, während es bei der anderen Halbwelle synchon mit einem anderen Schaltelement (V4) getaktet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Schaltelement (V5) mit einer antiparallelen Diode (D5) versehen ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente der Brückenschaltung (V1 – V5), insbesondere nur die zu taktenden Schaltelemente (V2, V4) und das zusätzliche Schaltelement (V5) als MOSFET-Halbleiterbauelemente ausgebildet sind.
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