DE102007022315A1

DE102007022315A1 - Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von Hochsetzstellern und Ansteuerverfahren hierzu

Info

Publication number: DE102007022315A1
Application number: DE102007022315A
Authority: DE
Inventors: Dejan Schreiber
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2007-05-12
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von Hochsetzstellern, wobei jeder Hochsetzsteller einen Gleichspannungseingang, zwei Leitungszweige und einen Gleichspannungsausgang aufweist. In einem ersten Leitungszweig sind eingangsseitig eine Spule, ausgangsseitig eine Diode und zwischen der Spule und der Diode und dem zweiten Leitungszweig ein Schalter angeordnet. Mindestens zwei Spulen von zwei zugeordneten Hochsetzstellern weisen einen gemeinsamen Kern auf. Im zugehörigen Verfahren werden die Schalter derjenigen Hochsetzsteller, deren Spulen einen gemeinsamen Kern aufweisen, derart getaktet, dass ihre Einschaltimpulse um 2 pi geteilt durch die Anzahl dieser Hochsetzsteller gegeneinander versetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit Gleichspannungseingang und Gleichspannungsausgang in Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Hochsetzsteller, sowie ein Verfahren zu dessen Ansteuerung.
Derartige Stromrichter finden bevorzugt Anwendung in Solarzellenanlagen zur Stromerzeugung, allerdings auch in weiteren Anlagen zur Stromerzeugung mit zeitlich nicht konstanter Eingangsgleichspannung.
Es ist bevorzugt derartige Stromrichter als Hochsetzsteller oder als eine Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Hochsetzstellern auszubilden. Der einzelne Hochsetzsteller weist hierbei einen Gleichspannungseingang, zwei Leitungszweige und einen Gleichspannungsausgang auf. In einem ersten Leitungszweig ist eingangsseitig eine Spule, oder auch eine Mehrzahl seriell angeordneter Spulen, und ausgangsseitig eine Diode angeordnet. Zwischen der Spule und der Diode und dem zweiten Leitungszweig ist ein Schalter, vorzugsweise ein Halbleiterschalter, angeordnet. Der Gleichspannungsausgang weist vorzugsweise einen Kondensator auf.
Wesentliche Anforderungen an die genannten Stromrichter mit Gleichspannungseingang und Gleichspannungsausgang in Anlagen zur Stromerzeugung mit nicht konstanter Eingangsspannung sind:

• Die Verluste, beispielhaft bedingt durch die Halbleiterschalter, sollten möglichst gering sein um den gesamten Wirkungsgrad nicht negativ zu beeinflussen.
• Die Belastung der Spannungsquellen sollte zeitlich möglichst gleichförmig verlaufen.
• Weiterhin sollte der Stromrichter möglichst kostengünstig sein und kompakte Abmessungen aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde bekannte Schaltungsanordnungen mit Hochsetzstellern und ein zugehöriges Ansteuerverfahren weiterzubilden, mit hohem Wirkungsgrad, gleichmäßiger Belastung der Spannungsquellen und kostengünstigem Aufbau.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Hochsetzsteller, der einen Gleichspannungseingang, zwei Leitungszweige und einen Gleichspannungsausgang aufweist. in einem ersten Leitungszweig ist eingangsseitig eine Spule und ausgangsseitig eine Diode angeordnet. Zwischen der Spule und der Diode und dem zweiten Leitungszweig ist ein Schalter angeordnet.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist eine Mehrzahl derartiger Hochsetzsteller auf, wobei mindestens zwei Spulen von zwei zugeordneten Hochsetzstellern einen gemeinsamen Kern aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung der genannten Schaltungsanordnung weist für diejenigen Schalter derjenigen Hochsetzsteller, deren Spulen einen gemeinsamen Kern aufweisen, eine getaktet Ansteuerung auf. Diese ist gekennzeichnet durch gegeneinander versetzte Einschaltimpulse. Der Versatz beträgt hierbei 2π geteilt durch die Anzahl dieser Hochsetzsteller.
Besonders bevorzugte Weiterbildungen dieser Schaltungsanordnung und deren Ansteuerverfahren sind in der jeweiligen Beschreibung der Ausführungsbeispiele genannt. Die erfinderische Lösung wird zudem an Hand der Ausführungsbeispiele der 1 bis 7 weiter erläutert.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit zwei Hochsetzstellern.
2 zeigt eine Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit zwei Hochsetzstellern gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 1.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen der Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik nach 2.
5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit vier Hochsetzstellern.
6 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit vier Hochsetzstellern.
7 zeigt den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 6.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Schaltungsanordnung mit zwei Hochsetzstellern (1, 2). Wesentliche Teile dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung entsprechen dem Stand der Technik gemäß 2. In beiden Ausgestaltungen weist die Schaltungsanordnung eine gemeinsame Spannungsquelle (10) auf, die den jeweiligen Gleichspannungseingang der Hochsetzsteller (1, 2) bildet. Ein erster Leitungszweig des jeweiligen Hochsetzstellers (1, 2) weist eine Spule (20, 22) und eine seriell angeordnete Diode (50, 52) auf. Zwischen den beiden Leitungszweigen ist jeweils ein Schalter (40, 42), vorzugsweise ein Leistungshalbleiterschalter, angeordnet. Der Gleichspannungsausgang (70, 72) der jeweiligen Hochsetzsteller (1, 2) wird durch einen Kondensator (60, 62) gebildet.
Der jeweilige Hochsetzsteller (1, 2) dient hier der Anhebung der Spannung von einem Wert der Eingangsspannung auf einen höheren Wert der Ausgangsspannung. Hierzu wird der Schalter (40, 42) periodisch geöffnet und geschlossen. Beim Schließen des Schalters (40, 42) fließt Strom durch die Spule (20, 22), der beim Öffnen des Schalters (40, 42) das Bestreben hat weiter zu fließen. Durch dieses zyklische Pumpen des Strom über die Diode (50, 52) in den Kondensator (60, 62) wird dort eine Spannung erzeugt die über dem Wert der Eingangsspannung liegt. Die Höhe dieser Ausgangsspannung ist im Wesentlichen abhängig von der Eingangsspannung und vom Verhältnis von Einschaltdauer und Schaltperiode (2π) des Schalters (40, 42).
Erfindungsgemäß ist die Schaltungsanordnung gemäß 1 derart weitergebildet, dass die beiden Spulen (20, 22) einen gemeinsamen Kern (30) aufweisen. Dies ist beispielhaft realisiert durch die Verwendung eines Transformators mit identischer Wicklungszahl der Primär- und der Sekundärwicklung. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass hierdurch die beiden Spulen (20, 22) gekoppelt werden, was in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besondere Vorteile aufweist. Diese Vorteile werden mit Hilfe der 3 und 4 weiter erläutert.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 1. Im Vergleich hierzu zeigt 4 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen der Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik nach 2. Für die Simulationen gemäß der 3, 4 und auch der 7 sind die Werte für die Eingangsspannung (400V) und die Induktivität der Einzelspule (100 μH) jeweils gleich. In 3. findet im Gegensatz zu 4 das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung. Hierbei werden die beiden Schalter (40, 42) der zugeordneten Hochsetzsteller (1, 2) gegeneinander versetzt getaktet, anders formuliert, um den Faktor π versetzt, geschaltet.
In den Graphen der 3 und 4 sind dargestellt, der Eingangsstrom (I10) am Gleichspannungseingang (10), der Strom (I20, I22) durch die Spulen (20, 22), die Ströme (I40, I42) durch die Schalter (40, 42) und die Ausgangsspannung (U70). In 4 sind die Ströme (I40, I42) beider Schalter (40, 42) identisch und liegen somit übereinander.
Ein Vergleich der 3 und 4 zeigt, dass durch das versetzte Einschalten der Schalter (40, 42) in Kombination mit der Kopplung der beiden Spulen (20, 22) über den gemeinsame Kern (30) die Welligkeit des Eingangsstroms (I10) deutlich reduziert wurde. Hierdurch werden die zugehörige Stromquellen (10), beispielhaft eine serielle Anordnung mehrere Solarzellen, gleichförmiger belastet und somit deren Lebensdauer erhöht. Es kann im Gegensatz zu dieser Darstellung auch bevorzugt sein, wenn die Taktzeiten der jeweiligen Schalter (40, 42) der Hochsetzsteller (1, 2) unterschiedlich zueinander gewählt werden. Dies ist beispielhaft in Solaranlagen sinnvoll, in denen einzelnen Gruppen von Solarzellen mit zugeordneten Hochsetzstellern (1, 2) verbunden sind und diese Gruppen beispielhaft auf Grund von Defekten einzelner Zellen unterschiedliche Leistungscharakteristika aufweisen.
Weiterhin ist ersichtlich, dass die Stromwelligkeit (I10) und auch der Anstieg des Stroms (I40, I42) durch den jeweiligen Schalter (40, 42) in der erfindungsgemäßer Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich reduziert ist. Dies verringert einerseits die Schaltverluste, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird und andererseits werden die Schalter (40, 42) hierdurch weniger belastet, wodurch deren Lebensdauer gesteigert wird.
Letztendlich wird durch die genannten Maßnahmen die Welligkeit der Ausgangsspannung (U70) ebenfalls reduziert.
5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Schaltungsanordnung mit vier Hochsetzstellern (1, 2, 3, 4). Dargestellt sind hierbei vier Hochsetzsteller, deren jeweilige Spulen (20, 22, 24, 26) auf einem gemeinsamen Kern (32) angeordnet sind. Hierbei ist zu beachten, dass die Spulen (20, 22, 24 26) derartig auf dem Kern (32) angeordnet sind, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Kern (32) mit jedem Takt entgegengesetzt zum vorhergehenden Takt magnetisiert wird.
Die Gleichspannungseingänge der einzelnen Hochsetzsteller werden von einer gemeinsamen Quellen (10) gespeist. Die Gleichspannungsausgänge (70, 72, 74, 76) der vier Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) sind nicht miteinander verbunden, beispielhaft zur jeweiligen Verbindung mit einer Mehrzahl von kaskadierten Wechselrichtern und letztlich hierüber mit einem Stromnetz.
6 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Schaltungsanordnung mit vier Hochsetzstellern (1, 2, 3, 4). Dargestellt sind hierbei wiederum vier Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4), wobei jeweils zwei Spulen (20, 22, 24, 26) von zugeordneten Hochsetzstellern (1, 2, 3, 4) auf einem gemeinsamen Kern (30, 34) angeordnet sind. Hierbei ist ebenfalls zu beachten, dass die Spulen (20, 22, 24, 26) derartig auf dem jeweils zugeordneten Kern (30, 34) angeordnet sind, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Kern mit jedem Takt entgegengesetzt zum vorhergehenden Takt magnetisiert wird.
Die Gleichspannungseingänge der einzelnen Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) werden von unabhängigen, vorzugsweise identisch ausgebildeten, Quellen (12) gespeist. Die Gleichspannungsausgänge der vier Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) sind miteinander verbunden, beispielhaft zur Verbindung mit einem gemeinsamen Wechselrichter und letztlich mit einem Stromnetz.
7 zeigt den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen, wie den Einschaltströmen (I40, I42, I44, I46) der jeweiligen Schalter (40, 42, 44, 46) der jeweiligen Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 6. Hierbei ist wiederum die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich. Sowohl die Welligkeit des Eingangstroms (I12) als auch der Ausgangsspannung (U78) wurden durch den Einsatz von vier anstelle von zwei Hochsetzstellern in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter reduziert.

Claims

Schaltungsanordnungen mit einer Mehrzahl von Hochsetzstellern (1, 2, 3, 4) wobei jeder Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) einen Gleichspannungseingang, zwei Leitungszweige und einen Gleichspannungsausgang aufweist, in einem ersten Leitungszweig eingangsseitig eine Spule (20, 22, 24, 26), ausgangsseitig eine Diode (50, 52, 54; 56) angeordnet und zwischen der Spule (20, 22, 24, 26) und der Diode (50, 52, 54, 56) und dem zweiten Leitungszweig ein Schalter (40, 42, 44, 46) angeordnet sind, wobei mindestens zwei Spulen (20, 22, 24, 26) von zwei zugeordneten Hochsetzstellern (1, 2, 3 4) einen gemeinsamen Kern (30, 32, 34) aufweisen.
Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, wobei der Schalter (40, 42, 44, 46) ein Halbleiterschalter ist.
Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, wobei der jeweilige Gleichspannungsausgang (70, 72, 74, 76) einen Kondensator (80, 82, 84, 86) aufweist.
Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungsausgänge zu einem gemeinsamen Ausgang (78) verbunden sind.
Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, wobei alle Gleichspannungseingänge der Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) aus einer gemeinsamen Spannungsquelle (10) gespeist werden.
Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1, wobei alle Gleichspannungseingänge der Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) aus einer Mehrzahl gleichartiger Spannungsquellen (12) gespeist werden.
Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalter (40, 42, 44, 46) derjenigen Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4), deren Spulen (20, 22, 24, 26) einen gemeinsamen Kern (30, 32, 34, 36) aufweisen, derart getaktet werden, dass ihre Einschaltimpulse um 2π geteilt durch die Anzahl dieser Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) gegeneinander versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Taktzeiten der jeweiligen Schalter (40, 42, 44, 46) der Hochsetzsteller (1, 2, 3, 4) unterschiedlich zueinander gewählt werden.