DE102008030814A1 - Spannungswandlerschaltung und Wechselrichter - Google Patents

Spannungswandlerschaltung und Wechselrichter Download PDF

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Abstract

Eine Spannungswandlerschaltung zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine vorgebbare Ausgangsgleichspannung besitzt einen Eingang und einen Ausgang sowie eine aus dem Eingang gespeiste verstellbare Spannungsquelle. Dabei ist der Ausgang so mit einer Reihenschaltung aus dem Eingang und aus der verstellbaren Spannungsquelle beschaltet, dass sich die am Eingang anliegende Spannung und die Spannung der verstellbaren Spannungsquelle addieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungswandlerschaltung für Gleichspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die vorliegende Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
  • Spannungswandlerschaltungen für Gleichspannung, auch DC/DC Wandler genannt, werden bei einer großen Vielfalt von Anwendungen eingesetzt. Solche sind z. B. Wechselrichter für Solaranlagen, Schaltnetzteile, Umrichter zur Motor- und Generatorsteuerung sowie elektrische Fahrantriebe in Kraftfahrzeugen oder Flurförderfahrzeugen.
  • Bei den heute überwiegend eingesetzten Konzepten zur Wandlung von insbesondere Gleichspannung wird die gesamte Leistung oder Energie über den Hoch- bzw. Tiefsetzsteller geführt. Der Nachteil dieses Konzeptes ist, dass die komplette Leistung über insbesondere die schaltenden Elemente geführt wird, was in diesen zu erhöhten Verlusten und damit zu geringeren Wirkungsgraden führt.
  • Gerade bei Photovoltaikwechselrichtern ist ein verbesserter Wirkungsgrad des Einspeisewechselrichters aufgrund der langen Betriebszeiten von großem Vorteil. Bei solchen Wechselrichtern wird fast immer ein DC/DC Wandler benötigt, um die je nach Wetter und Tageszeit stark schwankende Spannungsabgabe der Photovoltaikmodule an die benötigte Netzeinspeisespannung anzupassen.
  • In der DE 10 2006 010 694 A1 wird eine Wechselrichterschaltung mit integrierten DC/DC-Wandlern beschrieben. Der Wechselrichter ist symmetrisch aufgebaut. Ein Eingangszweig, welcher die Eingangsspannung führt, und ein weiterer Eingangszweig, welcher eine aufwärts gewandelte Spannung führt, sind parallel geschalten. Je nach momentan benötigter Einspeisespannung – d. h. unter Anderem abhängig vom momentanen Phasenwinkel des Netzes – wird je einer dieser Eingangszweige belastet. Die Wirkungsgraderhöhung wird dadurch erreicht, dass bei ausreichend hoher Spannung der Photovoltaikmodule keine Leistung über den DC/DC-Wandler fließt und dadurch ein hoher Wirkungsgrad im Nennleistungsbereich zu erreichen ist. Aber auch bei zu geringer Eingangsspannung (kleiner der Amplitude der Netzspannung) wird im Zeitmittel nur ein Teil der Leistung über den Hochsetzsteller geführt und damit auch bei kleineren Spannungen ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht. Der Nachteil dieses Konzeptes ist, dass relativ viele aktive Bauteile verwendet werden, was dazu führt, dass der Leistungsteil vergleichsweise teuer wird und kompliziert angesteuert werden muss.
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine möglichst einfache und trotzdem energieeffiziente Spannungswandlerschaltung anzugeben, mit der sich z. B. der Wirkungsgrad von Einspeisewechselrichtern steigern lässt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Spannungswandlerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
  • Die Reihenschaltung der Eingangsspannung und einer verstellbaren Spannungsquelle erlaubt es, dass nur eine Differenzspannung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung im eigentlichen Spannungswandlerzweig – im Anspruch als verstellbare aus der Eingangsspannung gespeiste Spannungsquelle bezeichnet – erzeugt wird. Dadurch werden die Leistungsverluste in der Spannungswandlerschaltung insgesamt verringert. Die durch Spannungswandlung erzeugte Differenzspannung stützt sich dabei an der Eingangsspannung ab.
  • Der Vorteil dieses Konzeptes liegt bei der Spannungswandlung in der Leistungsaufteilung so dass je nach Eingangspannung und Ausgangsspannung nur ein Teil der gesamten Leistung über einen Hoch- bzw. Tiefsetzsteller geführt wird und dadurch die Verluste in den aktiven Bauteilen reduziert werden. Dadurch ist ein höherer Wirkungsgrad bei der Spannungswandlung bzw. Spannungsanpassung im Vergleich zu herkömmlichen Wandlungskonzepten zu erreichen, was zu einer Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten führt. Das beschriebene Schaltungskonzept kann auch in Systemen für die Wandlung von einphasigen oder mehrphasigen Wechselspannungen verwendet werden, wenn zuvor die Wechselspannung gleichgerichtet wird.
  • Ein Wechselrichter unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht nur einfacher aufgebaut als der eingangs beschriebene herkömmliche Wechselrichter. Er ist bei niedriger Eingangsspannung – unterhalb der Netzscheitelspannung – zumindest genauso effizient, da beim herkömmlichen Wechselrichter, wenn die Aufwärtswandlung erfolgt, die gesamte momentan gewandelte Leistung über den Hochsetzsteller fließt.
  • Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen leistungsverzeigenden Hochsetzsteller gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 2 einen Abwandlung des in 1 dargestellten Hochsetzstellers durch Vorsehen eines Bypasspfades zum Hochsetzstellzweig über eine Diode,
  • 3 eine Abwandlung des in 2 dargestellten Hochsetzstellers unter Verwendung eines Schalters anstelle der Diode,
  • 4 eine Abwandlung des in 2 dargestellten Hochsetzstellers bei der der Hochsetzstellzweig unter Verwendung eines weiteren Schalters vom Ausgang abgekoppelt werden kann,
  • 5 einen leistungsverzeigenden Tiefsetzsteller gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 6 eine Abwandlung des in 5 dargestellten Tiefsetzstellers durch Vorsehen eines Bypasspfades zum Tiefsetzstellzweig über einen Schalter,
  • 7 eine Abwandlung des in 6 dargestellten Tiefsetzstellers bei der der Tiefsetzstellzweig unter Verwendung eines weiteren Schalters vom Ausgang abgekoppelt werden kann,
  • 8 einen Wechselrichter mit asymmetrischem Eingang gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher als Eingangsschaltung einen Hochsetzsteller gemäß 2 besitzt,
  • 9 einen Wechselrichter mit asymmetrischem Eingang gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher als Eingangsschaltung einen Hochsetzsteller gemäß 4 besitzt,
  • 10 einen Wechselrichter mit symmetrischem Eingang gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher in der Eingangsschaltung zwei Hochsetzsteller gemäß 2 besitzt, und
  • 11 einen Wechselrichter mit symmetrischem Eingang gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher in der Eingangsschaltung zwei Hochsetzsteller gemäß 4 besitzt.
  • In den Figuren und in der nachfolgenden Beschreibung wurden folgende Bezugszeichen verwendet:
    • S1, S2, S3
    bezeichnen Schalter als aktives Bauelement, z. B. einen Transistor, Thyristor, IGBT, Mosfet, etc.
    D1, D2
    bezeichnen Dioden
    C1, C2
    bezeichnen Kondensatoren bzw. elektrische Energiespeicher
    L1
    bezeichnen Spulen bzw. induktive Bauelemente
    U
    bezeichnen Spannungen über den entsprechenden Bauelementen.
  • In 1 ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für einen Spannungswandler ein leistungsverzweigender Hochsetzsteller für Gleichspannung abgebildet, der die Eingangsspannung UE ein eine variable Ausgangspannung UA wandelt.
  • Zwei Kondensatoren C1 und C2 sind in Reihe geschalten. Die Eingangsspannung UE liegt an C1 an. Die Ausgangsspannung UA wird über der Reihenschaltung von C1 und C2 abgegriffen. Das positive Potential der Eingangsspannung ist dem gemeinsamen Anschluss von C1 und C2 zugeführt. Der andere Anschluss von C2 ist über eine Spule L1 und eine Diode D1 in Reihe ebenfalls an das positive Potential der Eingangsspannung angeschlossen. Am Verbindungspunkt zwischen Spule L1 und Diode D1 ist ein Schalter S1 angeschlossen. Über den Schalter S1 kann der genannte Verbindungspunkt mit Masse beschaltet werden. Insgesamt bilden die Spule L1, die Diode D1, der Schalter S1 und der Kondensator C2 einen an sich bekannten Hochsetzsteller, welcher sich jedoch anstatt an Masse am positiven Potential der Eingangsspannung abstützt. Dieser wandelt führt jedoch nicht für die gesamte am Ausgang entnommene Leistung eine Spannungswandlung durch sondern nur für den Anteil, der sich durch die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung ergibt. Die Schaltung aus Spule L1, die Diode D1, der Schalter S1 und der Kondensator C2 wird nachfolgend auch als Hochsetzstellzweig bezeichnet.
  • Bei einer gewünschten Ausgangsspannung UA, die über der Eingangsspannung liegt, wird das Schalter S1 durch eine nicht dargestellte Steuerschaltung so getaktet, dass die Spannungssumme der Kondensatoren C1 und C2 genau der Ausgangsspannung UA entspricht (UA = UC1 + UC2).
  • Wird der Schalter S1 geschlossen, dann baut sich ein Strom auf, der durch C1 und L1 fließt und den Kondensator C1 geringfügig entlädt. Wird der Schalter geöffnet, fließt der Strom über die Diode D1 weiter und der Kondensator C2 wird geladen.
  • Der Vorteil bei der Schaltung nach 1 ist, dass je nach gewünschter Ausgangsspannung UA nur ein kleiner Teil der Energie – entsprechend dem Verhältnis der Spannungsdifferenz UA–UE zur Ausgangsspannung UA – über den Hochsetzstellzweig L1, D1, S1, C2 geführt wird, und daher bei. dieser Variante sehr wenige Verluste anfallen. Sehr vorteilhaft ist diese Schaltung dann, wenn die Ausgangsspannung UA nur wenig über der Eingangsspannung UE liegt, da in diesem Fall sehr wenig Leistung bzw. wenig Energie über L1, D1, S1, C2 fließt. Außerdem können in einem solchen Fall die Bauteile L1, D1, S1, C2 entsprechend klein dimensioniert werden.
  • Um möglichst viel Energie zu erzeugen, wird in verschiedenen Anwendungen der regenerativen Energieerzeugung – z. B. bei der Photovoltaik – die Eingangsspannung so geregelt, dass der Erzeugungsanlage die maximale Energie bzw. Leistung entnommen werden kann (Maximum Power Point Tracking). Dieses Verfahren ist auch bei der hier beschriebenen Erfindung einsetzbar, indem die Spannung UE dementsprechend geregelt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Spannung UE von dem leistungsverzweigenden Hochsetzsteller und der Leistungsabgabe an einen nachgeschalteten Wechselrichter beeinflusst wird. Der Hochsetzsteller wird vorzugsweise so geregelt, dass die gewünschte Leistungsabgabe gegenüber dem Einspeisenetz erzielt werden kann
  • Ist die Eingangsspannung UE groß genug, dann kann der Schalter S1 so angesteuert werden, dass die Spannung über C2 nur geringfügig größer als 0 Volt ist.
  • Eine mögliche Abwandlung ist in 2 dargestellt. Diese Abwandlung verbessert den Wirkungsgrad bei ausreichend hoher Eingangsspannung, also wenn UA gleich UE gesetzt ist. Ist der Schalter S1 ständig geöffnet, fließt keine Energie über den Hochsetzsteller. Stattdessen steht ein Bypasspfad zur Verfügung. Auf diesem fließt der komplette Strom durch die Diode D2, die auch als aktiver Schalter S2 wie in der Schaltung gemäß 3 ausgeführt sein kann. Insbesondere wenn die Verluste gering sein sollten, kann an Stelle der Diode D2 ein Mosfet Schalter S2 eingesetzt werden.
  • Um den Leistungs- und Stromfluss über den Hochsetzstellzweig L1, D1, S1, C2 noch weiter zu verringern, dient das Schaltungskonzept nach 4. Wird der Schaltung nach 4 ein Wechselrichter nachgeschaltet, so können bei einer Einspeisung in ein Wechsel- oder Drehstromnetz zur Reduzierung der Verlustleistung die schaltbaren Elemente S2 und S3 jeweils wechselweise wie folgt angesteuert werden: Solange der durch den Phasenwinkel bedingte Momentanspannungswert der Wechsel- oder Drehstromspannung unter der Spannung von UE liegt, wird der Schalter S2 geschlossen, während S3 offen ist, und die Leistung wird ohne Hochsetzen in das entsprechende Netz eingespeist. Es findet sozusagen ein Bypassbetrieb statt. Liegt der aktuelle Wert der Netzspannung über der von UE, dann wird der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S3 geschlossen. Nur in diesem Betriebszustand fließt Strom und ein dem Spannungsverhältnis (UA–UE)/UA entsprechender Teil der Leistung über den Hochsetzstellzweig L1, D1, S1, C2. Dies wird nachfolgend als Hochsetzbetrieb bezeichnet.
  • Der zusätzliche Schalter S3 verhindert bei raschem Wechsel zwischen Hochsetzbetrieb und Bypassbetrieb ein Entladen des Kondensators C2 in Zeitabschnitten, in denen der Hochsetzstellzweig L1, D1, S1, C2 durch den Schalter S2 überbrückt ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind in den 5, 6 und 7 Schaltungstopologien für leistungsverzweigende Tiefsetzsteller für Gleichspannung dargestellt.
  • Ähnlich wie bei den leistungsverzweigenden Hochsetzstellern der 1 bis 4 wird bei den leistungsverzweigenden Tiefsetzstellern nach 5, 6 und 7 die gewünschte Ausgangsspannung als Summe der Spannungen der zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren C1 und C2 gebildet, also der Eingangsspannung und einer weiteren, einstellbaren Spannung, welche in diesem Fall jedoch der Eingangsspannung entgegen gerichtet ist.
  • Zwei Kondensatoren C1 und C2 sind in Reihe geschalten. Die Eingangsspannung UE liegt an C1 an. Die Ausgangsspannung UA wird über der Reihenschaltung von C1 und C2 abgegriffen. Das positive Potential der Eingangsspannung ist dem gemeinsamen Anschluss von C1 und C2 zugeführt. Der andere Anschluss von C2 ist über eine Diode D1 und eine Spule L1 in Reihe ebenfalls an das positive Potential der Eingangsspannung angeschlossen. Die Reihenfolge der Spule L1 und der Diode D1 sowie die Durchlassrichtung der Diode D1 sind gegenüber dem Hochsetzsteller der 1 vertauscht. Über den Schalter S1 kann der Verbindungspunkt zwischen Spule L1 und Diode D1 mit Masse beschaltet werden. Insgesamt bilden die Spule L1, die Diode D1, der Schalter S1 und der Kondensator C2 einen an sich bekannten Tiefsetzsteller, welcher sich jedoch anstatt an Masse am positiven Potential der Eingangsspannung abstützt.
  • Die Spannung des Kondensators UC2 wird demnach so eingestellt das gilt: UA = UC1 + UC2. Die Spannung auf dem Kondensator C2 wird über den Tiefsetzstellzweig aus Spule L1, dem Schalter S1, der Diode D1, und dem Kondensator C2 welche zusammen einen invertierenden Tiefsetzsteller bilden, erzeugt. Durch die in 5, 6 und 7 gezeigte Verschaltung der Bauteile ist die Spannung über dem Kondensator C2 der Spannung über C1 entgegengesetzt. Um den Kondensator C2 zu laden, wird der Schalter S1 geschlossen und es baut sich ein Strom auf, der durch die Spule L1 und Schalter S1 fließt. Wird der Schalter S1 wieder geöffnet, dann wird der Strom solange über die Diode D1 weiterfliesen, bis der Strom Null wird und sich die Spannung umkehrt. Durch eine geeignete getaktete Ansteuerung von S1 wird die Spannung UC2 so geregelt, dass die gewünschte Ausgangsspannung UA entsteht.
  • Die Schaltungen gemäß 6 und 7 zeigen Abwandlungen des Tiefsetzstellers gemäß 5. Dabei erlaubt der in der Schaltung gemäß 6 zusätzlich vorhandenen Schalter S2 die Überbrückung des Tiefsetzstellzweigs L1, S1, D1, C2. Damit kann die Eingangsspannung ohne Wandlung direkt am Ausgangsanschluss bereitgestellt werden. Bei niedriger Eingangsspannung fallen also keine Wandlungsverluste an. Weitere Vorteile bietet die Schaltung gemäß 7. Der zusätzliche Schalter S3 entkoppelt den Tiefsetzstellzweig L1, S1, D1 und C2 von dem Ausgangsanschluss, so dass ein Entladen des Kondensators C2 vermieden wird, wenn der Tiefsetzstellzweig L1, S1, D1, C2 über den Schalter S2 überbrückt wird. So kann mit hohem Wirkungsgrad häufig zwischen einem Tiefsetzbetrieb, in dem der Tiefsetzstellzweigs L1, S1, D1, C2 aktiv ist, und einem Bypassbetrieb, in dem der Tiefsetzstellzweigs L1, S1, D1, C2 nicht aktiv ist, gewechselt werden.
  • Nachfolgend werden beispielhaft Anwendungen für die leistungsverzweigenden Hochsetzsteller gemäß den 2 und 4 beschrieben, bei denen solche Hochsetzsteller als Teil eines Wechselrichters bzw. Umrichters zum Einsatz kommen. Selbstverständlich können alle der in den 1 bis 7 dargestellten Spannungswandler bei Bedarf in Wechselrichtern bzw. Umrichtern verwendet werden. Mögliche Anwendungen sind u. A. Einspeisewechselrichter für Gleichstromquellen mit großer Schwankungsbreite der Eingangsspannung, wie z. B. Solareinspeisewechselrichter oder rückspeisefähige elektrische Antriebe mit Drehstrommotoren der industriellen Automationstechnik.
  • Die 8 und 9 zeigen Schaltungsanordnungen unter Verwendung des leistungsverzweigenden Hochsetzstellers mit Diode D2 oder aktivem Bauteilen S2 und S3 nach den 2 bzw. 4 als Eingangsschaltung 3 für einen Wechselrichter 5. Der Wechselrichter 5 kann ein oder mehrphasig ausgeführt sein. Für den abgebildeten Wechselrichter 5 sind alle bekannten Schaltungen denkbar. Daher ist die hier beschriebene Erfindung sehr vielseitig einsetzbar bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung.
  • 10 und 11 zeigen symmetrisch aufgebaute Wechselrichter 9 mit einer ebenfalls symmetrisch ausgelegten Eingangsschaltung 7 aus leistungsverzweigenden Hochsetzstellern gemäß den 2 bzw. 4. Bei dieser Anordnung werden die Vorteile der Wechselrichtertopologien mit symmetrischen Eingangsspannungen genutzt. Diese können sowohl ein- als auch mehrphasig ausgeführt sein.
  • Wie gesagt können anstelle der Hochsetzsteller gemäß der 2 und 4 auch die Hochsetzsteller gemäß den 1 und 3 sowie Tiefsetzsteller gemäß den 5 bis 7 in die Eingangsschaltung von Wechselrichtern, – wie sie die 8 bis 11 zeigen – integriert werden. Tiefsetzsteller können je nach Einsatzzweck des Wechselrichter anstelle oder parallel zu einem Hochsetzsteller vorgesehen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006010694 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Spannungswandlerschaltung zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine vorgebbare Ausgangsgleichspannung mit einem Eingang und einem Ausgang, sowie mit einer aus dem Eingang gespeisten verstellbaren Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2), dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang so mit einer Reihenschaltung aus dem Eingang und der verstellbaren Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2) beschaltet ist, dass sich die am Eingang anliegende Spannung und die Spannung der verstellbaren Spannungsquelle addieren.
  2. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2) einen getakteten elektronischen Spannungswandler umfasst.
  3. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2) einen nicht invertierenden Aufwärtswandler umfasst.
  4. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2) einen invertierenden Abwärtswandler umfasst.
  5. Spannungswandlerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasspfad parallel zu der verstellbaren Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2) vorgesehen ist.
  6. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasspfad durch einen elektronischen Schalter (S2) sperrbar ist.
  7. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiterer Schalter (S3) vorhanden ist, durch den die verstellbare Spannungsquelle (L1, S1, D1, C2) vom Ausgang bzw. vom Bypasspfad entkoppelbar ist.
  8. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypasspfad eine Diode (D2) angeordnet ist, welche im Sinne der technischen Stromrichtung einen Stromfluss vom Eingang zum Ausgang zulässt.
  9. Wechselrichter zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung, mit einer Eingangsschaltung (3; 7), der die Eingangsgleichspannung zugeführt ist und die eine vorgegebene Arbeitsgleichspannung zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (3; 7) eine Spannungswandlerschaltung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8 aufweist.
  10. Wechselrichter nach Anspruch 9, welcher eine symmetrische Architektur dergestalt aufweist, dass ein Neutralleiter und zwei gegenüber dem Neutralleiter gegensätzlich gepolte Gleichspannungszweige vorhanden sind, wobei jeder der zwei Gleichspannungszweige mit jeweils einer Spannungswandlerschaltung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8 beschaltet ist.
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