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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für einen Spannungswandler mit drei Schaltelementen, zwei Speicherdrosseln und zwei Anschlusspaaren sowie den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf Anwendungen einer solchen Schaltung. Konkret geht es um eine leistungselektronische Schaltung für einen Spannungswandler, das heißt eine Schaltung, über die elektrischer Strom fließt, um elektrische Leistung zwischen den beiden Anschlusspaaren zu transferieren.
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Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem ersten, zweiten und dritten Schaltelement, einer ersten und zweiten Speicherdrossel, einem ersten und zweiten Anschlusspaar, einem ersten und zweiten Anschluss oder einem ersten und einem zweiten Zwischenpotentialpunkt die Rede ist, so werden hierbei die Adjektive erster, zweiter und dritter ausschließlich zur Unterscheidung der aufgezählten Teile der Schaltung verwendet. Sie sollen auf keine Rangfolge oder Abstufung zwischen diesen Teilen hinweisen.
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Unter einem Schaltelement wird hier nicht notwendigerweise ein mit einem externen Signal aktiv schaltbarer Schalter verstanden, sondern grundsätzlich auch ein passives Schaltelement, wie beispielsweise eine Diode. Ein Schaltelement kann neben einem aktiv schaltbaren Schalter auch eine parallele Diode aufweisen, wie sie z. B. bei einem MOSFET-Halbleiterschalter intrinsisch vorhanden ist.
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STAND DER TECHNIK
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Zur Ausbildung eines verpolungssicheren Spannungswandlers ist es bekannt, dem eigentlichen Spannungswandler eine Diodenvollbrücke vorzuschalten. Dieser Schaltungsaufbau ist mit Durchlassverlusten in den Dioden verbunden. Zudem muss die Eingangsspannung zwischen den eingangsseitigen Anschlüssen deutlich über der doppelten Diodendurchlassspannung liegen. Der Potentialbezug zwischen den eingangsseitigen Anschlüssen und ausgangsseitigen Anschlüssen eines solchen Spannungswandlers ist undefiniert; und ein Leistungsfluss kann nur unidirektional von den eingangsseitigen Anschlüssen zu den ausgangsseitigen Anschlüssen erfolgen.
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Die voranstehend geschilderte bekannte Schaltung kann auch zur Ausbildung eines leistungsfaktoroptimierten AC/DC-Wandlers verwendet werden, wobei die eingangsseitigen Anschlüsse nicht für eine Eingangsgleichspannung unbekannter Polarität, sondern für eine Wechselspannung vorgesehen sind. Die oben angesprochenen Nachteile der bekannten Schaltung treten auch bei dieser Anwendung auf.
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Für die Ausbildung eines leistungsfaktoroptimierten AC/DC-Wandlers ist weiterhin eine sogenannte ”Bridgeless Power Factor Correction” oder kurz ”Bridgeless PFC”-Stufe bekannt. Dabei ist eine kombinierte Dioden-/Transistorvollbrücke vorgesehen, an die die eingangsseitige Wechselspannung über eine oder mehrere Drosseln angeschlossen ist. Dieser Schaltungsaufbau ist neben den zu dem zuletzt beschriebenen AC/DC-Wandler angeführten Nachteilen mit dem weiteren Nachteil verbunden, dass die Ausgangsgleichspannung an den ausgangsseitigen Anschlüssen nicht kleiner werden kann als der Spitzenwert der eingangsseitigen Wechselspannung, soweit nicht ein zusätzlicher DC/DC-Wandler vorgesehen wird, Aus Sahid M. R.; Yatim, A. H. M.; Taufik T.: ”A New AC-DC Converter Using Bridgeless SEPIC”, IECON 2010 – 36th Annual Conference an IEEE Industrial Electronics Society, Digital Object Identifier: 10.1109/IECON.2010.5675012, Publication: 7.–10. November 2010, Pages 286–290, ist eine Abwandlung einer so genannten ”Bridgeless SEPIC PFC”-Stufe bekannt, die für Eingangsspannungen unbekannter Polarität oder Wechselspannungen geeignet ist. Diese Schaltung weist insgesamt drei Speicherdrosseln und vier Schaltelemente auf. Von zwei der drei Speicherdrosseln, die ausgangsseitig vorgesehen sind, bleibt bei gegebener Polarität der Eingangsspannung jeweils eine spannungslos. Dadurch müssen alle drei Speicherdrosseln mit jeweils einem eigenen Kern aufgebaut werden, und eine Einsparung durch magnetische Kopplung ist nicht möglich. Ein weiterer Nachteil der bekannten elektrischen Schaltung sind hochfrequente Potentialsprünge, die durch das Schalten eines aktiv angesteuerten Schalters, der unmittelbar und nicht über die eine eingangsseitige Speicherdrossel mit einem eingangsseitigen Anschluss der Schaltung verbundenen ist, zwischen den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Anschlüssen der Schaltung auftreten. Die bekannte Schaltung ist daher nicht einsetzbar, wenn ein definierter Potentialbezug zwischen den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Anschlüssen gefordert ist.
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Aus der Shoyama, M.; Ge Li; Ninomiya, T.: ”Balanced Switching Converter to Reduce Common-Mode Conducted Noise”, Industrial Electronics, IEEE Transactions an Volume: 50, Issue: 6, Digital Object Identifier: 10.1 109/TIE.2003.819677, Publication Year: 2003, Pages: 1095–1099, ist es zwar bekannt, zur Reduzierung von aus derartigen Potentialsprüngen resultierenden hochfrequenten Ableitströme die Eingangsstufe eines DC/DC-Wandlers symmetrisch, d. h. mit zwei gekoppelten Drosseln in beiden Eingangsleitungen auszubilden. Dann treten jedoch für beide Polaritäten der Eingangsspannung hochfrequente Potentialsprünge zwischen Ein- und Ausgang auf. Lediglich die Höhe der Potentialsprünge ist gegenüber der unsymmetrischen Ausführung des voranstehend erläuterten Stands der Technik reduziert. Auch diese bekannte Schaltung ist daher nicht einsetzbar, wenn ein definierter Potentialbezug zwischen den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Anschlüssen gegeben sein soll.
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Bei einem z. B. zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors bekannten Vierquadrantensteller in Form einer aus Schaltern mit parallelen Dioden aufgebauten Vollbrücke, wobei eine der Halbbrücken über eine Drossel mit dem einen ausgangsseitigen Anschluss verbunden ist, bestehen die Nachteile, dass ohne weiteren DC/DC-Wandler die Ausgangsspannung nie größer als die Eingangsspannung sein kann und dass der Potentialbezug zwischen den eingangsseitigen Anschlüssen und den ausgangsseitigen Anschlüssen undefiniert ist. Der Nachteil des undefinierten Potentialbezugs ist zwar bei einem Vierquadrantensteller mit einer Halbbrücke bei gleichzeitig gesplitteter Eingangsgleichspannung, wobei der eine ausgangseitige Anschluss über die Drossel an den Spannungsmittelpunkt angeschlossen ist, beseitigt. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung aber nie größer als die gesplittete, das heißt die halbe Eingangsspannung sein, und der zusätzliche Aufwand für die Erzeugung der gesplitteten Eingangsgleichspannung ist zu betreiben.
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Zur Ausbildung eines Wechselrichters zur Netzeinspeisung ist eine Vollbrücke aus aktiv angesteuerten Schaltern mit parallelen Dioden bekannt, wobei die Mittelpunkte der beiden Halbbrücken über Drosseln mit den ausgangsseitigen Anschlüssen für das Netz verbunden sind. Die Nachteile dieser bekannten Schaltung sind das veränderliche Potential zwischen den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Anschlüssen und dass die Eingangsgleichspannung mindestens der Netzscheitelspannung entsprechen muss, wenn kein zusätzlicher DC/DC-Wandler eingesetzt werden soll.
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Bei Verwendung einer Halbbrücke in Verbindung mit einer gesplitteten Eingangsgleichspannung entsteht bei einem Wechselrichter zur Netzeinspeisung der Nachteil, dass die Eingangsgleichspannung mindestens der doppelten Netzscheitelspannung entsprechen muss. Zudem ist der Aufwand für die Erzeugung der gesplitteten Versorgungsspannung zu betreiben.
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Die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 treten bei bekannten Kombinationen von Spannungswandler- und Brückenschaltungen auf.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die als verpolungssicherer DC/DC-Wandler, aber auch in anderen DC/DC-, DC/AC- und AC/DC-Wandlern einsetzbar ist, wobei die geschilderten Nachteile des Stands der Technik vermieden werden.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Schaltung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10 definiert, Die abhängigen Patentansprüche 11 bis 15 betreffen verschiedene konkrete Anwendungen der neuen Schaltung.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der neuen leistungselektronischen Schaltung für einen Spannungswandler mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Schaltelement, mit einer eine Wicklung aufweisenden ersten Speicherdrossel und einer eine erste und eine damit magnetisch gekoppelte zweite Wicklung aufweisenden zweiten Speicherdrossel, mit einem ersten Anschlusspaar aus einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und mit einem zweiten Anschlusspaar aus einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss ist ein erster Zwischenpotentialpunkt über die erste Speicherdrossel mit dem ersten Anschluss des ersten Anschlusspaars, über das dritte Schaltelement mit dem zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaars und direkt oder über eine Kapazität mit einem zweiten Zwischenpotentialpunkt verbunden, wobei dieser zweite Zwischenpotentialpunkt seinerseits über eine Reihenschaltung aus dem ersten Schaltelement und der ersten Wicklung der zweiten Speicherdrossel mit dem ersten Anschluss des zweiten Anschlusspaars und über eine Reihenschaltung aus dem zweiten Schaltelement und der zweiten Wicklung der zweiten Speicherdrossel mit dem zweiten Anschluss des zweiten Anschlusspaars verbunden ist und wobei weiterhin der erste Anschluss des ersten Anschlusspaars mit dem ersten Anschluss des zweiten Anschlusspaars und/oder der zweite Anschluss des ersten Anschlusspaars mit dem zweiten Anschluss des zweiten Anschlusspaars direkt oder über eine Kapazität verbunden ist, wobei maximal der erste Anschluss des ersten Anschlusspaars mit dem ersten Anschluss des zweiten Anschlusspaars oder der zweite Anschluss des ersten Anschlusspaars mit dem zweiten Anschluss des zweiten Anschlusspaars oder der erste Zwischenpotentialpunkt mit dem zweiten Zwischenpotentialpunkt direkt verbunden ist. Alle anderen Verbindungen zwischen den beiden Zwischenpotentialpunkten, den ersten Anschlüssen der beiden Anschlusspaare und den zweiten Anschlüssen der beiden Anschlusspaare sind – falls vorhanden – kapazitiv hergestellt. Es können auch alle zwei oder drei vorhandenen Verbindungen kapazitiv hergestellt sein.
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In dieser Schaltung weisen das erste und das zweite Schaltelement jeweils vorzugsweise einen aktiv, das heißt mit einem externen Signal schaltbaren Schalter auf. Zusätzlich können das erste und das zweite Schaltelement jeweils eine zu dem Schalter parallele Diode aufweisen, wobei entweder die Anoden oder die Kathoden der beiden Dioden mit dem zweiten Zwischenpotenzialpunkt verbunden sind. Dies bedeutet, dass zwischen den beiden Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars kein Strom über die Dioden fließen kann, weil er immer von einer der beiden Dioden gesperrt wird.
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Das dritte Schaltelement kann ausschließlich aus einer passiv schaltenden Diode bestehen. Dabei ist diese Diode mit ihrer Anode an den ersten Zwischenpotentialpunkt angeschlossen, wenn etwaige Dioden des ersten und des zweiten Schaltelements mit ihren Kathoden an den zweiten Zwischenpotentialpunkt angeschlossen sind, oder sie ist mit ihrer Kathode an den ersten Zwischenpotentialpunkt angeschlossen, wenn etwaige Dioden des ersten und des zweiten Schaltelements mit ihren Anoden an den zweiten Zwischenpotentialpunkt angeschlossen sind.
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Das dritte Schaltelement kann alternativ oder zusätzlich zu der Diode auch einen aktiv, das heißt mit einem externen Signal schaltbaren Schalter aufweisen.
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In der Reihenschaltung des ersten Schaltelements und der ersten Wicklung der zweiten Speicherdrossel sowie in der Reihenschaltung des zweiten Schaltelements und der zweiten Wicklung der zweiten Speicherdrossel ist das Schaltelement vorzugsweise jeweils zwischen dem zweiten Zwischenpotentialpunkt und der Wicklung angeordnet.
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Die zweite Speicherdrossel der neuen Schaltung wirkt bei geschlossenem ersten und zweiten Schaltelement als induktiver Spannungsteiler zwischen den Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars. Damit es zu einer symmetrischen Spannungsteilung relativ zu dem zweiten Zwischenpotentialpunkt kommt, ist die zweite Speicherdrossel bezüglich ihrer Wicklungen symmetrisch auszubilden, wobei sich diese Symmetrie auf den Gesamtaufbau der Speicherdrossel einschließlich eines ihren beiden Wicklungen gemeinsamen Kerns bezieht.
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Die Ansteuerung bzw. passive Schaltung der drei Schaltelemente der neuen Schaltung variiert abhängig von ihrer Verwendung. Hieraus resultieren auch unterschiedliche Funktionsweisen der neuen Schaltung.
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Bei Verwendung der neuen Schaltung für einen verpolungssicheren DC/DC-Wandler werden die Anschlüsse des zweiten Anschlusspaars für eine Eingangsgleichspannung vorgesehen, die beliebige Polarität haben kann. Unabhängig von der konkreten Polarität der Eingangsgleichspannung wird an den Anschlüssen des ersten Anschlusspaars eine Ausgangsgleichspannung fester Polarität bereitgestellt, wenn eine Steuerung die Schalter des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements, die jeweils eine zu dem Schalter parallele Diode aufweisen, mit demselben externen Signal taktet. Das dritte Schaltelement kann dabei eine passiv geschaltete Diode oder ein wie eine solche Diode aktiv geschalteter Schalter sein. Das die Schalter des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements taktende externe Signal öffnet de facto nur jenes erste oder zweite Schaltelement aktiv, dessen parallele Diode bezüglich der Polarität der angelegten Eingangsspannung sperrt. Das andere Schaltelement ist aufgrund seiner Diode sowieso leitend. Für welches Schaltelement dies gilt, hängt von der Polarität der Eingangsspannung ab. Als Vorteile ergeben sich, dass eine Eingangsspannung praktisch herab bis zu null Volt möglich ist, um den erfindungsgemäßen verpolungssicheren DC/DC-Wandler zu betreiben. Die Eingangsgleichspannung und die Ausgangsgleichspannung können einen gemeinsamen Potentialbezug haben. Dazu sind die entsprechenden Anschlüsse des ersten und des zweiten Anschlusspaares miteinander zu verbinden. Ein versetzter Potentialbezug ist möglich, wenn diese Verbindung kapazitiv bereitgestellt wird. Die Schalter des ersten und des zweiten Schaltelements werden mit dem gleichen externen Signal angesteuert. Daher ist nur ein Treiber erforderlich, was keinen Mehraufwand gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik auf dem Gebiet der verpolungssicheren Spannungswandler darstellt. Das Ansteuersignal ist gänzlich unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung.
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Mit der neuen Schaltung ist weiterhin ein leistungsfaktoroptimierter AC/DC-Wandler realisierbar, der auch als PFC-Stufe bezeichnet wird. Die Details entsprechen dabei dem im letzten Absatz beschriebenen verpolungssicheren DC/DC-Wandler, außer dass an die Anschlüsse des zweiten Anschlusspaars eine Wechselspannung angelegt wird. Über eine geeignete Modulation des Tastverhältnisses, mit dem die Steuerung die Schalter des ersten und des zweiten Schaltelements taktet, kann der Leistungsfaktor des eingangsseitigen Wechselstroms auf 1 geregelt und die Ausgangsgleichspannung relativ zu der Eingangswechselspannung eingestellt werden. Wenn das dritte Schaltelement bei diesem AC/DC-Wandler nicht nur eine Diode, sondern auch einen aktiv ansteuerbaren Schalter aufweist, ist zudem ein bidirektionaler Betrieb des AC/DC-Wandlers, das heißt eine Rückspeisung von elektrischer Energie von der Gleichspannungsseite auf die Wechselspannungsseite möglich. Zu diesem Zweck muss dann je nach Polarität der Eingangsspannung einer der Schalter des ersten und zweiten Schaltelements geschlossen und der andere im Wechsel mit dem Schalter des dritten Schaltelements angesteuert werden.
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Mit der neuen Schaltung ist auch ein Vierquadrantensteller realisierbar, wobei die Anschlüsse des ersten Anschlusspaars für eine Gleichspannung vorgesehen sind und wobei die Anschlüsse des zweiten Anschlusspaars z. B. für eine elektrische Gleichstrommaschine vorgesehen sind. Eine zugehörige Steuerung schließt dann jeweils einen Schalter des ersten und des zweiten Schaltelements und taktet den anderen gegensinnig zu dem Schalter des dritten Schaltelements.
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Die neue Schaltung erlaubt auch die Verwendung in einem bidirektionalen AC/DC-Wandler, beispielsweise um einen Wechselrichter zur Netzeinspeisung auszubilden. Dabei sind die Anschlüsse des ersten Anschlusspaars für eine Gleichspannung, beispielsweise von einer Photovoltaikanlage, vorgesehen, und die Anschlüsse des zweiten Anschlusspaars sind für eine Wechselspannung, beispielsweise ein Wechselstromnetz, in das es einzuspeisen gilt, vorgesehen. Eine Steuerung schließt jeweils einen Schalter des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements für eine Halbwelle der Wechselspannung und taktet den anderen gegensinnig zu dem Schalter des dritten Schaltelements. Der AC/DC-Wandler ist dadurch rückspeise- und somit auch blindleistungsfähig. Er kann zudem elektrische Energie von einer kleineren Gleichspannung als dem Scheitelwert der Wechselspannung zu der Wechselspannung transferieren.
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Die Schalter werden in allen Ausführungsformen und Verwendungen der neuen Schaltung sinnvollerweise als Transistoren gleicher Polarität mit jeweils antiparalleler Diode ausgeführt, wobei die antiparallele Diode, wie beispielsweise bei einem MOSFET, auch intrinsisch vorhanden sein kann. Dabei können die Transistoren des ersten und des zweiten Schaltelements so angeordnet werden, dass ihre Emitter-(bzw. Source-)Anschlüsse miteinander verbunden sind, während der Transistor des dritten Schaltelements am Collector/Drain mit der ersten Speicherdrossel verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine einzige Versorgungsspannung mit Bezug zum Emitter/zur Source des dritten Schaltelements dessen Treiber direkt und die Treiber des ersten und zweiten Schaltelements per Bootstrap versorgen kann.
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Die mit der neuen Schaltung erreichte Spannungsübersetzung ergibt sich aus dem Tastverhältnis, mit dem die Steuerung die Schalter taktet. Wird der Schalter des dritten Schaltelements mit dem Tastverhältnis D getaktet und ein Schalter des ersten und des zweiten Schaltelements entsprechend mit dem Tastverhältnis 1-D, während der andere Schalter des ersten und des zweiten Schaltelements geschlossen ist, bzw. dessen parallele Diode leitet, ergibt sich im nichtlückenden Betrieb U sek/U prim = 2D/(1-D), wobei U prim der Betrag der Spannung zwischen den Anschlüssen des ersten Anschlusspaars und U sek der Betrag der Spannung zwischen den Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars ist.
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Für minimalen Stromrippel an den Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars sind Kapazitäten sowohl zwischen den ersten als auch den zweiten Anschlüssen der beiden Anschlusspaare vorzusehen. Für minimalen Stromrippel an den Anschlüssen des ersten Anschlusspaars sollte die Kapazität zwischen den ersten Anschlüssen des ersten und des zweiten Anschlusspaars wegfallen.
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Bei Betrieb der Schaltung als geerdeter Wechselrichter kann nur der Stromrippel an den Anschlüssen des ersten Anschlusspaars minimiert werden. Dazu werden entweder die ersten oder die zweiten Anschlüsse der beiden Anschlusspaare direkt miteinander verbunden, und die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenpotentialpunkt wird über eine Kapazität realisiert.
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Die neue Schaltung stellt einen universellen Spannungswandler zur Verfügung, der mit geringstem Aufwand bidirektional ausgeführt werden kann, wahlweise invertierend oder nicht invertierend arbeiten sowie in beiden Richtungen hoch- und tiefsetzstellen kann, dabei aber einfach und kostengünstig aufgebaut ist. Zudem ist eine galvanische Verbindung zwischen den ersten oder den zweiten Anschlüssen des ersten und des zweiten Anschlusspaars möglich, so dass zum Beispiel beim Betrieb als Wechselrichter an einem geerdeten Netz ein Pol der Gleichspannungsquelle mit dem Neutralleiter verbunden und auf diese Weise geerdet werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den relativen Anordnungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren Wirkverbindungen – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Schaltpläne näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der neuen Schaltung.
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2 skizziert die Verwendung der neuen Schaltung als verpolungssicherer DC/DC-Wandler.
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3 skizziert die Verwendung der neuen Schaltung als PFC-Stufe.
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4 skizziert die Verwendung der neuen Schaltung als Vierquadrantensteller; und
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5 skizziert die Verwendung der neuen Schaltung als Wechselrichter zur Netzeinspeisung.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 gezeigte Schaltung 1 weist ein erstes Anschlusspaar mit einem ersten Anschluss A und einem zweiten Anschluss B sowie ein zweites Anschlusspaar mit Anschlüssen D und E auf. Ein Zwischenpotentialpunkt C ist über eine Speicherdrossel L1 mit nur einer Wicklung an den Anschluss A und über ein Schaltelement S3 an den Anschluss B angeschlossen. Weiter ist der Zwischenpotentialpunkt C hier direkt mit einem Zwischenpotentialpunkt F zwischen den Anschlüssen D und E verbunden. Der Zwischenpotentialpunkt F ist jeweils über eine Reihenschaltung aus einem Schaltelement S1 bzw. S2 und einer Wicklung L2a bzw. L2b einer zweiten Speicherdrossel L2 mit den Anschlüssen D und E verbunden. Die beiden Wicklungen L2a und L2b der Speicherdrossel L2 sind auf einem gemeinsamen Kern vorgesehen und somit magnetisch gekoppelt. Der gemeinsame Kern der Wicklungen L2a und L2b weist dabei eine möglichst kleine Streuinduktivität auf, das heißt einen Aufbau, wie er zum Beispiel bei einem Sperrwandlertrafo üblich ist. Die Speicherdrossel L2 ist bezüglich ihrer beiden Wicklungen L2a und L2b derart symmetrisch ausgebildet, dass sie bei leitenden Schaltelementen S1 und S2 einen halbierenden induktiven Spannungsteiler zwischen den Anschlüssen D und E bereitstellt. Die Anschlüsse A und D einerseits sowie B und E andererseits sind hier jeweils über eine Kapazität C1 bzw. C2 miteinander verbunden. Von den Verbindungen A-D, C-F und B-E sind mindestens zwei vorhanden und maximal eine direkt ausgeführt. Das heißt, statt der hier direkt ausgeführten Verbindung C-F könnte auch eine der Verbindungen A-D oder B-E direkt ausgeführt sein, wenn die Verbindung C-F über eine Kapazität gebildet ist. Die Schaltelemente S1 und S2 weisen zumindest einen aktiv ansteuerbaren Schalter auf. Das Schaltelement S3 kann auch passiv schaltend ausgeführt sein, beispielsweise in Form einer Diode. Die Ansteuerung der Schalter der Schaltelemente S1 und S2 sowie ggf. S3 erfolgt je nach Verwendung der Schaltung 1 über eine hier nicht dargestellte Steuerung.
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2 skizziert die Verwendung der Schaltung 1 als verpolungssicherer DC/DC-Wandler 2, an den eine Eingangsspannung 3 unbekannter Polarität anschließbar ist und der unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung 3 eine Ausgangsspannung 4 mit fester Polarität ausgibt. Diese feste Polarität wird durch die Durchlassrichtung einer das Schaltelement S3 ausbildenden Diode D3 vorgegeben, die hier mit ihrer Kathode an den Zwischenpotentialpunkt C angeschlossen ist. Die Schaltelemente S1 und S2 sind jeweils als Transistoren T1 bzw. T2 mit antiparallelen Dioden D1 bzw. D2 ausgebildet, die jeweils mit ihrer Anode an den Zwischenpotentialpunkt F angeschlossen sind. Die Transistoren T1 und T2 werden von einem Treiber 5 einer Steuerung gleichzeitig mit einem Signal 6 getaktet, wobei diese Taktung je nach der Polarität der Eingangsspannung für eines der Schaltelemente S1 und S2 zwar keine unmittelbare Wirkung hat, weil dessen antiparallele Diode D1 bzw. D2 sowieso in Durchlassrichtung ausgerichtet ist, aber auch nicht schadet. Durch das Takten des Schalters des anderen Schaltelements S1 bzw. S2 wird die Höhe der Ausgangsspannung relativ zu der Eingangsspannung festgelegt.
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Gemäß 2 sind die Zwischenpotentialpunkte C und F durch eine Kapazität C3 miteinander verbunden. Zur Verbindung der Anschlüsse E und B ist angedeutet, dass diese direkt oder über die Kapazität C2 realisiert sein kann, um entweder einen gemeinsamen Potentialbezug oder einen Potentialversatz zu realisieren.
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Das Signal 6 von dem Treiber 5 ist völlig unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung 3. Das heißt, die Schaltung 1 wird in dem DC/DC-Wandler 2 völlig unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung 3 betrieben und liefert dennoch immer dieselbe definierte Polarität der Ausgangsspannung 4.
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In 3 ist ein AC/DC-Wandler 7 mit der Schaltung 1 skizziert, wobei die Schaltung 1 einschließlich ihrer grundsätzlichen Ansteuerung der Ausführungsform in 2 entspricht. Allerdings liegt hier an den Anschlüssen D und E eine Eingangswechselspannung 8 an, aus der die Ausgangsgleichspannung 4 fester Polarität gespeist wird. Auch dazu werden die Transistoren T1 und T2 gleichzeitig mit dem Signal 6 angesteuert, wobei das Tastverhältnis des Signals 6 zeitlich so variiert wird, dass der Leistungsfaktor eines Eingangsstroms zwischen D und E auf 1 geregelt und eine gewünschte Spannungsübersetzung zwischen der Eingangswechselspannung 8 und der Ausgangsgleichspannung 4 eingestellt wird.
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Durch Ersetzen der Diode D3 durch oder Ergänzen des Schaltelements S3 um einen ansteuerbaren Transistor kann der AC/DC-Wandler auch bidirektional betrieben werden, das heißt elektrische Leistung von einer Gleichspannung an den Anschlüssen A und B zu einer Wechselspannung an den Anschlüssen D und E überführen. In diesem Fall muss eines der beiden Schaltelemente von S1 und S2 für jeweils eine Halbwelle leitend werden, während der Schalter des anderen im Wechsel mit demjenigen des Schaltelements S3 getaktet wird. Welches der beiden Schaltelemente S1 oder S2 gerade für eine Halbwelle leitend wird, hängt dabei von der aktuell gewünschten (bzw. durch ein angeschlossenes Netz vorgegebenen) Polarität der Eingangswechselspannung 8 ab. Wenn alle Schaltelemente S1, S2 und S3 nur durch Schalter, das heißt ohne parallele Dioden ausgebildet werden, kann zudem die Polarität der Ausgangsgleichspannung 4 dadurch festgelegt werden, mit welchem der Schaltelemente S1 und S2 das Schaltelement S3 im Wechsel getaktet wird, während das andere der Schaltelemente S1 und S2 dauernd geschlossen ist.
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4 skizziert einen Vierquadrantensteller 9 zwischen einer Gleichspannung 10 und einer elektrischen Gleichstrommaschine 11, die sowohl als Motor als auch als Generator zu betreiben sein soll. Dabei ist zusätzlich zu der Schaltung 1 eine Pufferkapazität CP zwischen den Anschlüssen D und E vorgesehen. Die Transistoren T1, T2 und T3 werden hier jeweils mit eigenen Steuersignalen 6 von zugeordneten Treibern 5 angesteuert, und zwar derart, dass immer einer der Transistoren T1 und T2 dauernd leitet, während der andere gegensinnig zu dem Transistor T3 getaktet wird, Durch die Wahl des dauernd leitenden Transistors T1 oder T2 wird die relative Polarität der Spannung an der elektrischen Maschine 11 gegenüber der Gleichspannung 10 definiert, während das Tastverhältnis beim gegensinnigen Takten des anderen Transistors von T1 und T2 und des Transistors T3 die Spannungsübersetzung zwischen den Anschlüssen A und B einerseits und den Anschlüssen D und E andererseits der Schaltung 1 bestimmt.
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5 skizziert einen DC/AC-Wandler 12, der als Wechselrichter zur Einspeisung von elektrischer Leistung von einer Photovoltaikanlage 13 in ein Wechselstromnetz 14 vorgesehen ist, aber auch einen bidirektionalen Betrieb, das heißt die Überführung elektrischer Leistung von der Seite einer Wechselspannung 16 auf die Seite einer Gleichspannung 15 ermöglicht. Dabei entsprechen Aufbau und Ansteuerung im Wesentlichen 4, wobei hier aber abwechselnd einer der Transistoren T1 und T2 durch die Steuersignale 6 für jeweils eine Halbwelle leitend ist, und der andere der Transistoren T1 oder T2 gegensinnig zu dem Transistor T3 des Schaltelements S3 getaktet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltung
- 2
- verpolungssicherer DC/DC-Wandler
- 3
- Eingangsgleichspannung
- 4
- Ausgangsgleichspannung
- 5
- Treiber
- 6
- Signal
- 7
- leistungsfaktoroptimierter AC/DC-Wandler
- 8
- Eingangswechselspannung
- 9
- Vierquadrantensteller
- 10
- Gleichspannung
- 11
- Gleichstrommaschine
- 12
- AC/DC-Wandler
- 13
- Photovoltaikanlage
- 14
- Netz
- 15
- Gleichspannung
- 16
- Wechselspannung
- A
- Anschluss
- B
- Anschluss
- C
- Zwischenpotentialpunkt
- D
- Anschluss
- E
- Anschluss
- F
- Zwischenpotentialpunkt
- C1
- Kapazität
- C2
- Kapazität
- C3
- Kapazität
- CP
- Pufferkapazität
- L1
- Speicherdrossel
- L2
- Speicherdrossel
- L2a
- Wicklung
- L2b
- Wicklung
- D1
- Diode
- D2
- Diode
- D3
- Diode
- T1
- Transistor
- T2
- Transistor
- T3
- Transistor
- S1
- Schaltelement
- S2
- Schaltelement
- S3
- Schaltelement
