DE102011004248A1

DE102011004248A1 - Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler

Info

Publication number: DE102011004248A1
Application number: DE102011004248A
Authority: DE
Inventors: Dusan 81541 Graovac; Benno 85229 Köppl; Andreas 83623 Pechlaner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2011-08-18
Also published as: US8395280B2; US20110198936A1; CN102263524A; US8829723B2; CN102263524B; US20130127251A1

Abstract

Beschrieben wird eine Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler, der aufweist: Spannungsversorgungsklemmen (11, 12), die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangswechselspannung (Vac) bereitzustellen; wenigstens zwei Wandlerstufen (C1, C2, Cn), wobei jede Wandlerstufe Eingangsklemmen (P1', M1', ..., Pn', Mn'), die dazu ausgebildet sind, an eine elektrische Ladungsspeichereinheit (B1, B2, Bn) angeschlossen zu werden, Ausgangsklemmen (P1, M1, ..., Pn, Mn) und eine Schalteranordnung (H1, H2), die zwischen die Eingangsklemmen und Ausgangsklemmen (P1, M1, ..., Pn, Mn) gekoppelt ist, aufweist, wobei die Schalteranordnung dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal (S1, S2, Sn) zu empfangen und eine Ausgangsspannung (V1, V2, Vn) mit einem Tastverhältnis abhängig von dem Steuersignal (S1, S2, Sn) an den Spannungsversorgungsklemmen (11, 12) bereitzustellen, wobei die wenigstens zwei Wandlerstufen (C1, C2, Cn) in Reihe zwischen die Spannungsversorgungsklemmen (11, 12) geschaltet sind; und eine Steuerschaltung (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler.
Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge weisen einen Wandler (bzw. Umrichter oder Wechselrichter) auf, der eine von einer Batterieanordnung bereitgestellte Gleichspannung (DC-Spannung) in wenigstens eine Wechselspannung (AC-Spannung) umwandelt, die von einem elektrischen Motor, welcher das Fahrzeug antreibt, benötigt wird. Die Batterieanordnung weist mehrere Batteriezellen auf, welche üblicherweise wiederaufladbare Zellen sind, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen (bzw. Li-Ionen-Zellen).
Gemäß einem ersten bekannten Konzept werden mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet, wodurch eine Versorgungsgleichspannung, die nachfolgend auch als DC-Versorgungsspannung bezeichnet wird, von der seriellen Anordnung bereitgestellt wird. Ein Wechselrichter, der nachfolgend auch als DC/AC-Inverter bezeichnet wird, empfängt die DC-Versorgungsspannung und erzeugt daraus eine Versorgungswechselspannung, die nachfolgend auch als AC-Versorgungsspannung bezeichnet wird. Der Wechselrichter muss hierbei dazu ausgebildet sein, Schwankungen der DC-Versorgungsspannung auszugleichen. Derartige Spannungsschwankungen können während des Betriebs infolge der Entladung der Batteriezellen auftreten.
Gemäß einem zweiten bekannten Konzept wird ein DC/DC-Wandler (bzw. DC/DC-Umrichter) zwischen die Batterieanordnung und den Wechselrichter geschaltet. Der DC/DC-Wandler ist dazu ausgebildet, dem Wechselrichter eine konstante DC-Versorgungsspannung bereitzustellen und gleicht deshalb Schwankungen in der von der Batterieanordnung bereitgestellten Spannung aus. Das Vorsehen des DC/DC-Wandlers führt allerdings zu einer erhöhten Komplexität des Systems.
Die meisten Arten von Akkumulatorzellen, wie beispielsweise Li-Ionen-Zellen, sollten nicht bis unterhalb einer unteren Spannungsgrenze (Entladeschlussspannung) entladen werden, um eine Zerstörung oder Verschlechterung zu vermeiden. Zur Vermeidung einer unzulässigen Entladung einzelner Akkumulatorzellen können Verfahren zum Ausgleichen bzw. Ausbalancieren der Zellen (engl.: cell balancing) eingesetzt werden. Solche Verfahren zum Ausgleichen der Zellen umfassen die Entladung höher aufgeladener Zellen zugunsten von weniger aufgeladenen Zellen. Schaltungsanordnungen zum Ausführen derartiger Verfahren zur Ausbalancierung von Batteriezellen sind zusätzlich zum Wechselrichter erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Versorgungswechselspannung (AC-Versorgungsspannung) zur Verfügung zu stellen, die einfach realisierbar ist und die zuverlässig funktioniert.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler. Dieser Mehrstufenwandler umfasst: Spannungsversorgungsklemmen, die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangswechselspannung (AC-Ausgangsspannung) bereitzustellen; wenigstens zwei Wandlerstufen, wobei jede Wandlerstufe Eingangsklemmen aufweist, die dazu ausgebildet sind, an eine elektrische Ladungsspeichereinheit angeschlossen zu werden, sowie eine Schalteranordnung aufweist, die zwischen die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen gekoppelt ist, wobei die Schalteranordnung dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal zu empfangen und eine Ausgangsspannung mit einem Tastverhältnis abhängig von dem Steuersignal an den Ausgangsklemmen bereitzustellen, wobei die wenigstens zwei Wandlerstufen in Reihe zwischen die Spannungsversorgungsklemmen geschaltet sind; und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, Steuersignale für die wenigstens zwei Wandlerstufen derart zu generieren, dass das Tastverhältnis der Ausgangsspannungen der wenigstens zwei Wandlerstufen abhängig ist von einer gewünschten Frequenz der AC-Ausgangsspannung und abhängig ist von wenigstens einem Zyklusparameter oder einem Ladungszustand der Ladungsspeichereinheiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet: einen Satz Parametersätze bereitzustellen, wobei die Parametersätze von einer gewünschten Wellenform der Ausgangsspannung abhängig sind, und wobei jeder Parametersatz ein Tastverhältnis definiert; und die Steuersignale für die wenigstens zwei Wandlerstufen zu generieren, so dass ein aus dem Satz Parametersätze ausgewählter Parametersatz einer Wandlerstufen zugeordnet wird, wobei sich die Zuordnung der Parametersätze zu den Wandlerstufen über der Zeit ändert.
Ausführungsbeispiele werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass lediglich solche Aspekte, die zum Verständnis dieses Grundprinzips erforderlich sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist, gleiche Bezugszeichen gleiche Signale und Schaltungskomponenten.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Wandlerzweig, der einen Mehrstufenwandler mit mehreren Wandlerstufen aufweist;
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wandlerstufen;
3 zeigt Ausführungsbeispiel von Ladungsspeicherungseinheiten;
4 zeigt Zeitdiagramme, die das Funktionsprinzip einer Wandlerstufe veranschaulichen;
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenwandlers mit fünf Wandlerstufen;
6 zeigt Zeitdiagramme, die das Funktionsprinzip des Mehrstufenwandlers gemäß 5 veranschaulichen;
7A–7B veranschaulichen das Funktionsprinzip eines Mehrstufenwandlers, der zyklisch ein Tastverhältnis seiner Wandlerstufen verändert;
8 zeigt einen Mehrstufenwandler mit einer Mehrzahl von Wandlerstufen, der dazu ausgebildet ist, eine der Wandlerstufen zu überbrücken;
9 zeigt eine Schaltungsanordnung mit drei Mehrstufenwandlern zur Bereitstellung von drei Ausgangsspannungen;
10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
11 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
12 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
13 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
14 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
15 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
16 zeigt eins siebtes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
17 zeigt eins weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit einer an den Mehrstufenwandler gekoppelten Ladeschaltung;
18 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit Ausgangsklemmen zum Bereitstellen einer Hilfsversorgungsspannung; und
19 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler und mit Ausgangsklemmen zum Bereitstellen einer Hilfsversorgungsspannung.
1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler. Der Mehrstufenwandler weist erste und zweite Spannungsversorgungsklemmen 11, 12, die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangswechselspannnung (AC-Ausgangsspannung) Vac bereitzustellen, und eine Mehrzahl von wenigstens zwei Wandlerstufen auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Mehrstufenwandler drei Wandlerstufen C1, C2, Cn. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl von Wandlerstufen bereitgestellt werden.
Jede der Wandlerstufen C1, C2, Cn umfasst: Eingangsklemmen P1', M1', ..., Pn', Mn', die dazu ausgebildet sind, an eine elektrische Ladungsspeichereinheit B1, B2, Bn gekoppelt zu werden; Ausgangsklemmen P1, M1, ..., Pn, Mn; und eine Schalteranordnung H1, H2, Hn, die zwischen die Eingangs- und die Ausgangsklemmen gekoppelt ist. Jede der Schaltungsanordnungen H1, H2, Hn empfängt ein Steuersignal S1, S2, Sn und ist dazu ausgebildet, eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung V1, V2, Vn an den Ausgangsklemmen P1, M1, P2, M2, Pn, Mn bereitzustellen, wobei das Tastverhältnis jeder dieser Ausgangsspannungen V1, V2, Vn von einem der Steuersignale S1, S2, Sn abhängig ist.
Die Wandlerstufen bilden zwischen den Spannungsversorgungsklemmen 11, 12 eine kaskadierte Anordnung. Deshalb weist eine der Wandlerstufen, beispielsweise die erste Wandlerstufe C1, eine erste Ausgangsklemme P1 auf, die an die erste Spannungsversorgungsklemme 11 gekoppelt ist, wobei die ersten Ausgangsklemmen P2, Pn der anderen Wandlerstufen, beispielsweise der Wandlerstufen C2, Cn, an die zweite Ausgangsklemme einer weiteren Wandlerstufe gekoppelt sind, und wobei eine der Wandlerstufen, beispielsweise die dritte Wandlerstufe Cn, eine zweite Ausgangsklemme Mn aufweist, die an die zweite Spannungsversorgungsklemme 12 gekoppelt ist.
Die Steuersignale S1, S2, Sn werden von einer Steuerschaltung 20 bereitgestellt. Die Steuerschaltung 20 ist dazuausgebildet, die Steuersignale S1, S2, Sn so zu generieren, dass die Ausgangsspannung Vac eine oszillierende Spannung ist. Die Ausgangsspannung Vac ist die Summe der einzelnen Ausgangsspannungen V1, V2, Vn der einzelnen Wandlerstufen C1, C2, Cn.
Zum einfacheren Verständnis der Funktion der in 1 gezeigten Wandlerstufen C1, C2, Cn, zeigt 2 schematisch eine Ausführungsform einer Wandlerstufe C. Die Wandlerstufe C ist repräsentativ für jede beliebige der in 1 gezeigten Wandlerstufen C1, C2, Cn. H bezeichnet die Schalteranordnung, B die Ladungsspeichereinheit, P und M die Ausgangsklemmen, V' die Eingangsspannung der Wandlerstufe C und V deren Ausgangsspannung. S ist das Steuersignal, das die Erzeugung der Ausgangsspannung aus der Eingangsspannung V' bestimmt.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Schalteranordnung H vier Schalter T1, T2, T3 T4 auf, die eine H-Brücke bilden, wobei die H-Brücke zwischen die Eingangsklemmen P', M' und die Ausgangsklemmen P, M gekoppelt ist. Die H-Brückenschaltung umfasst einen ersten Schalter T1, der zwischen die erste Eingangsklemme P' und die erste Ausgangsklemme P gekoppelt ist, einen zweiten Schalter T2, der zwischen die zweite Eingangsklemme M' und die erste Ausgangsklemme P gekoppelt ist, einen dritten Schalter T3, der zwischen die erste Eingangsklemme P' und die zweite Ausgangsklemme M gekoppelt ist, und einen vierten Schalter T4, der zwischen die zweite Eingangsklemme M' und die zweite Ausgangsklemme M gekoppelt ist. Das Steuersignal S weist vier Untersignale (Sub-Signale) auf: ein erstes Untersignal S₁, das den ersten Schalter T1 steuert, ein zweites Untersignal S₂, das den zweiten Schalter T2 steuert, ein drittes Untersignal S₃, das den dritten Schalter T3 steuert, und ein viertes Untersignal S₄, das den vierten Schalter T4 steuert.
Die Schalter T1, T2, T3, T4 sind beispielsweise als Halbleiterschalter, etwa als Bipolar- oder Feldeffekttransistoren, realisiert. Diese Schalter können als selbstleitende (engl.: normally-on) Transistoren oder als selbstsperrende (engl.: normally-off) Transistoren realisiert sein.
Die Ladungsspeichereinheit B kann eine beliebige Ladungsspeichereinheit sein, die dazu geeignet ist, elektrische Ladung bzw. Energie zu speichern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ladungsspeichereinheit B eine wiederaufladbare Ladungsspeichereinheit, wie etwa ein Akkumulator, insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Es kann allerdings ebenso jedes andere zur Speicherung elektrischer Energie geeignete Anordnung verwendet werden. Die Ladungsspeichereinheit B kann eine einzige Akkumulatorzelle oder, bezugnehmend auf 3, mehrere in Reihe geschaltete Akkumulatorzellen B₁, B₂, B_m aufweisen. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen ist abhängig von der Spannung, die von einer Zelle bereitgestellt wird, und von der gewünschten maximalen Versorgungsspannung der Ladungsspeichereinheit B. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind eine Anzahl einzelner Akkumulatorzellen B₁, B₂, B_m in Reihe geschaltet. Es ist jedoch selbstverständlich, dass anstatt einzelner Akkumulatorzellen auch Akkumulatorzellengruppen, die jeweils eine Anzahl von parallel geschalteten Akkumulatorzellen aufweisen, in Reihe geschaltet werden können.
Die Erzeugung der Ausgangsspannung V einer Wandlerstufe, beispielsweise der in 2 gezeigten Wandlerstufe C, wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 zeigt einen Zeitverlauf der Ausgangsspannung V in Abhängigkeit eines Zeitdiagramms des Steuersignals S. Zur Steuerung einer Schalteranordnung mit einer H-Brücke, wie etwa der Schalteranordnung H aus 2, besteht das Steuersignal S aus vier Untersignalen (Sub-Signale). Zu Zwecken der Erläuterung kann angenommen werden, dass jedes der Untersignale ein zweiwertiges Signal ist, dass entweder einen hohen Pegel oder einen niedrigen Pegel annimmt. Zu Zwecken der Erläuterung kann weiterhin angenommen werden, dass ein bestimmter Schalter geschlossen ist, wenn sein Steuer-Untersignal einen hohen Pegel annimmt, und dass er geöffnet ist, wenn sein Steuer-Untersignal einen niedrigen Pegel annimmt. Bezugnehmend auf 4, kann das Steuersignal als Vektor S = (S₁, S₂, S₃, S₄) der Untersignale S₁, S₂, S₃, S₄ aufgefasst werden. In der Darstellung in 4 repräsentiert ein Wert ”0” im Vektoreintrag eines Untersignals einen niedrigen Pegel des entsprechenden Untersignals und der Wert ”1” einen hohen Pegel des entsprechenden Untersignals. Beispielsweise bezeichnet S = (0, 1, 0, 1) einen niedrigen Pegel des ersten Signals S₁, einen hohen Pegel des zweiten Signals S₂, einen niedrigen Pegel des dritten Signals S₃ und einen hohen Pegel des vierten Signals S₄.
Die Ausgangsspannung V kann einen von drei verschiedenen Spannungswerten annehmen. Zu Zwecken der Erläuterung kann angenommen werden, dass die Schalter T1–T4 ideale Schalter sind, bei denen im eingeschalteten Zustand keinerlei Verluste auftreten. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung V in Abhängigkeit der Eingangsspannung V' wie folgt beschrieben werden:
V = V', wenn der erste sowie der vierte Schalter T1, T4 geschlossen und der zweite sowie der dritte Schalter T2, T3 geöffnet sind, wenn also S = (1, 0, 0, 1);
V = –V', wenn der zweite und der dritte Schalter T2, T3 geschlossen und der erste und der zweite Schalter T1, T2 geöffnet sind, wenn also S = (0, 1, 0, 1).
Die Ausgangsspannung ist Null (V = 0), wenn entweder die ersten oder die dritten Schalter T1, T3 geschlossen und die zweiten und die vierten Schalter geöffnet sind, wenn also S = (1, 0, 1, 0), oder wenn die zweiten und die vierten Schalter T2, T4 geschlossen und die ersten und die dritten Schalter T1, T3 geöffnet sind, wenn also S = (0, 1, 0, 1).
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsspannung V während des Zeitintervalls zwischen den Zeitpunkten t1, t2 gleich +V' (V = +V') und V ist gleich –V' (V = –V') in einem zweiten Zeitintervall zwischen t3 und t4. Die Ausgangsspannung V ist Null (V = 0) vor t1, zwischen t2 und t3 sowie nach t4. Eine Ausgangsspannung gleich Null (V = 0) kann durch Auswählen einer der Konfigurationen S = (0, 1, 0, 1) oder S = (1, 0, 1, 0) erzielt werden. Die Abfolge der verschiedenen Signalkonfigurationen allerdings ist insbesondere so gewählt, dass die Schaltfrequenz eines jeden der einzelnen Schalter T1–T4 so klein wie möglich ist.
5 zeigt schematisch einen Mehrstufenwandler, der fünf in Reihe zwischen die Ausgangsklemmen 11, 12 geschaltete Wandlerstufen C1–C5 aufweist. Jede der Wandlerstufen stellt eine Ausgangsspannung V1–V5 bereit. Die Ausgangsspannung des Wandlers (bzw. Umrichters) ist die Summe der Ausgangsspannungen V1–V5. Jeder der Wandlerstufen C1–C5 ist ein Steuersignal S1–S5 zugeführt, das die Erzeugung der Ausgangsspannungen V1–V5 aus den einzelnen (nicht gezeigten) Eingangsspannungen steuert.
Jede der Wandlerstufen C1–C5 ist dazu ausgebildet, eine Ausgangsspannung C1–C5 bereitzustellen, die einen von drei verschiedenen Spannungspegeln annehmen kann. Unter der Annahme, dass den Wandlerstufen C1–C5 identische Eingangsspannungen zugeführt sind, sind diese drei verschiedenen Ausgangsspannungen: +V', –V' oder 0 (Null).
Unter Verwendung eines Mehrstufenwandlers mit fünf Wandlerstufen C1–C5 können 11 (= 2·5 + 1) verschiedene Werte für die Ausgangsspannung Vac generiert werden. Diese verschiedenen Spannungspegel sind in 6 dargestellt und reichen von –5V' über 0 (Null) bis zu +5V', wobei V' der Betrag der Eingangsspannungen der einzelnen Wandlerstufen ist. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Eingangsspannungen der einzelnen Wandlerstufen selbstverständlich aufgrund von Variationen im Herstellungsprozess variieren können, insbesondere aufgrund von unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten oder unterschiedlichen Ladezuständen. Nur zur Erläuterung wird vereinfachend angenommen, dass die Eingangsspannungen der einzelnen Wandlerstufen C1–C5 identisch sind.
Allgemein kann ein Wandler (bzw. Umrichter) mit einer Anzahl von n Wandlerstufen 2n + 1 verschiedene Spannungspegel der Ausgangsspannung Vac erzeugen, wobei diese Spannungen von –n·V' über 0 (Null) bis +n·V' reichen.
Durch Auswählen einer geeigneten zeitlichen Abfolge der einzelnen Spannungspegel kann die Ausgangsspannung VAc des Mehrstufenwandlers ein zeitkontinuierliches Signal, insbesondere ein kontinuierliches oszillierendes Signal, wie etwa ein Signal mit einer Sinus-Wellenform, annähern. Das Bereitstellen eines sinusförmigen Signals als Ausgangssignal ist jedoch lediglich ein Beispiel. Selbstverständlich kann ebenso ein beliebiges anderes Signal, insbesondere jedes beliebige periodische Signal, beispielsweise ein Signal mit einer dreieckigen oder rechteckigen Signalform, oder ein Signal mit einer Signalform des Betrags eines sinusförmigen Signals, erzeugt werden.
Ein wesentlicher Aspekt beim Bereitstellen einer Ausgangsspannung, wie der Ausgangsspannung Vac, aus einer Batterie- oder Akkumulatoranordnung mit einer Anzahl von Speichereinheiten, wie etwa der Anordnung mit den Ladungsspeichereinheiten B1, B2, Bn (vgl. 1), ist ein Ladungsausgleich (engl.: charge balancing). ”Ladungsausgleich” bedeutet, dass Ladungen in den einzelnen Ladungsspeichereinheiten so ausgeglichen werden, dass die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeichereinheiten sich nicht wesentlich voneinander unterscheiden.
Bezugnehmend auf die 2 und 4 wird die Ladungsspeichereinheit B jedes Mal dann entladen, wenn die Ausgangsspannung V gleich der positiven oder negativen Versorgungsspannung +V' bzw. –V' ist. Hinsichtlich der Entladung der Ladungsspeichereinheit B besteht kein Unterschied dahingehend, ob die Ausgangsspannung V einen positiven +V' oder einen negativen –V' Spannungspegel annimmt. Deshalb werden diese Spannungspegel allgemein als ”Entladepegel” bezeichnet, denn dies sind die Spannungspegel, bei denen die Ladungsspeichereinheit B entladen wird.
Anhand der 6 und 7 wird nunmehr ein Verfahren zum Bereitstellen einer periodischen Ausgangsspannung unter Verwendung eines Mehrstufenwandlers mit fünf Wandlerstufen erläutert. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die anzunähernde Ausgangsspannung Vac eine sinusförmige Spannung mit zwei Halbperioden: einer positiven Halbperiode sowie einer negativen Halbperiode mit je einer Periodendauer T. Hinsichtlich der Gesamtladung, die den Ladungsspeichereinheiten bei der Erzeugung der positiven und der negativen Halbperiode entnommen wird, sind die positive und die negative Halbperiode äquivalent. Das heißt, dass die Gesamtladung, die der gesamten Anordnung aus Ladungsspeichereinheiten entzogen wird, ist während der negativen und der positiven Halbperiode gleich, wenn eine (nicht gezeigte) Last während der positiven und der negativen Halbperiode gleich bleibt.
Zur Erzeugung einer periodischen Ausgangsspannung Vac wird die Gesamtanordnung aus Ladungsspeichereinheiten zyklisch entladen, wobei eine Dauer eines Entladezyklus durch die gewünschte Ausgangsspannung definiert wird. Bei der Erzeugung periodischer Signale mit einer positiven oder einer negativen Halbperiode, beispielsweise eines sinusförmigen Signals, ist die Dauer eines Entladezyklus gleich der Dauer einer Halbperiode. Bei der Erzeugung anderer periodischer Signale, ist die Dauer eines Entladezyklus gleich der Dauer einer Periode des Signals.
6 zeigt zur Erläuterung die Approximation eines sinusförmigen Ausgangssignals Vac unter Verwendung von elf verschiedenen Spannungspegeln eines Mehrstufenwandlers mit fünf Wandlerstufen. In 6 ist ein approximiertes Signal während der positiven und der negativen Halbperiode gezeigt. Weiterhin sind in 6 Zeitdiagramme der einzelnen Ausgangsspannungen V1–V5 der einzelnen Wandlerstufen C1–C5 gezeigt
Um die Schaltfrequenz der einzelnen Ausgangsspannungen V1–V5 gering zu halten, wechselt jede Ausgangsspannung seinen Signalpegel während der positiven Halbperiode des sinusförmigen Signals lediglich zweimal, nämlich ein erstes Mal, wenn die Ausgangsspannung von Null auf ihren positiven Pegel +V' wechselt, und ein zweites Mal, wenn das Ausgangssignal seinen Pegel auf Null ändert. In gleicher Weise ändert jede der Ausgangsspannungen ihren Signalpegel zweimal während der negativen Halbperiode des sinusförmigen Signals, nämlich ein erstes Mal, wenn die Ausgangsspannung von Null auf ihren negativen Wert –V' wechselt, und ein zweites Mal, wenn die Ausgangsspannung ihren Wert zurück auf Null ändert. Die Signalform des sinusförmigen Signals wird erreicht durch Überlagerung der Ausgangsspannungen V1–V5 der einzelnen Wandlerstufen. Nachfolgend wird die Erzeugung der sinusförmigen Ausgangsspannung Vac während der ersten Halbperiode erläutert. Die Erzeugung des Ausgangssignals Vac während der negativen Halbperiode erfolgt entsprechend, mit dem Unterschied, dass die Ausgangsspannungen V1–V5 positive Spannungen während der ersten Halbperiode und negative Spannungen während der zweiten Halbperiode sind.
Zur Annäherung einer gewünschten Signalform der Ausgangsspannung Vac, stellt jede der Wandlerstufen C1–C5 eine Ausgangsspannung V1–V5 bereit, die ab einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Entladezyklus für eine gegebene Zeitdauer einen Entladepegel annehmen (einen positiven Signalpegel während der positiven Halbperiode und einen negativen Signalpegel während der negativen Halbperiode). Die Ausgangsspannung jeder Wandlerstufe C1–C5 kann daher durch einen Parametersatz beschrieben werden, der den Zeitpunkt, an dem die Ausgangsspannung auf den Entladepegel wechselt, und die Dauer, während der der Entladepegel anliegt, definiert. Mit einer gegebenen Anzahl an Wandlerstufen eines Mehrstufenwandlers und anhand einer gewünschten Signalform der Ausgangsspannung Vac, können diese Parametersätze der einzelnen Wandlerstufen in einfacher Weise berechnet werden. Verfahren zur Berechnung dieser Parametersätze sind bekannt, so dass weitergehende diesbezügliche Erläuterungen nicht notwendig sind.
In 6 bezeichnen T1–T5 die Zeitdauern, während der die Ausgangsspannungen V1–V5 der einzelnen Wandlerstufen C1–C5 den Entladesignalpegel annehmen. Es ist ersichtlich, dass diese Zeitpunkte für die einzelnen Wandlerstufen C1–C5 verschieden sind. Hierdurch, werden die einzelnen Wandlerstufen in jedem Entladezyklus unterschiedlich entladen.
Die Ausgangsspannungen V1–V5 haben jeweils ein Tastverhältnis (Duty Cycle) D1–D5, welches das Verhältnis ist zwischen den Zeitdauern T1–T5, während der die Ausgangsspannungen V1–V5 einen Entladepegel in einem Entladezyklus annehmen, und der Dauer T eines Entladezyklus, d. h. Di = Ti / T (1), wobei Ti die Dauer, während der die Ausgangsspannung Vi ihren Entladepegel –V', +V' annimmt, und T die Dauer eines Entladezyklus ist (d. h., die Dauer einer Halbperiode bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6) bezeichnet. i ist der Index, der die einzelnen Ausgangsspannungen der einzelnen Wandlerstufen Ci des Mehrstufenwandlers bezeichnet.
Da die Ladungsmenge, die während des Entladezyklus aus der Ladungsspeichereinheit einer Wandlerstufe Ci fließt, proportional zu der Zeit Ti ist, während der die Ausgangsspannung Vi den Entladepegel annimmt, bezeichnet das Tastverhältnis Di die Ladungsmenge, die während eines Entladezyklus aus der Wandlerstufe fließt. Aufgrund unterschiedlicher Tastverhältnisse der Ausgangsspannungen V1–V5, die während eines Entladezyklus notwendig sind, um die gewünschte Ausgangsspannung, etwa eine sinusförmige Spannung, anzunähern, werden die Ladungsspeichereinheiten der einzelnen Wandlerstufen während jedes Entladezyklus unterschiedlich entladen.
In 6 ist gezeigt, dass die Ausgangsspannungen Vi der Wandlerstufen Ci lediglich einmal während eines Entladezyklus den Entladepegel annehmen. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einer Ausführungsform nehmen die Ausgangsspannungen mehrere Male pro Entladezyklus einen Entladepegel an. Insbesondere werden die Ausgangsspannungen Vi während einer ersten und zweiten Übergangsperiode mehrere Male ein- und ausgeschaltet. Die erste Übergangsperiode ist hierbei ein Zeitraum, nachdem die Ausgangsspannung zum ersten Mal während einer Entladedauer eingeschaltet wird (d. h. den Entladepegel annimmt), und die zweite Übergangsperiode ist die Zeitdauer innerhalb einer Entladeperiode, bevor die Ausgangsspannung schließlich ausgeschaltet wird. Dies trägt zur Glättung der Flanken der Ausgangsspannung bei und ist für die Ausgangsspannung V1 in 6 dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, die Ausgangsspannung eines Wandlers während eines Entladezyklus regelmäßig ein- und auszuschalten, um beispielsweise den Ausgangsstrom des Wandlers zu regeln. Wenn die Ausgangsspannung eines Wandlers ihren Entladepegel während eines Entladezyklus mehr als einmal annimmt, dann wird Ti in Gleichung (1) durch die Summe der Zeitperioden ersetzt, in denen die Ausgangsspannung Vi den Entladepegel innerhalb eines Entladezyklus annimmt.
Die Tastverhältnisse Di der einzelnen Ausgangsspannungen Vi werden von der Steuerschaltung 20 über die Steuersignale Si (Si bezeichnet eines der Steuersignale, wie beispielsweise eines der Steuersignale S1 bis S5, die von der Steuerschaltung 20 bereitgestellt werden) bereitgestellt. Bezugnehmend auf die obige Erläuterung, werden die Ausgangsspannungen Vi der Wandlerstufen Ci, die die Ausgangsspannung Vac generieren sollen, jeweils durch einen Parametersatz definiert, der, neben anderen (wie beispielsweise Ein- und Ausschaltdauern des Entladepegels), das Tastverhältnis der Ausgangsspannungen Vi definiert. Bei gegebener gewünschter Ausgangsspannung und bei gegebener Anzahl an Wandlerstufen ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet, eine Anzahl von Parametersätzen Pi bereitzustellen, wobei die Anzahl der Parametersätze gleich der Anzahl der Wandlerstufen ist. Diese Parametersätze können beispielsweise durch Berechnen oder Auslesen gespeicherter Parametersatzwerte aus einem Speichergerät bereitgestellt werden.
Weiterhin ist die Steuerschaltung bei einem bestimmten vorgegebenen Parametersatz Pi und bei einer gegebenen Wandlerstufe Ci dazu ausgebildet, das Steuersignal Si der Wandlerstufe so zu generieren, dass die Wandlerstufe Ci eine Ausgangsspannung Vi gemäß dem Parametersatz erzeugt.
Die Steuerschaltung 20 ist außerdem dazu ausgebildet, die bereitgestellten Parametersätze den einzelnen Wandlerstufen so zuzuordnen, dass ein Ladungsausgleich der Ladungsspeichereinheiten der Wandlerstufen erzielt wird. In diesem Zusammenhang bedeutet die ”Zuordnung eines Parametersatzes zu einer Wandlerstufe” die Erzeugung der Steuersignale der Wandlerstufe, derart so dass die Ausgangsspannung dieser Wandlerstufe mit dem Parametersatz korrespondiert.
Ausführungsbeispiele für die Zuordnung der berechneten Parametersätze, insbesondere der berechneten Tastverhältnisse, zu den Wandlerstufen Ci werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7A und 7B für einen Mehrstufenwandler mit fünf Wandlerstufen erläutert. In diesem Fall ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet, fünf Parametersätze bereitzustellen, wobei jeder dieser Parametersätze ein Tastverhältnis aufweist bzw. definiert. Diese Tastverhältnisse werden im Folgenden mit D1₀, D2₀, D3₀, D4₀, D5₀ bezeichnet.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das in den 7A und 7B dargestellt ist, ändert sich die Zuordnung der bereitgestellten Parametersätze zu den Wandlerstufen Ci zyklisch. Die 7A und 7B zeigen die Zuordnung der Tastverhältnisse D1₀, D2₀, D3₀, D4₀, D5₀ (die Teil der Parametersätze sind) zu den Wandlerstufen Ci für eine Anzahl aufeinander folgender Entladezyklen mit jeweils einer Dauer T.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 7A nimmt das Tastverhältnis während eines ersten Entladezyklus der ersten Ausgangsspannung V1 der ersten Wandlerstufe C1 einen ersten Wert D1₀, das Tastverhältnis der zweiten Ausgangsspannung V2 der zweiten Wandlerstufe C2 einen zweiten Wert D2₀, das Tastverhältnis der dritten Ausgangsspannung V3 der dritten Wandlerstufe C3 einen dritten Wert D3₀, das Tastverhältnis der vierten Ausgangsspannung V4 der vierten Wandlerstufe C4 einen vierten Wert D4₀ und das Tastverhältnis der fünften Ausgangsspannung V5 der fünften Wandlerstufe C1 einen fünften Wert D1₀ an. Gemäß dem in der 7A gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Tastverhältnisse für zwei aufeinander folgende Halbperioden beibehalten, was im Falle einer sinusförmigen Ausgangsspannung bedeutet, dass die Tastverhältnisse für die positive sowie die negative Halbperiode der Ausgangsspannung beibehalten werden. Dies ist in 6 dargstellt.
Die Werte der Tastverhältnisse ändern sich am Anfang jedes Entladezyklus. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7A ändern sich die Tastverhältnisse periodisch, so dass D1 = D5₀, D2 = D1₀, D3 = D2₀, D4 = D3₀ und D5 = D4₀ am Anfang der zweiten Periode, D1 = D4₀, D2 = D5₀, D3 = D1₀, D4 = D2₀ und D5 = D3₀ am Anfang der dritten Periode, etc. Damit wird derselbe Parametersatz den einzelnen Wandlerstufen periodisch zugeordnet.
Bei dem in 7B gezeigten Ausführungsbeispiel ändern sich die Tastverhältnisse D1–D5 periodisch mit jeder Entladung. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass die Anzahl der Entladezyklen, für die der Wert des Tastverhältnisse der einzelnen Ausgangsspannung konstant gehalten wird, d. h. die Anzahl der Entladezyklen, nach der der Wert des Tastverhältnisses sich ändert, beliebig ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen ändern sich die Werte der Tastverhältnisse zyklisch jeweils nach drei, vier, fünf oder mehr Entladezyklen.
Durch die zyklische Änderung der Tastverhältnisse der verschiedenen Ausgangsspannungen Vi wird die Entladung der einzelnen Ladungsspeichereinheiten ausgeglichen.
Die zyklische Änderung der Entladezyklen stellt allerdings lediglich eine Möglichkeit zum Ausgleich der Entladung der verschiedenen Ladungsspeichereinheit dar. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die bereitgestellten Parameterstufen den einzelnen Wandlerstufen zufällig zugeordnet, wobei die Zuordnung sich alle n (mit n ≥ 1) Entladezyklen ändern kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 20 dazu ausgebildet, die Ladezustände der Ladungsspeichereinheiten, etwa der Ladungsspeichereinheiten B1, B2, Bn aus 1, zu detektieren und die bereitgestellten Parametersätze mit den Tastverhältniswerten D1₀–D5₀ den einzelnen Wandlerstufen abhängig von den detektierten Ladezuständen zuzuordnen. Gemäß einer Ausführungsform wird die Zuordnung der Parametersätze zu den Wandlerstufen so durchgeführt, dass das einer bestimmten Wandlerstufe zugeordnete Tastverhältnis umso niedriger ist, je niedriger der Ladezustand der Ladungsspeichereinheit der Wandlerstufe ist.
Die Detektion des Ladezustands der einzelnen Ladungsspeichereinheiten B1, B2, Bn kann gemäß einer Vielzahl verschiedener Möglichkeiten durchgeführt werden.
Bei einem ersten Beispiel, misst die Steuerschaltung 20 die Spannungen V1', V2', Vn' über den Ladungsspeichereinheiten B1, B2, Bn. Der Ladezustand ist hierbei umso höher, je höher die gemessene Spannung ist.
Bei einem zweiten Beispiel misst die Steuerschaltung 20 die Temperaturen der Ladungsspeichereinheiten B1, B2, Bn. Der Ladezustand ist umso niedriger, je niedriger die Temperatur ist.
Bei einem dritten Beispiel misst die Steuerschaltung die in den einzelnen Ladungsspeichereinheiten gespeicherte Ladung durch Integrieren des Eingangs- und Ausgangsstroms der einzelnen Ladungsspeichereinheiten. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass ein Eingangsstrom vorliegt, wenn die Ladungsspeichereinheiten geladen werden. Verfahren zum Laden der Ladungsspeichereinheiten werden weiter unten erläutert. Wird der Strom beginnend mit einem ersten Laden der Ladungsspeichereinheit kontinuierlich aufintegriert, so ist das Integrationsergebnis ein unmittelbares Maß für den Ladezustand.
Selbstverständlich können auch beliebige andere geeignete Verfahren zur Detektion des Ladezustandes der Ladungsspeichereinheiten B1, B2, Bn verwendet werden.
Die maximale Amplitude der Ausgangsspannung Vac ist abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Wandlerstufen und von der maximalen Ausgangsspannung einer jeden der verschiedenen Wandlerstufen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 entspricht der Betrag der maximalen Amplitude dem 5-fachen der Eingangsspannung der einzelnen Wandlerstufen, d. h. 5·V', wenn fünf Wandlerstufen verwendet werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Wandler mehr Wandlerstufen als notwendig auf. In diesem Fall wird jedes Mal wenigstens eine der Wandlerstufen so gesteuert, dass ihre Ausgangsspannung Null ist, was der Tatsache entspricht, dass jedes Mal wenigstens eine der Wandlerstufen überbrückt wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung 20 dazu ausgebildet, die Ladungsspeichereinheiten zu prüfen und eine Wandlerstufe, bei der festgestellt wurde, dass sie nicht funktionsfähig ist, dauernd zu überbrücken. Eine als Akkumulator-Zelle ausgeführte Ladungsspeichereinheit ist beispielsweise dann nicht funktionsfähig, wenn sie bis zu einer Entladeschwelle entladen wurde. Zur Vermeidung einer irreversiblen Schädigung der Akkumulator-Zelle, sollte eine Entladung bis unterhalb dieser Schwelle verhindert werden.
Die Möglichkeit zur Überbrückung defekter oder entladener Wandlerstufen ermöglicht einen Notbetriebszustand, da auch dann, wenn einige der Wandlerstufen überbrückt werden, der Last immer noch eine Versorgungsspannung mit einer niedrigeren Maximalspannung bereitgestellt werden kann.
8 zeigt einen Mehrstufenwandler mit mehreren Wandlerstufen C1, C2, Cn, von denen eine Wandlerstufe C2 überbrückt wird, indem zwischen den Ausgangsklemmen P2, M2 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird. Die Verbindung der Ausgangsklemmen P2, M2 kann durch Schließen des ersten und des dritten Schalters T1, T3 über die Steuer-Untersignale S2₁, S2₃ oder durch Schließen des zweiten und des vierten Schalters T2, T4 über die Steuer-Untersignale S2₂, S2₄ ausgeführt werden. Die Überbrückung der zweiten Wandlerstufe C2 ist beispielsweise notwendig, wenn ein Defekt oder eine Entladung bis zur unteren Schwelle V2' von deren Ladungsspeichereinheit festgestellt wurde. Ein Defekt oder eine Entladung bis zur unteren Schwelle kann beispielsweise durch Detektion des Ladezustandes der Ladungsspeichereinheit festgestellt werden.
Wenn die einzelnen Ladungsspeichereinheiten ordnungsgemäß arbeiten, kann die Überbrückung wenigstens einer Wandlerstufe notwendig werden, um die Amplitude der Ausgangsspannung auf den gewünschten Amplitudenwert zu begrenzen. Das Tastverhältnis der überbrückten Wandlerstufe beträgt Null. Für den Fall, dass alle der Wandlerstufen ordnungsgemäß arbeiten, kann ein Tastverhältnis gleich Null als ein Tastverhältnis eines Parametersatzes aus den bereitgestellten Parametersätzen betrachtet werden, die den einzelnen Wandlerstufen gemäß einem der vorangehend beschriebenen Zuordnungsverfahren zugeordnet werden.
Die Verwendung eines Mehrstufenwandlers, bei dem jede Wandlerstufe mit einer Ladungsspeichereinheit verbunden ist, zur Erzeugung der Ausgangsspannung Vac, hat, verglichen mit bekannten Spannungserzeugungsverfahren, die einen Stack (Stapel) aus Ladungsspeichereinheiten verwenden, aus denen ein DC/AC-Wandler eine oszillierende Ausgangsspannung generiert, folgende Vorteile:
Die Spannungsfestigkeit der Schalter T1–T4 (vgl. 2) der einzelnen Wandlerstufen muss an die Eingangsspannungen der Wandlerstufen, also an die Spannungen der Ladungsspeichereinheiten, angepasst werden. Diese Spannung liegt beispielsweise in einem Bereich von 20 V bis 60 V. Die Spannungsfestigkeit der Schalter T1–T4 einer einzelnen Wandlerstufe ist deshalb unabhängig von der Ausgangsspannung Vac. In Motorantriebs-Anwendungen liegt die Ausgangsspannung Vac beispielsweise im Bereich von etwa 400 V. Die Verluste in einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler (DC/AC-Wandler), der eine oszillierende Ausgangsspannung im Bereich von mehreren 100 V aus einer Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise einem Akkumulator-Block, erzeugt, sind jedoch größer als die Summe der Verluste, die in den Niederspannungsschaltern der einzelnen Wandlerstufen eines Mehrstufenwandlers entstehen.
Darüber hinaus sind, obwohl in einem Mehrstufenwandler verglichen mit einem DC/AC-Wandler mehr Schalter benötigt werden, die Niederspannungsschalter des Mehrstufenwandlers zusammengenommen erheblich preiswerter als die in einem DC/AC-Wandler notwendigen Hochspannungsschalter, so dass die Gesamtkosten für den Mehrstufenwandler sogar unter den Kosten eines DC/AC-Wandlers liegen.
Die Architektur des Mehrstufenwandlers erlaubt die Bereitstellung elektrischer Energie für die einzelnen Wandlerstufen über die Ausgangsklemmen 11, 12. Daher sind keine zusätzlichen Klemmen zum Laden oder Entladen der Ladungsspeichereinheiten notwendig. Aufgrund der Architektur des Mehrstufenwandlers kann den einzelnen Ladungsspeichereinheiten, etwa den Ladungsspeichereinheiten, bei denen mittels der Steuerschaltung 20 der niedrigste Ladepegel festgestellt wurde, selektiv elektrische Energie zugeführt werden. Die an den Ausgangsklemmen 11, 12 bereitgestellte elektrische Ladung zum Aufladen der Ladungsspeichereinheiten kann mittels einer Ladeschaltung (die im Folgenden erklärt wird) oder mittels einer mit den Ausgangsklemmen 11, 12 verbundenen Last bereitgestellt werden. Die Last ist beispielsweise ein Motor, der als Motor arbeitet, wenn der Wandler an den Ausgangsklemmen eine Versorgungsspannung bereitstellt, und der als Generator zum Zurückspeisen von Energie in die Ladungsspeichereinheiten arbeiten kann.
Aufgrund der geringen Verluste, die in den einzelnen Niederspannungsschaltern auftreten, und aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Schalter im Mehrstufenwandler verteilt sind, ist zur Kühlung des Systems kein teures Kühlsystem erforderlich.
Schließlich können kontinuierliche oszillierende Spannungen, wie etwa sinusförmige Spannungen, gut durch die Ausgangsspannung eines Mehrstufenwandlers approximiert werden. Der Klirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) einer angenäherten sinusförmigen Spannung, die mittels eines Mehrstufenwandlers mit fünf Stufen unter Bereitstellung von 11 verschiedenen Ausgangsspannungspegeln, erzeugt wurde, beträgt lediglich etwa 5%. Der THD einer angenäherten sinusförmigen Spannung, die von einem Mehrstufenwandler mit 11 Wandlerstufen mit von 23 (2·11 + 1) unterschiedlichen Spannungspegeln erzeugt wird, beträgt lediglich etwa 1%.
Die in den 1, 5 und 8 dargestellten Wandler weisen einen Wandlerzweig mit einem Mehrstufenwandler auf. Daher sind diese Wandler dazu ausgebildet, eine einzige oszillierende Ausgangsspannung Vac zu erzeugen. 9 zeigt eine Mehrstufenwandler-Anordnung, die auf den Wandlern gemäß der 1, 5 und 8 basiert und die drei Wandlerzweige bzw. drei Wandlerstufen-Kaskaden aufweist. Jeder Wandlerzweig umfasst einen Mehrstufenwandler und stellt oszillierende Ausgangsspannungen Vac_a, Vac_b, Vac_c, wie beispielsweise sinusförmige Spannungen, bereit, wobei die drei verschiedenen Ausgangsspannungen Vac_a, Vac_b, Vac_c zueinander phasenversetzt sind. Jeder der Wandlerzweige ist unter Anwendung einer der vorangehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschriebenen Möglichkeiten implementiert. In 9 sind gleiche Merkmale der Kaskaden mit Wandlerstufen mit den selben Bezugszeigen bezeichnet wie in den vorangehenden 1 bis 8, wobei die Bezugszeichen der ersten Kaskade, die die erste Ausgangsspannung Vac_a erzeugt, mit einem zusätzlichen ”a”, die Bezugszeichen der zweiten Kaskade, die die zweite Ausgangsspannung Vac_b erzeugt, mit einem zusätzlichen ”b” und wobei die Bezugszeichen der dritten Kaskade, die die dritte Ausgangsspannung Vac_c erzeugt, mit einem zusätzlichen ”c” versehen sind. Die ersten Ausgangsklemmen 11a, 11b, 11c der Wandlerzweige werden als erste, zweite und dritte Phasenausgänge der Mehrstufenwandler-Anordnung bezeichnet. Eine dreiphasige Last, wie etwa ein Motor, kann an diese Ausgänge angeschlossen werden. Die zweiten Ausgänge der Wandlerzweige sind miteinander verbunden.
Eine Steuerschaltung, die die Steuersignale S1a–Snc für die einzelnen Wandlerstufen bereitstellt, ist vorhanden, ist in 9 jedoch nicht abgebildet. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, die einzelnen Steuersignale S1a–Snc so zu erzeugen, dass an den Phasenausgängen 11a, 11b, 11c drei oszillierende und zueinander phasenversetzte Ausgangsspannungen Vac_a, Vac_b, Vac_c anliegen.
Wie zuvor bereits erwähnt, können die Ladungsspeichereinheiten der einzelnen Wandlerstufen über die Ausgangsklemmen 11, 12 des Wandlers und über die Schalteranordnungen geladen werden. Das Grundprinzip hierfür wird anhand der 1 und 2 erläutert.
Wird eine Versorgungsspannung zwischen den Ausgangsklemmen P, M einer Wandlerstufe C angelegt die höher ist als die Spannung V', die von der Ladungsspeichereinheit B bereitgestellt wird, so kann die Ladungsspeichereinheit B geladen werden, indem die Schalteranordnung H so gesteuert wird, dass die Eingangsklemmen P', M' mit den Ausgangsklemmen P, M verbunden werden. Unter der Annahme, dass die Spannung V', die von der Ladungsspeichereinheit B zwischen der ersten und zweiten Eingangsklemme P', M' bereitgestellt werden soll, eine positive Spannung ist, und dass auch die zwischen der ersten und der zweiten Ausgangsklemme P, M angelegte Versorgungsspannung eine positive Spannung ist, werden der erste und der vierte Schalter T1, T4 geschlossen – gesteuert von dem Steuersignal S –, um die Ladungsspeichereinheit B aufzuladen. Wenn hingegen die Versorgungsspannung eine negative Spannung ist, dann werden der zweite und der dritte Schalter T2, T3 geschlossen, um die Ladungsspeichereinheit B aufzuladen.
Nachfolgend wird ein Schaltzustand der Schalteranordnung, der die Aufladung der Ladungsspeichereinheit B über die Ausgangsklemmen P, M erlaubt, als Aufladezustand bezeichnet, wohingegen ein Schaltzustand, welcher die Wandlereinheit (Wandlerstufe) überbrückt, als Überbrückungszustand der Schalteranordnung bezeichnet wird. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass der Schaltzustand der Schalteranordnung H, der das Aufladen der Ladungsspeichereinheit mit einer positiven Versorgungsspannung erlaubt, mit dem anhand von 6 erläuterten Schaltzustand korrespondiert, bei dem eine Wandlerstufe eine positive Ausgangsspannung bereitstellt, und dass der Schaltzustand der Schalteranordnung H, der das Aufladen der Ladungsspeichereinheit mit einer negativen Versorgungsspannung erlaubt, dem anhand von 6 erläuterten Schaltzustand entspricht, bei dem eine Wandlerstufe eine negative Ausgangsspannung bereitstellt.
Ein Versorgungsspannung kann an die Ausgangsklemmen P, M einer bestimmten Wandlerstufe über die Ausgangsklemmen 11, 12 des Wandlers und der anderen Wandlerstufen angelegt werden. Zum Aufladen der Ladungsspeichereinheit einer Wandlerstufe, wie etwa der zweiten Wandlerstufe C2, ist die Schalteranordnung H2 dieser Wandlerstufe beispielsweise im Aufladezustand (Ladezustand), während sich die anderen Wandlerstufen C1, Cn jeweils entweder im Überbrückungs- oder im Aufladezustand befinden. Wenn sich lediglich eine Wandlerstufe, wie etwa die Wandlerstufe C2, im Ladezustand befindet, während die anderen Wandlerstufen im Überbrückungszustand sind, dann wird die gesamte zwischen den Versorgungsklemmen 11, 12 anliegende Versorgungsspannung an die Ladungsspeichereinheit B2 der Wandlerstufe C2 angelegt. Wenn sich mehr als eine Wandlerstufe im Ladezustand befindet, dann bilden die Ladungsspeichereinheiten dieser Wandlerstufen eine an die Ausgangsklemmen 11, 12 angeschlossene Reihenschaltung. Damit wird die Versorgungsspannung, die an die Ausgangsklemmen 11, 12 angelegt ist, an die Reihenschaltung der mehreren Ladungsspeichereinheiten angelegt, so dass diese mehreren Ladungsspeichereinheiten gleichzeitig aufgeladen werden.
Eine Versorgungsspannung kann auf verschiedene Weise an die Ausgangsklemmen 11, 12 des Wandlers angelegt werden. Einige Beispiele zum Anlegen eine Versorgungsspannung an die Ausgangsklemmen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 10 bis 17 beschrieben.
10 zeigt eine Wandleranordnung zur Bereitstellung von drei phasenversetzten Ausgangsspannungen Vac_a, Vac_b, Vac_c. Diese Wandleranordnung weist weiterhin eine Versorgungsspannungs-Anordnung 30 mit einer Versorgungs-Wechselspannungsquelle (AC-Versorgungsspannungsquelle) 31 auf. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 wird die Versorgungsspannung über die Phasenausgänge 11a, 11b, 11c an die Last (Motor) angelegt, beispielsweise über einen Mittelabgriff (center tap) an der Last. Im Spannungserzeugungsmodus des Mehrstufenwandlers wird die Last von den drei phasenversetzten Ausgangsspannungen Vac_a, Vac_b, Vac_c, die von der Wandleranordnung bereitgestellt werden, angetrieben. Im Ladezustand (Ladebetrieb) der Wandleranordnung ist die von der Versorgungsspannungsquelle 31 bereitgestellte Versorgungsspannung Vac über die drei Motorwicklungen an die Ausgangsklemmen 11a, 11b, 11c der Wandleranordnung gekoppelt. Deshalb wird eine Klemme der Versorgungsspannungsquelle 31 mit der zweiten Klemme 12 der Wandleranordnung und die andere Klemme mit dem Sternpunkt des Motors verbunden.
Im Ladezustand wird die Ladungsspeichereinheit wenigstens einer Wandlerstufe Ca–Cn zyklisch aufgeladen. Der Ladevorgang einer Wandlerstufe, wie etwa der Wandlerstufe C2a, wird nachfolgend erläutert. Ein Ladezyklus umfasst zunächst, dass jede der Wandlerstufen, wie etwa die Wandlerstufen Ca–Cna, die in Reihe geschaltet sind, sich für eine Zeitdauer im Überbrückungszustand befinden. Während dieser Zeitdauer speichert die in Reihe zu dem überbrückten Wandler geschaltete Induktivität, wie etwa die Induktivität L1, elektrische Energie. Jeder Ladezyklus weist weiterhin eine Zeitdauer auf, bei der sich wenigstens eine der Wandlerstufen sich im Ladezustand befindet. Die zuvor in der Induktivität, wie etwa der Induktivität L1, gespeicherte elektrische Energie wird daraufhin an die Ladungsspeichereinheit der wenigstens einen Wandlerstufe übertragen. Währenddessen befinden sich jene Wandlerstufen, die nicht aufgeladen werden sollen im Überbrückungszustand (engl.: bypassing state). Wie vorangehend erläutert wurde, können sich mehr als eine Wandlerstufe gleichzeitig im Aufladezustand befinden, während die verbleibenden Wandlerstufen im Überbrückungszustand sind.
Der Ladevorgang (engl.: charging process), insbesondere die Überführung der Wandlerstufen in den Lade- oder in den Überbrückungszustand, wird von der Steuerschaltung 20 gesteuert. Deshalb wird der Steuerschaltung 20 die Versorgungsspannung Uac oder eine zur Versorgungsspannung Uac proportionale Spannung zugeführt. Basierend auf den Informationen über den Momentanwert (engl.: instant value) der Versorgungsspannung Uac und über deren Polarität, steuert die Steuerschaltung die Zeitdauer während der die Induktivität, wie etwa die Induktivität L1, elektrische Energie speichert, und sie steuert den Ladezustand (Betriebszustand) der aufzuladenden Wandlerstufe. Das heißt, die Steuerschaltung 20 steuert, ob sich die Wandlerstufe in dem ersten Ladezustand zum Laden mit positiver Versorgungsspannung oder im zweiten Ladezustand zum Laden mit negativer Versorgungsspannung befindet.
In 10 bezeichnen Ia, Ib, Ic in die einzelnen Zweige fließende Ladeströme. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 20 dazu ausgebildet, die Ladeströme Ia, Ib, Ic zu messen, und ist weiterhin dazu ausgebildet, das Laden der Wandlerstufen so zu steuern, dass die Ladeströme Ia, Ib, Ic einen gegebenen Signalverlauf aufweisen. Damit wird eine Korrektur bzw. eine Kompensation des Leistungsfaktors (Power Factor Correction, PFC) der aus der Spannungsquelle 31 entnommen Leistung erreicht.
Gemäß einem weiteren, in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die dem Mehrstufenwandler zur Verfügung gestellte Spannung eine Gleichspannung (DC-Spannung) V30. Die Gleichspannung V30 kann von jeder beliebigen Gleichspannungsquelle (DC-Spannungsquelle) bereitgestellt werden. Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Gleichspannung V30 von einer Spannungsversorgungs-Anordnung 30 bereitgestellt, die eine Versorgungsspannungsquelle 31, die wiederum eine AC-Versorgungsspannung bereitstellt, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler (AC/DC-Wandler), wie etwa einen Leistungsfaktor-Regler (PFC-Controller), und optional einen mit dem AC/DC-Wandler gekoppelten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (DC/DC-Wandler) aufweist. Die Versorgungsspannungsquelle 31 stellt eine Ausgangs-Gleichspannung (DC-Ausgangsspannung) V30 bereit, die über die Induktivitäten L1, L2, L3 des Motors an die entsprechenden Phasenausgänge 11a, 11b, 11c angelegt wird. Der Ladevorgang entspricht dem vorangehend bezüglich der 10 erläuterten Ladevorgang mit dem Unterschied, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 die Polarität der Versorgungsspannung V30 von der Steuerschaltung 20 nicht überwacht wird, da die Versorgungsspannung V30 gemäß 11 stets dieselbe Polarität und dieselbe Amplitude aufweist.
In 12 ist ein Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgungsschaltung 30 dargestellt, die eine Versorgungsspannungsquelle 31 zur Bereitstellung einer Versorgungswechselspannung (AC-Versorgungsspannung), eine in Reihe an die Versorgungsspannungsquelle 31 geschaltete Induktivität 32 und drei Schalter 33a, 33b, 33c aufweist, wobei jeder der Schalter die Induktivität an eine der Phasenausgänge 11a, 11b, 11c schaltet. Optional sind weitere Schalter 34a, 34b, 34c zwischen die Phasenausgänge und die Last geschaltet. Diese weiteren Schalter 34a, 34b, 34c sind dafür vorgesehen, die Mehrstufenwandler-Anordnung während des Ladevorgangs von der Last zu trennen. Der durch die Versorgungsspannungsschaltung 30 bewirkte Ladevorgang gemäß 12 ist äquivalent zu dem bereits anhand von 10 erläuterten Ladevorgang, mit dem Unterschied, dass bei der Anordnung gemäß 12 die von der Versorgungsspannungsquelle 31 bereitgestellte Energie anstatt in den Induktivitäten des Motors in der zusätzlichen Induktivität 32 gespeichert wird. Die Anordnung gemäß 12 ermöglicht ein selektives Laden der induktiven Speichereinheiten eines Wandlerzweiges durch selektives Schließen eines oder mehrerer der Schalter 33a, 33b, 33c. Eine schematisch in 12 dargestellte Steuerschaltung 35 steuert die Schalterstellung der Schalter 33a, 33b, 33c und der zusätzlichen Schalter 34a, 34b, 34c mittels Steuersignalen S33a–S34c.
Während die Ausführungsbeispiele gemäß der 10 und 11 einen Mittenabgriff am Motor erfordern, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12, bei dem die Ladeschaltung oder die Spannungsversorgungsanordnung 30 direkt an die Eingangsklemmen 11, 12 geschaltet ist, kein Mittenabgriff notwendig.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 ist die Versorgungsspannungsschaltung 30 zwischen die drei Phasenausgänge 11a, 11b, 11c und die zweiten Ausgangsklemmen 12 der Wandlerzweige geschaltet. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Spannungsversorgungsanordnung 30 lediglich an die Phasenausgänge 11a, 11b, 11c geschaltet ist, wobei eine erste Klemme der Versorgungsspannungsquelle 31 über die Induktivität 32 und zwei parallele Schalter 33a, 33b an den ersten und zweiten Phasenausgang 34a, 34b geschaltet ist, während eine zweite Klemme der Versorgungsspannungsquelle 31 über einen dritten Schalter 33c an den dritten Phasenausgang 11c geschaltet ist. Bei dieser Anordnung fließt ein Ladestrom aus der Versorgungsspannungsquelle über einen der ersten und der zweiten Phasenausgänge 11a, 11b durch wenigstens einen der ersten und zweiten Wandlerzweige und den dritten Wandlerzweig C1c–Cnc (zurück) zur Versorgungsspannungsquelle. Deshalb müssen sich während des Ladevorgangs Wandlerstufen von wenigstens einem der ersten und zweiten Wandlerzweige und des dritten Wandlerzweigs im Lade- oder Überbrückungszustand befinden.
In den 12 und 13 sind lediglich zwei von mehreren verschiedenen Topologien für die Schalter 34a, 34b, 34c gezeigt. Gemäß einem weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel, sind zwei der Schalter, wie etwa die Schalter 33b, 33c, zwischen die Ausgänge 11b, 11c und die zweite Klemme der Spannungsquelle 31 geschaltet.
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 basiert. Das Ausführungsbeispiel gemäß 14 unterscheidet sich von dem gemäß 10 dadurch, dass die Spannungsversorgungsquelle 31 über einen Transformator 36 an die Reihenschaltung mit der Last und der Mehrstufenwandler-Anordnung geschaltet ist. Optional kann ein zusätzlicher zwischen den Transformator und die Last geschalteter Schalter 37a vorgesehen werden. Der Schalter 37a trennt die Ladeschaltung 30, wenn der Motor von dem Mehrstufenwandler angetrieben wird, also wenn die Anordnung sich nicht im Lademodus (Ladezustand) befindet.
Es sei angemerkt, dass jede der vorangehend unter Bezugnahme auf die 11 bis 13 erläuterten Ausführungsformen durch Bereitstellung eines Transformators zwischen der Versorgungsspannungsquelle und der übrigen Schaltungskomponenten der Spannungsversorgungsschaltung modifiziert werden kann. Bei der Anordnung gemäß 11 müsste der Transformator zwischen die Spannungsversorgungsquelle 31 und den AC/DC-Wandler eingefügt werden, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 der Transformator zwischen der Spannungsversorgungsquelle und der Induktivität 32 bereitgestellt werden müsste. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 müsste der Transformator zwischen die Spannungsversorgungsquelle 31 und die Induktivität 32 eingefügt werden. Die Funktion des Transformators besteht darin, die Spannungsversorgungsquelle und die Lastanordnung mit dem Mehrstufenwandler und der Last galvanisch voneinander zu trennen.
15 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgungsschaltung 30, die auf der Spannungsversorgungsschaltung gemäß 12 basiert, mit dem Unterschied, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 eine Reihenschaltung mit einer Spannungsversorgungsquelle 31a und einer Induktivität 32a zwischen die zweiten Klemmen 12 der Wandlerzweige und jeden der Phasenausgänge 11a, 11b, 11c geschaltet ist. Jede der Versorgungsquellen 31a, 31b, 31c kann eine Phase des dreiphasigen Spannungsversorgungsnetzes repräsentieren. Jede der Reihenschaltungen dient zum Aufladen der Ladungsspeichereinheiten eines Wandlerzweiges. Der Ladevorgang wird von der Steuerschaltung 60 gesteuert, wobei die Steuerschaltung 60 Steuersignale für die einzelnen Wandlerstufen erzeugt (die Steuerschaltung 60 ist in 16 nicht dargestellt). Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 14 kann ein (nicht gezeigter) Transformator zwischen jede der Versorgungsspannungsquellen 31a, 31b, 31c und die Induktivitäten 32a, 32b, 32c geschaltet werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 16 basiert auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 12, mit dem Unterschied, dass die Versorgungsspannungsquelle 31 über eine Induktivität 32 an jede der Phasenausgänge 11a, 11b, 11c geschaltet ist. Der AC/DC-Wandler sowie der DC/DC-Wandler, die zwischen die Induktivität und die Versorgungsspannungsquelle geschaltet sind, sind optional.
In 17 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spannungsversorgungsschaltung gezeigt. In 17 bezeichnet das Bezugszeichen MLC eine dreiphasige Mehrstufenwandler-Anordnung, die zwischen die Phasenausgänge 11a, 11b, 11c und den Knoten N für das Bezugspotential (Referenzpotential) geschaltet ist. Die Mehrstufenwandler-Anordnung MLC ist beispielsweise entsprechend der Mehrstufenwandler-Anordnungen gemäß der 10 bis 16 implementiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 17 ist eine Ladeschaltung 30 an die Last, wobei die Last im vorliegenden Beispiel ein Motor ist, und über die Last an die Mehrstufenwandler-Anordnung MLC gekoppelt. Die Ladeschaltung 30 beinhaltet eine Schalteranordnung mit drei Schaltern 38a, 38b, 38c. Jeder dieser Schalter ist an eine der Motorwicklungen geschaltet und dazu ausgebildet, entweder die entsprechende Motorwicklung (Strang) an eine Versorgungsspannungsquelle 31a, 31b, 31c oder an einen Schaltungsknoten 39, der den Mittelabgriff des Motors bildet, zu koppeln. Die Schalter 38a, 38b, 38c werden von einer Steuerschaltung 35 mittels der Steuersignale S38a, S38b, S38c gesteuert. Wenn sich die Mehrstufenwandler-Anordnung MLC im Versorgungsmodus befindet, also wenn sie die Last mit Spannung versorgt, dann werden die Schalter 38a, 38b, 38c so angesteuert, dass die Stränge des Motors permanent mit dem Mittenabgriff 39 verbunden sind. Wenn sich die Mehrstufenwandler-Anordnung MLC im Lademodus (Ladezustand) befindet, also wenn ihr über die Ausgangsklemmen elektrische Energie zugeführt wird, dann werden die Schalter 38a, 38b, 38c so angesteuert, dass jeder der Motorstränge alternierend an eine der Versorgungsspannungsquellen 31a, 31b, 31c und den Mittenabgriff geschaltet wird. Die drei in 17 dargestellten Quellen 31a, 31b, 31c können die drei Phasen eines dreiphasigen Spannungsversorgungsnetzes repräsentieren.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 17 sind die Schalter 38a, 38b, 38c über optionale Transformatoren 36a, 36b, 36c an die Spannungsquellen 31a, 31b, 31c gekoppelt.
Die Ladeschaltung 30 weist weiterhin ein Gleichrichterelement 37a, 37b, 37c, wie etwa eine Diode, auf, welches zwischen den Bezugspotentialknoten N und jede der Wicklungen (Stränge) geschaltet ist. Diese Gleichrichterelemente arbeiten während des Ladevorgangs als Freilaufelemente.
Wenn sich die Mehrstufenwandler-Anordnung MLC im Lademodus befindet, schalten die Schalter 38a, 38b, 38c alternierend zwischen den Spannungsquelle 31a, 31b, 31c und dem Mittelabgriff 39 um. Wenn eine der Spannungsquellen 31a, 31b, 31c an eine der Motorwicklungen geschaltet ist und wenn die Wandlerstufen in jenem Wandlerzweig, der an die entsprechende Motorwicklung geschaltet ist, im Überbrückungs- oder Ladezustand sind, dann fließt ein Ladestrom von der Spannungsquelle 31a, 31b, 31c über den Schalter 38a, 38b, 38c, die Motorwicklung und den Wandlerzweig. Wenn der Schalter die Spannungsquelle 31a, 31b, 31c trennt, dann ermöglichen die Freilaufelemente das Fließen eines Freilaufstromes. Das heißt, sie erlauben einem Strom über die Motorwicklung und den Wandlerzweig weiter zu fließen.
Optional weisen die Schalter 38a, 38b, 38c eine dritte Schalterposition auf, die den Schalter öffnet. Im Lademodus schalten die Schalter 38a, 38b, 38c alternierend zwischen den Spannungsquellen 31a, 31b, 31c und den Motorwicklungen um und verbinden die Motorwicklungen nur dann mit dem Mittenabgriff 39, wenn die Mehrstufenwandler-Anordnung der Last eine Versorgungsspannung bereitstellt.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wandleranordnung, die eine an die Phasenausgänge 11a, 11b, 11c gekoppelte Hilfsspannungs-Erzeugungsschaltung 200 aufweist. Die Hilfsspannungs-Erzeugungsschaltung 200 beinhaltet einen Gleichrichter mit einer Reihenschaltung aus einer Induktivität 22 und einer Kapazität 24, wobei über der Kapazität 24 eine Hilfsspannung Vaux anliegt. Jeder der Phasenausgänge 11a, 11b, 11c ist über ein Gleichrichterelement 21a, 21b, 21c, wie eine Diode, an die Gleichrichteranordnung 22, 24 gekoppelt. Die Spannungserzeugungsschaltung 20 gemäß 18 erzeugt eine Gleichspannungs-Hilfsspannung (DC-Hilfsspannung) aus den Ausgangsspannungen, die an den Phasenausgängen 11a, 11b, 11c anliegen. Optional ist ein DC/DC-Wandler 25 an die Ausgangsklemmen 23 gekoppelt, der eine gesteuerte DC-Ausgangshilfssspannung Vaux' an einem zweiten Ausgang 27 über einer weiteren Kapazität 26 bereitstellt.
Optional ist eine Spannungsquelle 29 zwischen den Bezugspotentialknoten N und die zweiten Ausgangsklemmen der Wandlerzweige geschaltet. Eine von der Spannungsquelle 29 bereitgestellte Ausgangsspannung Voffs beeinflusst den Motorantrieb nicht, trägt aber zu einem konstanten Spannungsversatz der DC-Hilfsspanung bei.
19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spannungserzeugungsschaltung, die zwischen die Phasenausgänge 11a, 11b, 11c geschaltet ist. Diese Spannungserzeugungsschaltung umfasst einen Mehrphasen-AC/DC-Wandler 28, etwa einen Mehrphasen-PFC (PFC: Power Factor Controller bzw. Leistungsfaktorregler), der eine gesteuerte DC-Hilfsspannung Vaux' über einer zwischen den Wandler 28 und einer Bezugspotentialklemme geschalteten Kapazität 26 bereitstellt.
In den vorangehend erläuterten Wandleranordnungen dient die gleiche Klemme, wie etwa die Klemmen 11a, 11b, 11c, zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für eine Last, wenn die Wandleranordnung sich im Versorgungsmodus befindet, und zum Empfangen elektrischer Energie, wenn die Wandleranordnung sich im Lademodus (Ladezustand) befindet. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Wandleranordnung nicht über die oder durch die Last geladen wird, wie etwa bei den Anordnungen der 12, 13, 14, 15 und 16, die Schalter zum Trennen der Last während des Ladevorgangs aufweisen, kann die Wandleranordnung – die von der Steuerschaltung 20 gesteuert wird – dazu ausgebildet sein, elektrische Energie in die Spannungsquelle, beispielsweise ein Versorgungsnetz, zurückzuspeisen (zu rekuperieren). Die Rückspeisung elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz kann zur Korrektur oder Kompensation von Leistungsfaktorschwankungen beitragen, die von anderen an das Versorgungsnetz angeschlossenen Lasten verursacht werden. In diesem Fall ist die Steuerschaltung 20 dazu ausgebildet, den netzseitigen Leistungsfaktor zu messen, und weiterhin dazu ausgebildet, bei der Wandleranordnung eine Rückspeisung elektrischer Energie in das Versorgungsnetz zu bewirken, um den Leistungsfaktor zu korrigieren.
Die Anordnung ist insbesondere deshalb zur Bereitstellung einer Leistungsfaktorkompensation (PFC) in der Lage, da die Ausgangsspannung Vac nicht auf eine oszillierende Spannung beschränkt ist. Vielmehr kann Die Ausgangsspannung Vac jede gewünschte Signalform annehmen, wobei die maximale Amplitude der Ausgangsspannung Vac durch die Anzahl der Wandlerstufen und die maximale Ausgangsspannung jeder Wandlerstufe begrenzt ist.
Ein aktiver Ladungsausgleich der elektrischen Ladungen in den Ladungsspeichereinheiten ist in jedem der drei Betriebsmodi (Betriebszustände) möglich: im Versorgungsmodus, in dem der Last eine Versorgungsspannung bereitgestellt wird; im Lademodus, in dem elektrische Energie in den Ladungsspeichereinheiten gespeichert wird; im Leistungsfaktor-Korrekturmodus (PFC-Modus), in dem elektrische Energie in das Netz zurück gespeist (rekuperiert) wird.
Abschließend sei angemerkt, dass die Merkmale, die unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel erläutert wurden mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, auch wenn dies vorangehend nicht explizit erwähnt wurde.

Claims

Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler, der aufweist: Spannungsversorgungsklemmen (11, 12), die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangswechselspannung (Vac) bereitzustellen; wenigstens zwei Wandlerstufen (C1, C2, Cn), wobei jede Wandlerstufe Eingangsklemmen (P1', M1', ..., Pn', Mn'), die dazu ausgebildet sind, an eine elektrische Ladungsspeichereinheit (B1, B2, Bn) angeschlossen zu werden, Ausgangsklemmen (P1, M1, ..., Pn, Mn) und eine Schalteranordnung (H1, H2), die zwischen die Eingangsklemmen und Ausgangsklemmen (P1, M1, ..., Pn, Mn) gekoppelt ist, aufweist, wobei die Schalteranordnung dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal (S1, S2, Sn) zu empfangen und eine Ausgangsspannung (V1, V2, Vn) mit einem Tastverhältnis abhängig von dem Steuersignal (S1, S2, Sn) an den Spannungsversorgungsklemmen (11, 12) bereitzustellen, wobei die wenigstens zwei Wandlerstufen (C1, C2, Cn) in Reihe zwischen die Spannungsversorgungsklemmen (11, 12) geschaltet sind; und eine Steuerschaltung (20), die dazu ausgebildet ist: einen Satz Parametersätze bereitzustellen, wobei der Parametersatz von einer gewünschten Signalform der Ausgangsspannung (Vac) abhängig ist, und wobei jeder Parametersatz ein Tastverhältnis definiert; und die Steuersignale (S1, S2, Sn) für die wenigstens zwei Wandlerstufen (C1, C2, Cn) so zu erzeugen, so dass ein aus dem Satz Parametersätze ausgewählter Parametersatz einer Wandlerstufen (C1, C2, Cn) zugeordnet ist, wobei sich die Zuordnung der Parametersätze zu den Wandlerstufen (C1, C2, Cn) über der Zeit ändert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der einer Wandlerstufe (C1, C2, Cn) ein Parametersatz für wenigstens eine Dauer eines Entladungszyklus zugeordnet wird, wobei die Dauer eines Entladungszyklus abhängig ist von der gewünschten Signalform der Ausgangsspannung (Vac).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Ausgangsspannung (Vac) eine sinusförmige Spannung ist, die eine positive und eine negative Periode aufweist, wobei die Dauer eines Entladungszyklus gleich der Dauer einer Halbperiode ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, den Ladezustand der Ladungsspeichereinheiten (B1, B2, Bn) zu detektieren und den einzelnen Wandlerstufen (C1, C2, Cn), abhängig von den detektierten Ladezuständen, die Parametersätze zuzuordnen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der die Steuerschaltung (20) dazu ausgebildet ist, den Wandlerstufen (C1, C2, Cn) die Parametersätze so zuzuordnen, dass das Tastverhältnis, das einer Wandlerstufe (C1, C2, Cn) zugeordnet ist, umso niedriger ist, je niedriger der Ladezustand einer Ladungsspeichereinheit (B1, B2, Bn) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Zuordnung von Parametersätzen zu den Wandlerstufen (C1, C2, Cn) zyklisch ändert.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Zuordnung von Parametersätzen zu den Wandlerstufen (C1, C2, Cn) zufällig ändert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der die Steuerschaltung (20) dazu ausgebildet ist, den Ladezustand einer Ladungsspeichereinheit (B1, B2, Bn) durch wenigstens eine der folgenden Maßnahmen zu ermitteln: Messen von deren Ausgangsspannung (V1, V2, Vn); Auswerten von deren Eingangsstrom und Ausgangsstrom; Auswerten von deren Temperatur.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehende Ansprüche, bei der die Steuerschaltung (20) dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Wandlerstufe (C1, C2, Cn) abhängig von einem Ladezustand der Ladungsspeichereinheit der Wandlerstufe zu überbrücken.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die wenigstens drei Wandlerzweige aufweist, wobei jeder Wandlerzweig wenigstens zwei in Reihe geschaltete Wandlerstufen und einen ersten Ausgangsanschluss (11a, 11b, 11c) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: eine Ladeschaltung (30), die an den Mehrstufenwandler gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, die weiterhin aufweist: eine induktive Last (32), die an die ersten Ausgangsklemmen (11a, 11b, 11c) gekoppelt ist, wobei die Ladeschaltung (30) über die Last (32) an den Mehrstufenwandler gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, die weiterhin aufweist: wenigstens einen Schalter (34a, 34b, 34c), der zwischen eine der Ausgangsklemmen (11, 12) und die Reihenschaltung mit den Wandlerstufen (C1, C2, Cn) geschaltet ist, wobei die Ladeschaltung (30) an einen gemeinsamen Knoten des wenigstens einen Schalters (34a, 34b, 34c) und der Reihenschaltung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, bei der die Ladeschaltung wenigstens eine Klemme zum Anlegen einer Versorgungsspannung aufweist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 14, bei der die Ladeschaltung dazu ausgebildet ist, eine Versorgungswechselspannung (Uac_a, Uac_b, Uac_c) zu empfangen.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 15, bei der die Ladeschaltung (30) einen Transformator (36a, 36b, 36c) aufweist, der zwischen die wenigstens eine Klemme zum Anlegen einer Versorgungsspannung und den Mehrstufenwandler gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 14, bei der die Ladeschaltung (30) dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsgleichspannung (UAc) zu empfangen.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 11, bei der die Steuerschaltung (20) dazu ausgebildet ist, selektiv einen ersten Satz Parametersätze für die Wandlerstufe (C1, C2, Cn) bereitzustellen, wobei der erste Satz dazu ausgebildet ist, an dem Mehrstufenwandler eine Bereitstellung einer Versorgungsspannung (Vac) an den Versorgungsspannungsklemmen (11, 12) zu bewirken, und wobei der zweite Satz dazu ausgebildet ist, bei dem Mehrstufenwandler eine Speicherung elektrischer Energie in wenigstens einer der Ladungsspeichereinheiten (B1, B2, Bn) zu bewirken, die über die Versorgungsspannungsklemmen (P1', M1', ..., Pn', Mn') zugeführt wird.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 18, bei der der erste Satz Parametersätze von der Ausgangsspannung (Vac) abhängig ist und bei der der zweite Satz Parametersätze wenigstens von den Ladezuständen der Ladungsspeichereinheiten (B1, B2, Bn) abhängig ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 18, bei der der zweite Satz Parametersätze von der Versorgungsspannung (V1', V2', Vn') abhängig ist, die der Ladeschaltung (B1, B2, Bn) zugeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: eine Gleichrichteranordnung, die an die Ausgangsklemmen (11a, 11b, 11c) gekoppelt ist und die eine Ausgangsklemme (23, 27) zum Bereitstellen einer Hilfs-Gleichspannung (Vaux, Vaux') aufweist.