DE102012002292A1 - Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung - Google Patents

Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung Download PDF

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Abstract

Eine Schaltung (100) zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung enthält einen Abwärtswandler (102), einen DC/DC-Spannungs-Resonanzwandler, einen DC/AC-Spannungswandler (106), und einen Zwischenkreiskondensator (108). Der Abwärtswandler (102) erzeugt einen Gleichstrom gemäß einer Eingangsspannung, die von einer Spannungsquelle (110) erzeugt wird, welche in einem optimalen Arbeitspunkt arbeitet. Der DC/DC-Spannungs-Resonanzwandler (104) wandelt die Eingangsspannung in eine Gleichspannung gemäß eines Schalttakts und einer Resonanzfrequenz, die von einem Resonanzkondensator (1042) und einer Resonanzinduktivität des DC/DC-Spannungs-Resonanzwandlers (104) festgelegt wird, um. Der DC/AC-Spannungswandler (106) wandelt die Gleichspannung um und gibt eine Wechselspannung an das AC-Energieversorgungsnetz (112) aus. Der Zwischenkreiskondensator (108) passt die von dem DC/AC-Spannungswandler ausgegebene Leistung an, um die Gleichspannung zu steuern.

Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Aufgrund von technischen Anforderungen und unterschiedlichen landesspezifischen Regularien, benötigt eine Spannungsquelle eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC), um Energie der Spannungsquelle an ein AC-Energieversorgungsnetz zu übertragen und die Spannungsquelle vom AC-Energieversorgungsnetz zu isolieren.
  • Die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung verwendet einen Abwärtswandler, um einer großen Bandbreite von Änderungen einer Ausgangsspannung der Spannungsquelle gerecht zu werden, und damit die Spannungsquelle in einem Punkt maximaler Leistung arbeitet. Wenn die Spannungsquelle am Punkt maximaler Leistung arbeitet, kann die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung optimale Umwandlungseffizienz erreichen.
  • Zusätzlich wird, wenn die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung eine hart schaltende Vollbrückeneinheit zum Konvertieren einer Eingangsspannung, welche durch die Spannungsquelle erzeugt worden ist, in eine erste Wechselspannung und einen Hochfrequenzübertrager zum Transformieren der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung verwendet, ein Übertragungsverhältnis des Hochfrequenzübertragers aufgrund der hart schaltenden Vollbrückeneinheit für Bedingungen gewählt, dass die Spannungsquelle die niedrigste Spannung hat und die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung die höchste Ausgangsspannung hat. Ein Wechselstrom, der durch eine Primärwicklung des Hochfrequenzübertragers fließt, ist sehr hoch. Daher sollten die Leistungsschalter der hart schaltenden Vollbrückeneinheit so ausgelegt sein, dass sie den Wechselstrom und die maximale Leistung der Spannungsquelle aushalten. Jedoch steigen die Schaltverluste der Leistungsschalter mit der Leistung der Spannungsquelle. Daher hat, wenn die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung die hart schaltende Vollbrückeneinheit zum Umwandeln der Eingangsspannung, die durch die Spannungsquelle generiert wird, in die erste Wechselspannung verwendet, die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung hohe Schaltverluste.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In Anbetracht dessen zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC) zur Verfügung zu stellen, welche nicht nur einen einfacheren Aufbau hat, sondern auch die Schaltverluste verringert und die Umwandlungseffizienz erhöht.
  • Dies wird erreicht durch eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen Weiterentwicklungen und Verbesserungen.
  • Wie aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung klarer erkennbar wird, enthält die beanspruchte Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung einen DC/DC-Spannungs-Resonanzumrichter. Der DC/DC-Spannungs-Resonanzumrichter enthält einen Resonanzkondensator, eine Vollbrückeneinheit, einen Hochfrequenzübertrager, und einen Gleichrichter. Der Resonanzkondensator wird zum Erzeugen einer ersten Gleichspannung gemäß einem Gleichstrom verwendet; die Vollbrückeneinheit wird zum Umwandeln der ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung gemäß einem Schaltakt verwendet; der Hochfrequenzübertrager wird zum Erkennen einer Änderung der ersten Wechselspannung einer Primärwicklung des Hochfrequenzübertragers verwendet, um eine zweite Wechselspannung zu erzeugen; und der Gleichrichter wird zum Gleichrichten der zweiten Wechselspannung in eine Gleichspannung verwendet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Dabei ist:
  • 1 ein Diagramm, welches eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
  • 2 ein Diagramm, welches einen Strom durch die Primärwicklung und die erste Gleichspannung zeigt, und
  • 3 ein Diagramm, welches eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es wird auf 1 verwiesen. 1 ist ein Diagramm, welches eine Schaltung 100 zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt. Wie in 1 gezeigt, enthält die Schaltung 100 einen Abwärtswandler 102, einen DC/DC-Spannungs-Resonanzumrichter 104, einen DC/AC-Spannungswandler 106 und einen Zwischenkreiskondensator (DC-Link-Kondensator) 108. Der Abwärtswandler 102 hat einen ersten Anschluss zum Anschließen eines ersten Anschlusses einer Spannungsquelle 110, einen zweiten Anschluss zum Anschließen eines zweiten Anschlusses der Spannungsquelle 110, und einen dritten Anschluss zum Ausgeben eines Gleichstroms IDC. Ein Stabilisierungskondensator 111 ist zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss der Spannungsquelle 110 zum Stabilisieren einer Eingangsspannung VIN der Spannungsquelle 110 geschaltet. Der Abwärtswandler 102 wird zum Erzeugen des Gleichstroms IDC gemäß der Eingangsspannung VIN der Spannungsquelle 110 verwendet, wenn die Spannungsquelle 110 in einem optimalen Arbeitspunkt arbeitet, wobei der optimale Arbeitspunkt der Spannungsquelle 110 ein Punkt maximaler Leistung der Spannungsquelle 110 ist. Der DC/DC-Spannungs-Resonanzumrichter 104 enthält einen Resonanzkondensator 1042, eine Vollbrückeneinheit 1044, einen Hochfrequenzübertrager 1046, und einen Gleichrichter 1048. Der Resonanzkondensator 1042 hat einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss des Abwärtswandlers 102 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Abwärtswandlers 102 verbunden ist, wobei der Resonanzkondensator 1042 zum Erzeugen einer ersten Gleichspannung FDCV gemäß dem Gleichstrom IDC verwendet wird. Die Vollbrückeneinheit 1044 hat einen ersten Anschluss, welcher mit dem dritten Anschluss des Abwärtswandlers 102 verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Abwärtswandlers 102 verbunden ist, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss, wobei die Vollbrückeneinheit 1044 verwendet wird, um die erste Gleichspannung FDCV in eine erste Wechselspannung FACV gemäß einem Schalttakt SC (wie zum Beispiel 20 kHz) umzuwandeln. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Schalttakt SC von 20 kHz beschränkt. Der Hochfrequenzübertrager 1046 enthält eine Primärwicklung 10462 und eine Sekundärwicklung 10464. Die Primärwicklung 10462 hat einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss der Vollbrückeneinheit 1044 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem vierten Anschluss der Vollbrückeneinheit 1044 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 10464 hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss zum Erkennen von Änderungen der ersten Wechselspannung FACV der Primärwicklung 10462, um eine zweite Wechselspannung SACV zu erzeugen. Der Gleichrichter 1048 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung 10464 verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung 10464 verbunden ist, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss, wobei der Gleichrichter 1048 verwendet wird, um die zweite Wechselspannung SACV in eine Gleichspannung DCV gleichzurichten. Der DC/AC-Spannungswandler 106 hat einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss des Gleichrichters 1048 verbunden ist, um die Gleichspannung DCV zu erhalten, einen zweiten Anschluss, der mit dem vierten Anschluss des Gleichrichters 1048 verbunden ist, einen dritten Anschluss zum Ausgeben einer Wechselspannung ACV an einen ersten Anschluss eines AC-Energieversorgungsnetzes 112 und einen vierten Anschluss zum Anschließen an einen zweiten Anschluss des AC-Energieversorgungsnetzes 112. Der DC/AC-Spannungswandler 106 wird verwendet, um die Gleichspannung DCV in die Wechselspannung ACV umzuwandeln, und der DC/AC-Spannungswandler 106 ist ein Einphasenwandler oder ein Dreiphasenwandler. Zusätzlich ist zum Filtern hoher Frequenzanteile der Wechselspannung ACV ein Tiefpassfilter 114 zwischen das AC-Energieversorgungsnetz 112 und den DC/AC-Spannungswandler 106 geschaltet. Der Zwischenkreiskondensator 108 hat einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss des Gleichrichters 1048 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem vierten Anschluss des Gleichrichters 1048 verbunden ist, wobei der Zwischenkreiskondensator 108 verwendet wird, um die vom DC/AC-Spannungswandler 106 ausgegebene Leistung anzupassen, um die Gleichspannung DCV steuern. Zusätzlich ist die Gleichspannung DCV höher als ein vorbestimmtes Vielfaches (wie zum Beispiel 1,5) eines Spitzenwertes einer Wechselspannung des AC-Energieversorgungsnetzes 112.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält der Abwärtswandler 102 einen ersten Schalter 1022, eine Induktivität 1024 und eine Diode 1026. Der erste Schalter 1022 hat einen ersten Anschluss zum Anschließen des ersten Anschlusses der Spannungsquelle 110, und einen zweiten Anschluss. Der erste Schalter 1022 passt ein Tastverhältnis an, damit die Spannungsquelle 110 in einem optimalen Arbeitspunkt arbeitet, und der erste Schalter 1022 ist ein Bipolartransistor mit isolierter Gate Elektrode (IGBT), ein GTO-Thyristor, oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Die Induktivität 1024 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters 1022 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Resonanzkondensators 1042 verbunden ist. Die Induktivität 1024 wird verwendet, um den Gleichstrom IDC gemäß der Eingangsspannung VIN der Spannungsquelle 110 zu erzeugen. Die Diode 1026 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters 1022 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Resonanzkondensators 1042 verbunden ist. Die Diode 1026 wird verwendet, um die Richtung des Gleichstroms IDC aufrechtzuerhalten, wenn der erste Schalter 1022 abgeschaltet wird. Zusätzlich ist die erste Gleichspannung FDCV geringer als die Eingangsspannung VIN, und der Abwärtswandler 102 kann für Spannungen verschiedener Spannungsquellen sein. Zum Beispiel werden Spannungen durch einen photovoltaischen Generator, der unter unterschiedlichen Licht- und Temperaturbedingungen arbeitet, erzeugt und Spannungen werden durch verschiedene Spannungsquellen erzeugt.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält die Vollbrückeneinheit 1044 einen zweiten Schalter 10442, einen dritten Schalter 10444, einen vierten Schalter 10446 und einen fünften Schalter 10448. Der zweite Schalter 10442 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Resonanzkondensators 1042 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Primärwicklung 10462 verbunden ist. Der dritte Schalter 10444 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Primärwicklung 10462 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Resonanzkondensators 1042 verbunden ist. Der vierte Schalter 10446 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Resonanzkondensators 1042 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung 10462 verbunden ist. Der fünfte Schalter 10448 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung 10462 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Resonanzkondensators 1042 verbunden ist. Der zweite Schalter 10442 und der fünfte Schalter 10448 werden während einer ersten Halbperiode des Schalttakts SC eingeschaltet und werden während einer zweiten Halbperiode des Schalttakts SC ausgeschaltet. Der dritte Schalter 10444 und der vierte Schalter 10446 werden während der zweiten Halbperiode des Schalttakts SC eingeschaltet und werden während der ersten Halbperiode des Schalttakts SC ausgeschaltet. Zwischen der ersten Halbperiode und der zweiten Halbperiode des Schalttakts SC existiert eine Totzeit, um zu verhindern, dass der zweite Schalter 10442, der fünfte Schalter 10448, und der dritte Schalter 10444, der vierte Schalter 10446 zeitgleich eingeschaltet sind. Zusätzlich sind der zweite Schalter 10442, der dritte Schalter 10444, der vierte Schalter 10446 und der fünfte Schalter 10448 Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), GTO-Thyristoren oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET).
  • Wie in 1 gezeigt, enthält der Gleichrichter 1048 eine erste Diode 10482, eine zweite Diode 10484, eine dritte Diode 10486 und eine vierte Diode 10488. Die erste Diode 10482 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers 106 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem ersten Anschuss der Sekundärwicklung 10464 verbunden ist. Die zweite Diode 10484 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung 10464 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers 106 verbunden ist. Die dritte Diode 10486 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers 106 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung 10464 verbunden ist. Die vierte Diode 10488 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung 10464 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers 106 verbunden ist. Während der ersten Halbperiode des Schalttakts SC leiten die erste Diode 10482 und die vierte Diode 10488 und die zweite Diode 10484 und die dritte Diode 10486 leiten während der zweiten Halbperiode des Schalttakts SC.
  • Es wird auf 2 verwiesen. 2 ist ein Diagramm, welches den Strom, der durch die Primärwicklung 10462 fließt, und die erste Gleichspannung FDCV veranschaulicht. Wie in 1 gezeigt, ist eine Resonanzinduktivität 1050 zwischen die Vollbrückeneinheit 1044 und die Primärwicklung 10462 geschaltet, um mit dem Resonanzkondensator 1042 eine Resonanzfrequenz festzulegen. Die Frequenz des Schalttakts SC ist niedriger als die Resonanzfrequenz und die Resonanzfrequenz ist viel höher als eine Frequenz des AC-Energieversorgungsnetzes 112. Die Vollbrückeneinheit 1044, der Hochfrequenzübertrager 1046 und der Gleichrichter 1048 sorgen in der Schaltung 100 für eine galvanische Isolierung, um die Spannungsquelle 110 vom AC-Energieversorgungsnetz 112 zu isolieren. Die Vollbrückeneinheit 1044 wandelt die erste Gleichspannung FDCV in die erste Wechselspannung FACV um. Danach transformiert der Hochfrequenzübertrager 1046 die erste Wechselspannung FACV in die zweite Wechselspannung des SACV mit einem vorbestimmten Spannungswert. Wenn der zweite Schalter 10442, der dritte Schalter 10444, der vierte Schalter 10446 und der fünfte Schalter 10448 in einem Resonanzmodus mit der Resonanzfrequenz arbeiten, können die Schaltverluste des zweiten Schalters 10442, des dritten Schalters 10444, des vierten Schalters 10446 und des fünften Schalters 10448 auf einen minimalen Wert reduziert werden. Das bedeutet, obwohl der zweite Schalter 10442, der dritte Schalter 10444, der vierte Schalter 10446 und der fünfte Schalter 10448 mit einem hart schaltenden Modus arbeiten, hat die Vollbrückeneinheit 1044 dennoch eine Charakteristik niedriger Schaltverluste eines welch schaltenden Modus. Da die Vollbrückeneinheit 1044 in dem hart schaltenden Modus arbeitet, sollte eine Form der ersten Wechselspannung FACV ein Rechtecksignal sein und ein Änderungsbereich des Stroms, der durch die Primärwicklung 10462 fließt, ist zwischen 0 A und mehreren 10 A. Wenn jedoch die Vollbrückeneinheit 1044 mit der Resonanzinduktivität 1050 und dem Resonanzkondensator 1042 arbeitet, wandelt die Vollbrückeneinheit 1044 eine Form des Stroms, der durch die Primärwicklung 10462 fließt, in eine sinusförmige Welle durch die Resonanzinduktivität 1050 und den Resonanzkondensator 1042 um, so dass die Schaltverluste des Stroms, der durch die Primärwicklung 10462 fließt, verringert werden können. Zum Beispiel werden in 2 der zweite Schalter 10442, der dritte Schalter 10444, der vierte Schalter 10446 und der fünfte Schalter 10448 an Schaltpunkten A, B, C geschaltet, aber die Vollbrückeneinheit 1044 kann den durch die Primärwicklung 10462 fließenden Strom in den Schaltpunkten A, B und C durch die Resonanzinduktivität 1050 und den Resonanzkondensator 1042 auf eine Stromumschaltung von nahezu 0 bringen. Daher ist – wie in 2 gezeigt – eine aktuelle Resonanzfrequenz zwischen den Schaltpunkten A und B zweimal so groß, wie der Schalttakt SC und die Resonanzfrequenz der ersten Gleichspannung FDCV ist die gleiche, wie die aktuelle Resonanzfrequenz. Daher wird die Umwandlungseffizienz der Schaltung 100 erhöht. Zusätzlich wird, wenn der zweite Schalter 10442, der dritte Schalter 10444, der vierte Schalter 10446 und der fünfte Schalter 10448 im Resonanzmodus mit der Resonanzfrequenz arbeiten, ein Verhältnis zwischen der ersten Gleichspannung FDCV und der Gleichspannung DCV durch ein Verhältnis zwischen der Primärwicklung 10462 und der Sekundärwicklung 10446 festgelegt. Zusätzlich enthält gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der DC/DC-Spannungs-Resonanzumwandler 104 nicht die Resonanzinduktivität 1050 und der Resonanzkondensator 1042 bestimmt die Resonanzfrequenz mit einer Leck-Induktivität der Primärwicklung 10462.
  • Zusätzlich ist die Spannungsquelle 110 – wie in 1 gezeigt – ein photovoltaischer Generator, eine Brennstoffzelle oder eine Batterie. Es wird auf 3 verwiesen. 3 ist ein Diagramm, welches eine Schaltung 100 zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel darstellt. Wie in 3 gezeigt, ist die Spannungsquelle 310 eine Windenergieanlage mit einem Permanentmagnet(PM)-Generator, eine Verbrennungsmaschine mit einem PM-Generator oder ein Wasserkraftwerk mit einem PM-Generator. Da die Spannungsquelle 310 zum Erzeugen einer dritten Wechselspannung TACV verwendet wird, ist ein Vor-Gleichrichter 301 zwischen den Abwärtswandler 102 und die Spannungsquelle 310 geschaltet, um die dritte Wechselspannung TACV, welche durch die Spannungsquelle 310 erzeugt wird, in die Eingangsspannung VIM gleichzurichten. Weiter sind nachfolgende Arbeitsprinzipien des Ausführungsbeispiels in 3 die gleichen, wie jene des Ausführungsbeispiels in 1, so dass auf eine weiterführende Beschreibung dieser aus Gründen der Einfachheit verzichtet wird.
  • Zusammengefasst verwendet die Schaltung zum Umwandeln der Gleichspannung in eine Wechselspannung den Abwärtswandler, damit die Spannungsquelle in einem optimalen Arbeitspunkt arbeitet, den Hochfrequenzübertrager des DC/DC-Spannungs-Resonanzwandlers, um das Verhältnis zwischen der ersten Gleichspannung und der Gleichspannung festzulegen, und den DC/AC-Spannungswandler, um die Gleichspannung in die Wechselspannung umzuwandeln und die Wechselspannung an das AC-Energieversorgungsnetz auszugeben. Zusätzlich arbeitet die Vollbrückeneinheit des DC/DC-Spannungswandlers im Resonanzmodus mit der Resonanzfrequenz, so dass die Schaltverluste der Vollbrückeneinheit auf den minimalen Wert reduziert werden können. Das bedeutet, dass die Vollbrückeneinheit die Charakteristik niedriger Schaltverluste des weich schaltenden Modus hat, obwohl die Vollbrückeneinheit mit dem hart schaltenden Modus arbeitet. Zusätzlich können die Vollbrückeneinheit, der Hochfrequenzübertrager und der Gleichrichter des DC/DC-Spannungs-Resonanzwandlers eine galvanische Isolierung verwirklichen, um die Spannungsquelle vom AC-Energieversorgungsnetz zu Isolieren. Daher hat die vorliegende Erfindung nicht nur einen einfacheren Aufbau, sondern auch niedrigere Schaltverluste und eine höhere Umwandlungseffizienz.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung noch einmal zusammengefasst: Eine Schaltung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung enthält einen Abwärtswandler, einen DC/DC-Spannungs-Resonanzwandler, einen DC/AC-Spannungswandler, und einen Zwischenkreiskondensator. Der Abwärtswandler erzeugt einen Gleichstrom gemäß einer Eingangsspannung, die von einer Spannungsquelle erzeugt wird, welche in einem optimalen Arbeitspunkt arbeitet. Der DC/DC-Spannungs-Resonanzwandler wandelt die Eingangsspannung in eine Gleichspannung gemäß eines Schalttakts und einer Resonanzfrequenz, die von einem Resonanzkondensator und einer Resonanzinduktivität des DC/DC-Spannungs-Resonanzwandlers festgelegt wird, um. Der DC/AC-Spannungswandler wandelt die Gleichspannung um und gibt eine Wechselspannung an das AC-Energieversorgungsnetz aus. Der Zwischenkreiskondensator passt die von dem DC/AC-Spannungswandler ausgegebene Leistung an, um die Gleichspannung zu steuern.

Claims (14)

  1. Schaltung (100) zum Umwandeln einer Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC), wobei die Schaltung (100) umfasst: – einen Abwärtswandler (102), der einen ersten Anschluss zum Anschließen an einen ersten Anschluss einer Spannungsquelle (110), einen zweiten Anschluss zum Anschließen an einen zweiten Anschluss der Spannungsquelle (110) und einen dritten Anschluss zum Ausgeben eines Gleichstroms hat, wobei der Abwärtswandler (102) zum Erzeugen des Gleichstroms gemäß einer Eingangsspannung von der Spannungsquelle (110) verwendet wird, wenn die Spannungsquelle (110) in einem optimalen Arbeitspunkt arbeitet; gekennzeichnet durch: – ein DC/DC-Spannungs-Resonanzwandler (104), umfassend: – einen Resonanzkondensator (1042), der einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss des Abwärtswandlers (102) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss des Abwärtswandlers (102) verbunden ist, wobei der Resonanzkondensator (1042) zum Erzeugen einer ersten Gleichspannung gemäß dem Gleichstrom verwendet wird; – eine Vollbrückeneinheit (1044), die einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Abwärtswandlers (102) verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Abwärtswandlers (102) verbunden ist, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss hat, wobei die Vollbrückeneinheit (1044) zum Umwandeln der ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung gemäß einem Schalttakt verwendet wird; – einen Hochfrequenzübertrager (1046), umfassend: – eine Primärwicklung (10462), die einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss der Vollbrückeneinheit (1044) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem vierten Anschluss der Vollbrückeneinheit (1044) verbunden ist; und – eine Sekundärwicklung (10464), die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, zum Erkennen einer Veränderung der ersten Wechselspannung der Primärwicklung (10462), um eine zweite Wechselspannung zu erzeugen; und – einen Gleichrichter (1048), der einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung (10464) verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung (10464) verbunden ist, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss hat, wobei der Gleichrichter (1048) zum Gleichrichten der zweiten Wechselspannung in die Gleichspannung verwendet wird; – ein DC/AC-Spannungswandler (106), der einen ersten Anschluss, der zum Empfangen der Gleichspannung mit dem dritten Anschluss des Gleichrichters (1048) verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem vierten Anschluss des Gleichrichters (1048) verbunden ist, einen dritten Anschluss zum Ausgeben einer Wechselspannung an einen ersten Anschluss eines AC-Energieversorgungsnetzes (112) und einen vierten Anschluss zum Verbinden mit einem zweiten Anschluss des AC-Energieversorgungsnetzes (112) hat; und – einen Zwischenkreiskondensator (108), der einen ersten Anschluss, der mit dem dritten Anschluss des Gleichrichters (1048) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem vierten Anschluss des Gleichrichters (1048) verbunden ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (108) verwendet wird, um die vom DC/AC-Spannungswandler (106) ausgegebene Leistung anzupassen, um die Gleichspannung zu steuern.
  2. Schaltung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abwärtswandler (102) umfasst: – einen ersten Schalter (1022), der einen ersten Anschluss zum Anschließen an den ersten Anschluss der Spannungsquelle (110) und einen zweiten Anschluss hat, wobei der erste Schalter (1022) ein Tastverhältnis anpasst, damit die Spannungsquelle (110) in dem optimalen Arbeitspunkt arbeitet; – eine Induktivität (1024), die einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters (1022) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem ersten Anschluss des Resonanzkondensators (1042) verbunden ist, wobei die Induktivität (1024) verwendet wird, um den Gleichstrom gemäß der Eingangsspannung der Spannungsquelle (110) zu erzeugen; und – eine Diode (1026), die einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters (1022) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss des Resonanzkondensators (1042) verbunden ist, wobei die Diode (1026) zum Aufrechterhalten der Richtung des Gleichstroms verwendet wird, wenn der erste Schalter (1022) ausgeschaltet ist.
  3. Schaltung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (1022) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ein GTO-Thyristor (GTO) oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist.
  4. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Arbeitspunkt ein Punkt maximaler Leistung der Spannungsquelle (110) ist.
  5. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Spannungs-Resonanzwandler (104) charakterisiert ist durch: – eine Resonanzinduktivität (1050), die zwischen die Vollbrückeneinheit (1044) und die Primärwicklung (10462) geschaltet ist, um mit dem Resonanzkondensator (1042) eine Resonanzfrequenz festzulegen.
  6. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollbrückeneinheit (1044) umfasst: – einen zweiten Schalter (10442), der einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Resonanzkondensators (1042) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem ersten Anschluss der Primärwicklung (10462) verbunden ist; – einen dritten Schalter (10444), der einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Primärwicklung (10462) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss des Resonanzkondensators (1042) verbunden ist; – einen vierten Schalter (10446), der einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des Resonanzkondensators (1042) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung (10462) verbunden ist; und – einen fünften Schalter (10448), der einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung (10462) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss des Resonanzkondensators (1042) verbunden ist; – wobei der zweite Schalter (10442) und der fünfte Schalter (10448) während einer ersten Halbperiode des Schalttakts eingeschaltet werden und während einer zweiten Halbperiode des Schalttakts ausgeschaltet werden, und der dritte Schalter (10444) und der vierte Schalter (10446) während der zweiten Halbperiode des Schalttakts eingeschaltet werden und während der ersten Halbperiode des Schalttakts ausgeschaltet werden.
  7. Schaltung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Halbperiode und der zweiten Halbperiode des Schalttakts eine Totzeit existiert um zu verhindern, dass der zweite Schalter (10442), der fünfte Schalter (10448) und der dritte Schalter (10444), der vierte Schalter (10446) zeitgleich eingeschaltet sind.
  8. Schaltung (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (10442), der dritte Schalter (10444), der vierte Schalter (10446) und der fünfte Schalter (10448) Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), GTO-Thyristoren oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) sind.
  9. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1048) umfasst: – eine erste Diode (10482), die einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers (106) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung (10464) verbunden ist; – eine zweite Diode (10484), die einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung (10464) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers (106) verbunden ist; – eine dritte Diode (10486), die einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers (106) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung (10464) verbunden ist; und – eine vierte Diode (10488), die einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung (10464) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss hat, der mit dem zweiten Anschluss des DC/AC-Spannungswandlers (106) verbunden ist; – wobei die erste Diode (10482) und die vierte Diode (10488) während der ersten Halbperiode des Schalttakts leiten, und die zweite Diode (10484) und die dritte Diode (10486) während der zweiten Halbperiode des Schalttakts leiten.
  10. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/AC-Spannungswandler (106) ein Einphasenwandler oder ein Dreiphasenwandler ist.
  11. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttakt niedriger als die Resonanzfrequenz ist und die Resonanzfrequenz viel höher als eine Frequenz des AC-Energieversorgungsnetzes (112) ist.
  12. Schaltung (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (110) ein photovoltaischer Generator, eine Brennstoffzelle oder eine Batterie ist.
  13. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – einen Vor-Gleichrichter, der zwischen den Abwärtswandler (102) und die Spannungsquelle (110) geschaltet ist, um eine Wechselspannung, die von der Spannungsquelle (110) erzeugt worden ist, in die Eingangsspannung gleichzurichten.
  14. Schaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (110) eine Windenergieanlage mit einem Permanentmagneten(PM)-Generator, eine Verbrennungsmaschine mit einem PM-Generator oder ein Wasserkraftwerk mit einem PM-Generator ist.
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