DE102013005070B4 - High-buck converter - Google Patents
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Abstract
Hoch-Tiefsetzsteller, mit mehreren Eingängen (10a–10c), an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einem gemeinsamen Ausgang (24) zum Bereitstellen einer Gleichspannung, wobei der gemeinsame Ausgang (24) mit jedem der mehreren Eingänge (10a–10c) jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang eine Serienschaltung aus wenigstens einem Schaltelement (44a, 44b) und wenigstens einer Drossel (12a–12d) angeordnet ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement (16a–16d) angeordnet ist, und wobei wenigstens zwei der Eingänge (10a–10c) mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements (14, 14a, 14b) auf einer Ausgangsseite der Drosseln (12a–12d) in Serie schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Entkopplungselement (49, 49a, 49b) auf einer Eingangsseite der Drosseln (12a–12d) zwischen wenigstens zwei Eingänge (10a, 10b) geschaltet ist, welches wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann, und parallel zu wenigstens einem der mehreren Eingänge (10a–10c) auf einer Ausgangsseite der Drosseln (12a–12d) wenigstens ein Boost-Schaltelement (18a–18c) zum Kurzschließen dieses Eingangs (10a–10c) über die mit ihm verbundene Drossel (12a–12d) und das mit ihm verbundene Schaltelement (44a, 44b) geschaltet ist.A buck-boost converter having a plurality of inputs (10a-10c) to each of which at least one DC voltage source is connectable and a common output (24) for providing a DC voltage, the common output (24) being connected to each of the plurality of inputs (10a-10c ) is connected in each case via a positive supply line and a negative supply line, wherein in the positive supply line and / or the negative supply line of each input a series circuit of at least one switching element (44a, 44b) and at least one throttle (12a-12d) is arranged, wherein at least one rectifying element (16a-16d) is arranged in the positive supply line and / or the negative supply line of each input, and wherein at least two of the inputs (10a-10c) by means of at least one series switching element (14, 14a, 14b) an output side of the chokes (12a-12d) are switchable in series, characterized in that at least one decoupling element (49, 49a, 49b) on a Input side of the throttles (12a-12d) between at least two inputs (10a, 10b) is connected, which can be selectively opened or closed, and parallel to at least one of the plurality of inputs (10a-10c) on an output side of the throttles (12a-12d ) at least one boost switching element (18a-18c) for short-circuiting this input (10a-10c) via the throttle connected to it (12a-12d) and its associated switching element (44a, 44b) is connected.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hoch-Tiefsetzsteller mit mehreren Eingängen, eine Wechselrichterschaltung mit einem solchen Hoch-Tiefsetzsteller sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Hoch-Tiefsetzstellers.The present invention relates to a multi-input buck-boost converter, an inverter circuit comprising such a buck-boost converter, and a method of operating such a buck-boost converter.
Hochsetzsteller werden häufig in Stromversorgungen verschiedenster Art verwendet, um Gleichspannungen auf ein höheres Potenzial hochzusetzen, wobei das Übersetzungsverhältnis variiert werden kann.Step-up converters are often used in power supplies of various kinds to boost DC voltages to a higher potential, whereby the transmission ratio can be varied.
Solche Stromversorgungen können wenigstens einen Wechselrichter enthalten. Wechselrichter benötigen für einen guten Wirkungsgrad üblicherweise eine relativ konstante Zwischenkreisspannung. Zur Anpassung an stark variable Eingangsspannungen, wie sie zum Beispiel bei Solargeneratoren häufig auftreten, wird deshalb oft ein Hochsetzsteller eingesetzt.Such power supplies may include at least one inverter. Inverters usually require a relatively constant intermediate circuit voltage for good efficiency. To adapt to highly variable input voltages, as they often occur, for example, in solar generators, therefore, often a boost converter is used.
Zum Hochsetzen der Gleichspannung am Eingang
Der herkömmliche Hochsetzsteller nach
Die Betriebsweise dieses dualen Hochsetzstellers wird nachfolgend als ”Dual-Mode” bezeichnet.The operation of this dual boost converter is hereinafter referred to as "dual-mode".
Beträgt die Spannung an den Eingängen
Wenn die Eingangsspannung 100% der Ausgangsspannung beträgt, so ist das Serien-Schaltelement
Im Gegensatz zum Hochsetzsteller nach
Die in
Außerdem sind Strom- und/oder Spannungs-Unsymmetrien der speisenden Quellen bei diesen herkömmlichen Hochsetzstellern nur begrenzt ausgleichbar. Bei Solaranlagen besteht daher insbesondere bei ungünstiger Auslegung der Solargeneratoren die Gefahr, dass es ab einem bestimmten Grad von Unsymmetrie nicht mehr möglich ist, die an den Eingängen
Aus der
Die
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Hoch-Tiefsetzsteller zu schaffen, welcher eine Spannungshochsetzung um mehr als den Faktor zwei ermöglicht und/oder auch bei Unsymmetrie der Solargeneratoren mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann.It is the object of the invention to provide an improved buck-boost converter which allows a voltage boosting by more than a factor of two and / or can be operated with good efficiency even in the case of asymmetry of the solar generators.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the teaching of the independent claims. Particularly preferred embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Hoch-Tiefsetzsteller weist mehrere Eingänge, an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einen gemeinsamen Ausgang zum Bereitstellen einer Gleichspannung auf. Der gemeinsame Ausgang ist mit jedem der mehreren Eingänge jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang eine Serienschaltung aus wenigstens einem Schaltelement und wenigstens einer Drossel angeordnet ist und in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement angeordnet ist. Die mehreren Eingänge sind somit bezüglich des gemeinsamen Ausgangs parallel betreibbar. Zudem sind wenigstens zwei der mehreren Eingänge mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements auf einer Ausgangsseite der Drosseln in Serie schaltbar. Vorzugsweise sind alle Eingänge mittels jeweils wenigstens eines Serien-Schaltelements in Serie schaltbar.The high-buck converter according to the invention has a plurality of inputs, to each of which at least one DC voltage source can be connected, and a common output for providing a DC voltage. The common output is connected to each of the plurality of inputs via a positive lead and a negative lead, wherein in the positive lead and / or the negative lead from each input a series circuit of at least one switching element and at least one throttle is arranged and in the positive Supply line and / or the negative supply line of each input at least one rectifying element is arranged. The multiple inputs are thus operable in parallel with respect to the common output. In addition, at least two of the plurality of inputs can be connected in series by means of at least one series switching element on an output side of the throttles. Preferably, all inputs by means of at least one series switching element in series can be switched.
Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Entkopplungselement auf einer Eingangsseite der Drosseln zwischen wenigstens zwei Eingänge geschaltet, welches wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann, und ist parallel zu wenigstens einem der mehreren Eingänge auf einer Ausgangsseite der Drosseln wenigstens ein Boost-Schaltelement zum Kurzschließen dieses Eingangs über die mit ihm verbundene Drossel und das mit ihm verbundene Schaltelement geschaltet. Vorzugsweise ist parallel zu allen Eingänge jeweils wenigstens ein Boost-Schaltelement zum Kurzschließen des jeweiligen Eingangs über die mit ihm verbundene Drossel geschaltet.According to the invention, at least one decoupling element is connected on an input side of the throttles between at least two inputs, which can be selectively opened or closed, and is parallel to at least one of the plurality of inputs on an output side of the throttles at least one boost switching element to Short-circuiting this input via its associated throttle and its associated switching element switched. Preferably, at least one boost switching element is connected in parallel to all inputs for short-circuiting the respective input via the throttle connected to it.
Durch die zusätzlich geschaffene Möglichkeit, einen oder mehrere Eingänge mittels Boost-Schaltelementen über die mit dem jeweiligen Eingang verbundene Drossel kurzzuschließen, kann der Hoch-Tiefsetzsteller wahlweise – je nach den aktuellen Betriebsbedingungen – in einem von mehreren Betriebsmodi betrieben werden. Der erfindungsgemäße Hoch-Tiefsetzsteller kann deshalb auch als Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller bezeichnet werden.Due to the additionally created possibility of short-circuiting one or more inputs by means of boost switching elements via the throttle connected to the respective input, the boost / buck converter can optionally be operated in one of several operating modes, depending on the current operating conditions. The up-down converter according to the invention can therefore also be referred to as a hybrid up-down converter.
Diese mehreren Betriebsmodi, d. h. vorzugsweise ein Boost-Mode, ein Dual-Mode und ein kombinierter Boost-Dual-Mode, werden weiter unten näher erläutert. Auf diese Weise ist es je nach Bedarf möglich, eine Spannungshochsetzung um mehr als den Faktor zwei zu erzielen und/oder den Hoch-Tiefsetzsteller auch noch bei nennenswerten Unsymmetrien der an den Eingängen bereitgestellten Gleichspannungen mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben.These multiple operating modes, i. H. preferably a boost mode, a dual mode and a combined boost dual mode, are explained in more detail below. In this way it is possible, as needed, to achieve a voltage boost by more than a factor of two and / or to operate the boost / buck converter even with significant asymmetries of the DC voltages provided at the inputs with good efficiency.
Der Hoch-Tiefsetzsteller weist mehrere, d. h. zwei, drei, vier oder mehr Eingänge auf. An jeden dieser Eingänge kann wenigstens eine, d. h. ein, zwei, drei oder mehr, in Reihe oder parallel geschaltete Gleichspannungsquellen angeschlossen werden. Unter einer „Gleichspannungsquelle” soll in diesem Zusammenhang jede Art von Vorrichtung oder Schaltung verstanden werden, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Zu den Gleichspannungsquellen in diesem Sinne zählen insbesondere, aber nicht ausschließlich, Solargeneratoren, Brennstoffzellen, thermoelektrische Generatoren, Akkus, Batterien, Superkondensatoren, elektromagnetische Generatoren, AC/DC-Wandler, DC/DC-Wandler und dergleichen.The up-down converter has several, d. H. two, three, four or more inputs. At each of these inputs, at least one, i. H. one, two, three or more, connected in series or parallel DC voltage sources. In this context, a "DC voltage source" is to be understood as any type of device or circuit which provides a DC voltage. DC sources in this sense include, but are not limited to, solar generators, fuel cells, thermoelectric generators, batteries, supercapacitors, electromagnetic generators, AC / DC converters, DC / DC converters, and the like.
Unter einem Schaltelement soll in diesem Zusammenhang jede Art einer Vorrichtung bzw. eines elektronischen Bauteils verstanden werden, welche geeignet ist, eine elektrische Verbindung wahlweise zu schließen oder zu trennen. Die Schaltelemente sind vorzugsweise Halbleiterschaltelemente oder Leistungshalbleiterschalter, bevorzugt MOSFETs, IGBTs, JFETs, Kaskode-schaltungen und dergleichen. Die Bezeichnungen „Serien-Schaltelement” und „Boost-Schaltelement” dienen lediglich der Unterscheidung der Schaltelemente nach ihrer Positionierung und Aufgabenstellung in der Schaltungsanordnung, nicht aber notwendigerweise auch einer Unterscheidung hinsichtlich ihrer Art, ihres Aufbaus, etc. Die Serien-Schaltelemente und die Boost-Schaltelemente sind vorzugsweise Leistungsschalter, die mit fester oder variabler Frequenz getaktet werden können.In this context, a switching element is to be understood as any type of device or electronic component which is suitable for optionally closing or disconnecting an electrical connection. The switching elements are preferably semiconductor switching elements or power semiconductor switches, preferably MOSFETs, IGBTs, JFETs, cascode circuits and the like. The terms "series switching element" and "boost switching element" are used only to distinguish the switching elements according to their positioning and task in the circuit arrangement, but not necessarily a distinction in terms of their nature, their structure, etc. The series switching elements and the boost Switching elements are preferably circuit breakers that can be clocked at fixed or variable frequency.
Die Schaltelemente werden vorzugsweise von einer Steuerelektronik angesteuert. Die Steuerelektronik ist vorzugsweise analog, digital oder als gemischt digital-analoger Regler aufgebaut. Die Schaltelemente werden vorzugsweise periodisch angesteuert, wobei die Taktfrequenzen so gewählt werden, dass sich am Ausgang des Gleichspannungswandlers ein(e) gewünschte(r) Strom bzw. Spannung einstellt. Die Taktung der Schaltelemente erfolgt vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation mit fester oder variabler Frequenz. Der Strom in den Drosseln kann auf einen kontinuierlichen oder einen lückenden Verlauf geregelt werden.The switching elements are preferably controlled by control electronics. The control electronics are preferably constructed analog, digital or as a mixed digital-analog controller. The switching elements are preferably driven periodically, wherein the clock frequencies are selected so that adjusts a (e) desired (r) current or voltage at the output of the DC-DC converter. The timing of the switching elements is preferably carried out by means of pulse width modulation with a fixed or variable frequency. The current in the chokes can be regulated to a continuous or a lopsided course.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die mehreren Eingänge jeweils über ein einzelnes Serien-Schaltelement in Reihe schaltbar.In a preferred embodiment of the invention, the plurality of inputs are each switchable via a single series switching element in series.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt der Hoch-Tiefsetzsteller über wenigstens ein Hilfspotenzial. Außerdem sind wenigstens zwei in Reihe liegende Serien-Schaltelemente zur Serienschaltung von zwei Eingängen vorhanden, wobei deren Verbindung oder gemeinsamer Verbindungspunkt jeweils mit dem Hilfspotenzial verbunden ist.In another preferred embodiment of the invention, the buck-boost converter has at least one auxiliary potential. In addition, at least two series-connected series switching elements are provided for series connection of two inputs, wherein their connection or common connection point is in each case connected to the auxiliary potential.
Das Hilfspotenzial erlaubt einen asynchronen Betrieb zweier miteinander verbundener Serien-Schaltelemente. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Regelung, was bei unsymmetrischer Speisung der Eingänge genutzt werden kann. Wenn ein Hilfspotenzial mit einer nachfolgenden Baugruppe, z. B. einem Wechselrichter verbunden wird, können Unsymmetrien, die im Wechselrichter oder im Hoch-Tiefsetzsteller auftreten, durch die jeweils andere Baugruppe kompensiert werden.The auxiliary potential allows an asynchronous operation of two interconnected series switching elements. This results in an additional degree of freedom in the control, which can be used with asymmetrical supply of the inputs. If an auxiliary potential with a subsequent module, for. B. an inverter is connected, unbalances that occur in the inverter or in the buck-boost converter can be compensated by the other module.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können bei Serienschaltung der Eingänge jeweils wenigstens zwei der mit den jeweiligen Eingängen verbundenen Drosseln parallel geschaltet werden.In another preferred embodiment of the invention, when the inputs are connected in series, at least two of the chokes connected to the respective inputs can be connected in parallel.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in Serie zu einem Serien-Schaltelement ein weiteres Gleichrichtelement zur Entkopplung geschaltet (nachfolgend auch als Entkopplungselement bezeichnet), um das Serien-Schaltelement vor negativen Spannungen zu schützen. Alternativ können rückwärts sperrende Schaltelemente verwendet werden, in welchem Fall die Entkopplungselemente dann entfallen können.In a preferred embodiment of the invention, a further rectifying element for decoupling is connected in series with a series switching element (hereinafter also referred to as decoupling element) in order to protect the series switching element from negative voltages. Alternatively, reverse blocking switching elements can be used, in which case the decoupling elements can then be omitted.
Für die Gleichrichtelemente und/oder die Entkopplungselemente werden vorzugsweise Halbleiterdioden verwendet. Es können aber auch aktive Gleichrichtelemente verwendet werden, um geringere Flussverluste zu erzielen. Mit aktiven Gleichrichtelementen ist es außerdem möglich, den Energiefluss umzukehren, d. h. es ist ein bidirektionaler Betrieb möglich.Semiconductor diodes are preferably used for the rectifying elements and / or the decoupling elements. But they can also be active Rectifier elements are used to achieve lower flux losses. With active rectification elements, it is also possible to reverse the flow of energy, ie bidirectional operation is possible.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Minuspol eines Eingangs mit dem Minuspol des Ausgangs verbunden und ist der Pluspol eines anderen Eingangs mit dem Pluspol des Ausgangs verbunden. Mit dieser Konfiguration können Funkstörungen reduziert werden, da die Eingänge bezüglich des Ausgangs keine Potenzialsprünge aufweisen. Es sind aber auch andere Schaltungsanordnungen denkbar.In a preferred embodiment of the invention, the negative pole of an input is connected to the negative pole of the output and the positive pole of another input is connected to the positive pole of the output. With this configuration, radio interference can be reduced because the inputs have no potential jumps with respect to the output. But there are also other circuit arrangements conceivable.
Die Drosseln des Hoch-Tiefsetzstellers sind vorzugsweise als separate Drosseln ausgeführt, sodass ein asynchroner Betrieb der Serien-Schaltelemente und der Boost-Schaltelemente und somit ein Betrieb mit unsymmetrischer Speisung uneingeschränkt möglich ist. Wenn nur geringe Unsymmetrien erwartet werden, können die Drosseln auch gekoppelt sein. Die Serien-Schaltelemente werden dann vorzugsweise synchron getaktet. Das gilt auch für die Boost-Schaltelemente. Es ist auch denkbar, Drosseln mit Anzapfungen zu verwenden.The chokes of the Hoch-Tiefsetzstellers are preferably designed as separate reactors, so that an asynchronous operation of the series switching elements and the boost switching elements and thus an operation with unbalanced power supply is fully possible. If only small asymmetries are expected, the chokes can also be coupled. The series switching elements are then preferably clocked synchronously. This also applies to the boost switching elements. It is also conceivable to use throttles with taps.
Parallel zu den Eingängen und/oder dem gemeinsamen Ausgang ist vorzugsweise jeweils wenigstens ein Pufferkondensator geschaltet, um die Rippleströme zu Puffern.Parallel to the inputs and / or the common output, at least one buffer capacitor is preferably connected in each case in order to buffer the ripple currents.
Zudem sind vorzugsweise Maßnahmen bzw. Mittel zum stromlosen und/oder spannungslosen Schalten der Serien-Schaltelemente und/oder der Boost-Schaltelemente des Hoch-Tiefsetzstellers vorgesehen.In addition, measures or means for the currentless and / or de-energized switching of the series switching elements and / or the boost switching elements of the Hoch-Tiefsetzstellers are preferably provided.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zudem eine Einrichtung zum Durchführen eines Maximum-Power-Point(MPP)-Trackings der an den Eingängen des Hoch-Tiefsetzstellers angeschlossenen Gleichspannungsquellen vorgesehen. Die Steuerelektronik zum Ansteuern der Schaltelemente ist vorzugsweise Bestandteil dieser Einrichtung.In a preferred embodiment of the invention, a device for carrying out a maximum power point (MPP) tracking of the DC voltage sources connected to the inputs of the step-up converter is additionally provided. The control electronics for driving the switching elements is preferably part of this device.
Der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller der vorliegenden Erfindung kann als eine Kombination aus wenigstens einem herkömmlichen Hochsetzsteller nach
Die erfindungsgemäße Kombination der verschiedenen Teil-Hochsetzsteller in einem einzigen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller ermöglicht es zunächst, jede der für den betreffenden Teil-Hoch-Tiefsetzsteller typischen Betriebsarten auszuführen.The combination according to the invention of the various partial boost converters in a single hybrid boost converter makes it possible initially to carry out each of the operating modes typical of the particular sub-boost converter.
In einer ersten Betriebsart sind die Serien-Schaltelemente dauerhaft ausgeschaltet, während wenigstens eines der Boost-Schaltelemente getaktet wird. Der zum betreffenden Boost-Schaltelement gehörige Teil-Hochsetzsteller arbeitet dann im bekannten Boost-Mode. Der Wirkungsgrad ist im Boost-Mode jedoch relativ schlecht. Diese Betriebsweise kann aber bei extrem unsymmetrischer Speisung der Eingänge nötig bzw. von Vorteil sein, z. B. wenn nur ein Eingang versorgt wird.In a first mode, the series switching elements are permanently switched off while at least one of the boost switching elements is clocked. The relevant boost switching element part boost converter then works in the known boost mode. However, the efficiency is relatively poor in boost mode. This mode of operation may, however, be necessary or advantageous in the case of extremely asymmetrical feeding of the inputs, eg. B. if only one input is supplied.
In einer zweiten Betriebsart sind die Boost-Schaltelemente dauerhaft ausgeschaltet. Der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller arbeitet dann im Dual-Mode. Dieser zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus und ist daher grundsätzlich zu bevorzugen.In a second operating mode, the boost switching elements are permanently switched off. The hybrid up-down converter then works in dual-mode. This is characterized by a very high efficiency and is therefore to be preferred in principle.
Der Dual-Mode kann insbesondere angewendet werden bei Speisung aus überwiegend symmetrischen Quellen mit Spannungen im Bereich zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung. Er ist aber auch bei unsymmetrischem Betrieb möglich. So können zum Beispiel Quellen mit gleichem Strom und verschiedenen Eingangsspannungen in Serie geschaltet werden oder Quellen mit unterschiedlichen Spannungen unterhalb der Ausgangsspannung und/oder unterschiedlichen Strömen auf die Ausgangsspannung hochgesetzt werden.The dual-mode can be used in particular when supplied from predominantly symmetrical sources with voltages in the range between 50% and 100% of the output voltage. But it is also possible in asymmetrical operation. For example, sources with the same current and different input voltages can be connected in series or sources with different voltages below the output voltage and / or different currents can be boosted to the output voltage.
Im Dual-Mode kann die Ausgangsspannung jedoch nicht über die Summe der Eingangsspannungen hochgesetzt werden. Zudem können Unsymmetrien der die Eingänge speisenden Quellen nur begrenzt ausgeglichen werden.In dual mode, however, the output voltage can not be boosted by the sum of the input voltages. In addition, asymmetries in the sources supplying the inputs can only be compensated to a limited extent.
Bei dem erfindungsgemäßen Hoch-Tiefsetzsteller sind die Serien-Schaltelemente und die Boost-Schaltelemente aber auch in Kombination miteinander betreibbar, wodurch die für herkömmliche und duale Hoch-Tiefsetzsteller geltenden Einschränkungen überwunden werden können.In the case of the up-down converter according to the invention, however, the series switching elements and the boost switching elements can also be operated in combination with one another, whereby the restrictions applicable to conventional and dual up-down converters can be overcome.
Eine bevorzugte Taktungsart wird zunächst für den Betrieb mit symmetrischer Speisung und für einen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller mit zwei Eingängen beschrieben.A preferred type of clocking will first be described for balanced input operation and for a dual input hybrid up-down converter.
Beträgt die Eingangsspannung zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung, so arbeitet der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller im bekannten Dual-Mode. Das Tastverhältnis der Serien-Schaltelemente steigt dabei von 0% bei statischer Parallelschaltung der Eingänge auf bis zu 100% bei statischer Serienschaltung der Eingänge.If the input voltage is between 50% and 100% of the output voltage, the hybrid up-down converter operates in the well-known dual mode. The duty cycle of the series switching elements increases from 0% with static parallel connection of the inputs up to 100% with static series connection of the inputs.
Liegt die Eingangsspannung unterhalb 50% der Ausgangsspannung, so können erfindungsgemäß die Serien-Schaltelemente dauerhaft geschlossen bleiben, während zusätzlich die Boost-Schaltelemente getaktet werden. Das Tastverhältnis der Boost-Schaltelemente ist dabei umso höher, je niedriger die Eingangsspannung ist.If the input voltage is below 50% of the output voltage, according to the invention the series switching elements can remain permanently closed, while additionally the boost switching elements are clocked. The duty cycle of the boost switching elements is higher, the lower the input voltage.
Theoretisch ist eine beliebig starke Hochsetzung der Eingangsspannungen möglich. Im Gegensatz zum Boost-Mode eines herkömmlichen Hochsetzstellers nach
Ist die Unsymmetrie der speisenden Quellen zu groß, so kann an einem der Eingänge ein Leistungsüberschuss übrigbleiben.If the unbalance of the supplying sources is too large, a power surplus may remain at one of the inputs.
In diesem Fall können beide Betriebsarten, Boost-Mode und Dual-Mode, kombiniert ausgeführt werden. Dies kann innerhalb derselben Taktzyklen oder in schneller Folge abwechselnd in separaten Taktzyklen geschehen.In this case, both operating modes, boost mode and dual mode, can be combined. This can be done alternately in separate clock cycles within the same clock cycles or in rapid succession.
Wegen des besseren Wirkungsgrades wird vorzugsweise ein möglichst hoher Anteil der Leistung im Dual-Mode übersetzt. Dazu werden die Serien-Schaltelemente möglichst häufig und/oder möglichst lange eingeschaltet.Because of the better efficiency preferably the highest possible proportion of the power is translated in dual mode. For this purpose, the series switching elements are turned on as often and / or as long as possible.
Der verbleibende Leistungsüberschuss kann dann im Boost-Mode übersetzt werden.The remaining power surplus can then be translated in boost mode.
Das Boost-Schaltelement, das mit demjenigen Eingang verbunden ist, an dem ein Leistungsüberschuss besteht, wird nur so oft bzw. so lange eingeschaltet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss abzubauen bzw. um die an diesem Eingang angeschlossene Quelle in den MPP zu bringen. Das mit diesem Boost-Schaltelement verbundene Serien-Schaltelement wird nur so oft bzw. so lange geöffnet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss direkt in den Ausgang zu übertragen.The boost switching element, which is connected to the input at which there is a power surplus, is only switched on as long as necessary to reduce the power surplus or to the source connected to this input in the MPP bring. The series switching element connected to this boost switching element will only be opened as often as necessary to transfer the power surplus directly to the output.
Das Boost-Schaltelement, das mit demjenigen Eingang verbunden ist, an dem kein Leistungsüberschuss besteht, wird möglichst selten und/oder kurz eingeschaltet. Ist die Eingangsspannung hoch genug, so kann es ganz ausgeschaltet bleiben.The boost switching element, which is connected to the input at which there is no power surplus, is turned on as rarely and / or briefly. If the input voltage is high enough, it can be left completely off.
Bei dieser kombinierten Betriebsweise wird nur der infolge einer Unsymmetrie entstehende überschüssige Leistungsanteil im Boost-Mode, also mit schlechtem Wirkungsgrad übertragen. Da zwischen den Generatoren einer Solaranlage häufig eine relativ hohe Symmetrie vorliegt, ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Hybrid-Hoch-Tiefsetzstellers in den meisten Fällen höher als wenn ausschließlich ein oder mehrere herkömmliche Hochsetzsteller nach
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein Hoch-Tiefsetzsteller, der einen oben beschriebenen Hochsetzsteller in Kombination mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller enthält.The invention particularly relates to a step-up converter which includes a step-up converter as described above in combination with a dual step-up converter.
Diese Kombination ergibt einen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller mit extrem weitem Eingangsspannungsbereich. Als duale Hoch-Tiefsetzsteller eignen sich zum Beispiel die Schaltungstopologien, welche in der
Der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller der Erfindung bzw. die beschriebenen Schaltungsanordnungen mit einem solchen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller eignen sich in vorteilhafter Weise zur Speisung von Gleichstromverbrauchern oder Gleichstromnetzen sowie zum Einsatz in Wechselrichterschaltungen, insbesondere in Solarwechselrichterschaltungen.The hybrid buck-boost converter of the invention or the described circuit arrangements with such a hybrid buck-boost converter are advantageously suitable for feeding DC consumers or DC networks and for use in inverter circuits, in particular in solar inverter circuits.
Gegenstand der Erfindung ist mithin auch eine Wechselrichterschaltung mit wenigstens einem Hoch-Tiefsetzsteller der Erfindung sowie wenigstens einem Wechselrichter zum Umsetzen der am Ausgang des Hoch-Tiefsetzstellers bereitgestellten Gleichspannung in eine Wechselspannung.The invention therefore also provides an inverter circuit having at least one buck-boost converter of the invention and at least one inverter for converting the DC voltage provided at the output of the buck-boost converter into an AC voltage.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Zwischenkreis des Wechselrichters mit wenigstens einem Hilfspotenzial des Hoch-Tiefsetzstellers verbunden, sodass ein Ausgleich von Unsymmetrien durch den Hoch-Tiefsetzsteller und/oder den Wechselrichter möglich ist.In a preferred embodiment of the invention, a DC link of the inverter is connected to at least one auxiliary potential of the buck-boost converter, so that a compensation of imbalances by the buck-boost converter and / or the inverter is possible.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können auch zwei oder mehrere erfindungsgemäße Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller parallel, in Serie oder kaskadiert geschaltet werden.In a preferred embodiment of the invention, two or more hybrid up-down converters according to the invention can also be connected in parallel, in series or in cascade.
Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch ein Verfahren zum Betreiben eines Hoch-Tiefsetzstellers mit wenigstens zwei Eingängen, an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einem gemeinsamen Ausgang zum Bereitstellen einer Gleichspannung, insbesondere eines oben beschriebenen Hoch-Tiefsetzstellers der Erfindung, wobei der gemeinsame Ausgang mit jedem der mehreren Eingänge jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang eine Serienschaltung aus wenigstens einem Schaltelement und wenigstens einer Drossel angeordnet ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement angeordnet ist, und wobei die wenigstens zwei Eingänge mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements auf einer Ausgangsseite der Drosseln in Serie schaltbar sind. Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Entkopplungselement auf einer Eingangsseite der Drosseln zwischen wenigstens zwei Eingängen wahlweise geöffnet oder geschlossen und wird wenigstens ein Eingang mit Hilfe wenigstens eines Boost-Schaltelements auf einer Ausgangsseite der Drosseln über die mit diesem Eingang verbundene Drossel und das mit ihm verbundene Schaltelement getaktet kurzgeschlossen.Finally, the invention also relates to a method for operating a high-buck converter with at least two inputs, to each of which at least one DC voltage source can be connected, and a common output for providing a DC voltage, in particular a high-buck converter of the invention described above, wherein the common Output with each of the several inputs via a positive supply line and a negative supply line is connected, wherein in the positive supply line and / or the negative supply line of each input, a series circuit of at least one switching element and at least one choke is arranged, wherein in the positive supply line and / or the negative supply line of each input at least one rectifying element is arranged, and wherein the at least two inputs are switchable in series by means of at least one series switching element on an output side of the chokes. According to the invention, at least one decoupling element is optionally opened or closed on one input side of the throttles between at least two inputs, and at least one input is short-circuited by means of at least one boost switching element on an output side of the throttles via the inductor connected to this input and the switching element connected to it ,
Bezüglich der besonderen Merkmale, Vorteile, Begriffsdefinitionen und bevorzugten Ausgestaltungen dieses Verfahrens wird der Einfachheit halber auf die obigen Ausführungen in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hoch-Tiefsetzsteller verwiesen.With regard to the special features, advantages, definitions of terms and preferred embodiments of this method, reference is made to the above statements in connection with the inventive up-down converter for the sake of simplicity.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Serien-Schaltelemente dauerhaft geschlossen und die Boost-Schaltelemente synchron oder asynchron getaktet, falls die Eingangsspannungen an den Eingängen einen bestimmten Wert unterschreiten.In a preferred embodiment of the invention, the series switching elements are permanently closed and the boost switching elements clocked synchronously or asynchronously, if the input voltages at the inputs fall below a certain value.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Serien-Schaltelemente möglichst häufig und/oder möglichst lange eingeschaltet, um einen möglichst hohen Leistungsanteil mit hohem Wirkungsgrad zu übertragen.In a preferred embodiment of the invention, the series switching elements are turned on as often and / or as long as possible in order to transmit the highest possible power component with high efficiency.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das wenigstens eine Boost-Schaltelement, das mit einem Eingang verbunden ist, an dem ein Leistungsüberschuss besteht, nur so oft bzw. so lange eingeschaltet wird, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss abzubauen, und wird das mit diesem Boost-Schaltelement verbundene wenigstens eine Serien-Schaltelement nur so oft bzw. so lange geöffnet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss direkt in den Ausgang zu übertragen.In a preferred embodiment of the invention, the at least one boost switching element, which is connected to an input at which there is a power surplus, is turned on only as often as necessary to reduce the power surplus, and becomes connected to this boost switching element at least one series switching element only as often or as long as it is necessary to transfer the power surplus directly into the output.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Taktfrequenz der Serien-Schaltelemente und/oder der Boost-Schaltelemente abgesenkt, wenn die Eingangsspannungen im Bereich von etwa 50% oder von etwa 100% der Ausgangsspannung liegen.In a preferred embodiment of the invention, the clock frequency of the series switching elements and / or the boost switching elements is lowered when the input voltages are in the range of about 50% or about 100% of the output voltage.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener erfindungsgemäßer und nicht-erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:The above and other features and advantages of the invention will become more apparent from the following description of various inventive and non-inventive embodiments with reference to the accompanying drawings. Show:
Grundlegende Konfigurationen und Funktionsweisen des in dem erfindungsgemäßen Hoch-Tiefsetzsteller integrierten Hochsetzstellers werden nachfolgend anhand eines in
Der Hochsetzsteller hat zwei Eingänge
Die Eingänge
Sowohl die Gleichrichtelemente
Parallel zu den Eingängen
Weiterhin sind beide Eingänge
Das Serien-Schaltelement
Der Hybrid-Hochsetzsteller kann Energie von den Eingängen
Am Ausgang können Verbraucher angeschlossen werden. Als Verbraucher sind auch Baugruppen möglich, welche die Energie weiterreichen, z. B. Wechselrichter oder Batterieladegeräte.At the output consumers can be connected. As consumers and assemblies are possible, which pass the energy, z. As inverters or battery chargers.
Sind die Gleichrichtelemente
Weiterhin ist eine Steuereinheit bzw. Steuerelektronik (nicht dargestellt) vorhanden, welche den Strom und/oder die Spannung an den Eingängen
Steuereinheiten für getaktete Stromversorgungen können z. B. analog, digital oder als gemischt digital-analoge Hybridregler aufgebaut sein. Die Taktung der Leistungshalbleiter kann z. B. mittels Pulsweitenmodulation mit fester oder variabler Frequenz erfolgen. Der Strom in den Drosseln kann auf einen kontinuierlichen oder lückenden Verlauf geregelt werden. Derartige Steuereinheiten sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und werden deshalb nicht weiter beschrieben.Control units for switched-mode power supplies can, for. B. analog, digital or mixed digital-analog hybrid controller be constructed. The timing of the power semiconductors z. B. by means of pulse width modulation with fixed or variable frequency. The current in the chokes can be regulated to a continuous or discontinuous course. Such control units are well known to the skilled person and are therefore not described further.
Der Hybrid-Hochsetzsteller von
Die Kombination der drei verschiedenen Teil-Hochsetzsteller in einem einzigen Hybrid-Hochsetzsteller ermöglicht es zunächst, jede der für den betreffenden Hochsetzsteller typischen Betriebsarten auszuführen:
In einer ersten Betriebsart ist das Serien-Schaltelement
In a first mode, the
In einer zweiten Betriebsart sind die Boost-Schaltelemente
Der Dual-Mode kann insbesondere angewendet werden bei Speisung aus überwiegend symmetrischen Quellen mit Spannungen im Bereich zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung. Er ist aber auch bei unsymmetrischem Betrieb möglich.The dual-mode can be used in particular when supplied from predominantly symmetrical sources with voltages in the range between 50% and 100% of the output voltage. But it is also possible in asymmetrical operation.
Zum Beispiel können Quellen mit gleichem Strom und verschiedenen Eingangsspannungen statisch in Serie geschaltet werden. Trotz Unsymmetrie können beide Quellen in ihrem MPP betrieben werden, wenn die am Ausgang
Auch kann eine Quelle mit hoher Spannung den Ausgang direkt (d. h. ohne Hochsetzung) speisen, während die niedrigere Spannung einer zweiten Quelle auf die Ausgangsspannung hochgesetzt wird. Beide Quellen können in ihrem MPP betrieben werden, wenn die am Ausgang
Ferner können Quellen mit unterschiedlichen Spannungen unterhalb der Ausgangsspannung und/oder unterschiedlichen Strömen auf die Ausgangsspannung hochgesetzt werden. Da nur ein einziges Serien-Schaltelement
Die Ausgangsspannung kann in dieser Betriebsart jedoch nicht über die Summe der Eingangsspannungen hochgesetzt werden. Zudem können Unsymmetrien der die Eingänge
Das Serien-Schaltelement
Eine bevorzugte Taktungsart wird zunächst für den Betrieb mit symmetrischer Speisung
Beträgt die Eingangsspannung zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung, so arbeitet der Hybrid-Hochsetzsteller im bekannten Dual-Mode. Das Tastverhältnis des Serien-Schaltelements
Liegt die Eingangsspannung unterhalb 50% der Ausgangsspannung, so bleibt das Serien-Schaltelement
Theoretisch ist eine beliebig starke Hochsetzung der Eingangsspannungen möglich. Im Gegensatz zum Boost-Mode eines herkömmlichen Hochsetzstellers nach
Ist die Unsymmetrie der speisenden Quellen zu groß, so kann sich die an einem der Eingänge, beispielsweise am Eingang
In diesem Fall können beide Betriebsarten, Boost-Mode und Dual-Mode, kombiniert ausgeführt werden. Es wird also z. B. bei Leistungsüberschuss am Eingang
Boost-Mode und Dual-Mode können in schneller Folge abwechselnd in separaten Taktzyklen ausgeführt werden. Die eingangsseitigen Kondensatoren
Es ist auch möglich, Boost-Mode und Dual-Mode innerhalb derselben Taktzyklen auszuführen. Dazu wird z. B. bei Leistungsüberschuss am Eingang
Wegen des besseren Wirkungsgrades wird vorzugsweise ein möglichst hoher Anteil der Leistung im Dual-Mode übersetzt. Dazu wird das Serien-Schaltelement
Nur der verbleibende Leistungsüberschuss wird im Boost-Mode übersetzt: Besteht zum Beispiel am Eingang
Das Boost-Schaltelement
Bei eingeschaltetem Serien-Schaltelement
Bei dieser kombinierten Betriebsweise wird nur der infolge einer Unsymmetrie entstehende überschüssige Leistungsanteil im Boost-Mode, also mit schlechtem Wirkungsgrad übertragen. Da zwischen den Generatoren einer Solaranlage häufig eine relativ hohe Symmetrie vorliegt, ist der Wirkungsgrad des Hybrid-Hochsetzstellers in den meisten Fällen höher als wenn ausschließlich ein oder mehrere herkömmliche Hochsetzsteller nach
Wenn sich bei symmetrischer Speisung der Eingänge
Wird der Drosselstrom über einen Zweipunkt-Regler mit konstanter Hysterese, also mit konstantem Ripplestrom geregelt, so ergibt sich eine derartige Frequenzabsenkung automatisch. Durch geeignete Ausgestaltung des Reglers, z. B. durch eine Variation der Hysterese oder Limitierung der Schaltzeiten für die Taktung, kann ein zu starkes Absinken der Taktfrequenz, z. B. in den Hörbereich, vermieden werden.If the inductor current is regulated by means of a two-point regulator with constant hysteresis, that is to say with a constant ripple current, such a frequency reduction results automatically. By suitable design of the controller, z. B. by a variation of the hysteresis or limitation of the switching times for the clocking, too strong a decrease in the clock frequency, z. B. in the listening area, be avoided.
Auch bei unsymmetrischer Speisung der Eingänge
Da bei abnehmender Eingangsspannung und konstanter Leistung der Gleichanteil des Drosselstroms zunimmt, ist es vorteilhaft, wenn der Ripplestrom parallel dazu abnimmt. Die Drossel kann dann auf einen kleineren Maximalstrom ausgelegt werden. Daher kann es vorteilhaft sein, die Taktfrequenz bei kleinen Eingangsspannungen nur moderat abzusenken.Since the DC component of the inductor current increases with decreasing input voltage and constant power, it is advantageous if the ripple current decreases in parallel thereto. The throttle can then be designed for a smaller maximum current. Therefore, it may be advantageous to lower the clock frequency only moderately at low input voltages.
Beim Hochsetzsteller von
Zur Verringerung der Schaltverluste können zusätzlich Mittel vorgesehen sein, welche das Schalten des Serien-Schaltelements
Zusätzlich können Mittel, z. B. Relais, vorhanden sein, um in bestimmen Betriebszuständen Bauteile statisch zu überbrücken, um die Flussverluste in diesen Bauelementen zu verhindern. Zum Beispiel können bei einer Spannungsübersetzung von 100% die Gleichrichtelemente
Es können zudem Bypass-Elemente vorgesehen sein, welche den Pluspol des Eingangs
Die Drosseln
Es ist auch denkbar, Drosseln mit Anzapfung zu verwenden. So können zum Beispiel die Boost-Schaltelemente
Wenn eine Unsymmetrie der speisenden Quellen von vornherein feststeht, kann in einigen Fällen auf das Boost-Schaltelement
Bei hoher Quellenspannung kann es z. B. bei Defekt des Serien-Schaltelements
Zwei oder mehrere der Hybrid-Hochsetzsteller können parallel geschaltet werden. In diesem Fall können die einzelnen Hybrid-Hochsetzsteller phasenversetzt betrieben werden, um die Rippleströme zu verringern (Multiphase-Betrieb). Außerdem können bei Teillast einzelne Hybrid-Hochsetzsteller ganz abgeschaltet werden, um den Teillastwirkungsgrad zu erhöhen. Es ist auch möglich, zwei oder mehrere Hybrid-Hochsetzsteller in Serie zu schalten oder zu kaskadieren.Two or more of the hybrid boost converters can be connected in parallel. In this case, the individual hybrid boost converters can be operated out of phase to reduce the ripple currents (multiphase operation). In addition, at partial load individual hybrid boost converter can be completely switched off to increase the partial load efficiency. It is also possible to connect or cascade two or more hybrid boost converters in series.
Es werden nun verschiedene weitere Beispiele eines Hybrid-Hochsetzstellers Bezug nehmend auf
Im Unterschied zu
Bei symmetrischer Speisung entspricht die Spannung an diesem Hilfspotenzial MP vorzugsweise der halben Ausgangsspannung. Es ist aber auch eine unsymmetrische Spannungsaufteilung an den Kondensatoren
Durch die Klemmung auf das Hilfspotenzial MP sind der Spannungshub an den Drosseln
Das Hilfspotenzial MP entkoppelt die mit der Drossel
Falls zum Beispiel aufgrund von zu unsymmetrischer Speisung das Hilfspotenzial nicht mehr stabil gehalten werden kann, gibt es die Möglichkeit, das Hilfspotenzial MP mit einer nachfolgenden Baugruppe zu verbinden, beispielsweise mit dem Mittelpunkt des Zwischenkreises eines Neutral-Point-Clamped-Wechselrichters. Auf diese Weise können Unsymmetrien, die im Wechselrichter und/oder im Hybrid-Hochsetzsteller auftreten, durch die jeweils andere Baugruppe kompensiert werden.If, for example, the auxiliary potential can no longer be kept stable due to asymmetrical supply, there is the possibility of connecting the auxiliary potential MP to a subsequent module, for example to the center of the intermediate circuit of a neutral-point-clamped inverter. In this way, asymmetries that occur in the inverter and / or in the hybrid boost converter, can be compensated by the other module.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Leistungsüberschuss an einem der Eingänge
Im Unterschied zu
Auch hier können die Schaltelemente
Der Hybrid-Hochsetzsteller kann beliebig viele Eingänge aufweisen.
Die Blöcke
Der mittlere Eingang
Der Freilauf erfolgt über die Gleichrichtelemente
Da drei Eingänge
Im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsformen sind die Boost-Schaltelemente
Vorzugsweise wird ein möglichst großer Teil der Eingangsleistung mit Hilfe des effizienteren dualen Teil-Hochsetzstellers (Bauteile
Diese Ausführungsform des Hybrid-Hochsetzstellers hat den Nachteil, dass in der Regel ein hoher Bauteil-Aufwand nötig ist. Wenn jedoch eine relativ hohe Symmetrie der Eingänge gegeben ist und die Eingangsspannungen über 50% der Ausgangsspannung liegen, müssen die komplementären Teilhochsetzsteller (Bauteile
Der duale Teil-Hochsetzsteller
Bei vorgegebener Unsymmetrie kann in einigen Fällen auf einen der beiden Teil-Hochsetzsteller
Gemäß der Erfindung wird ein Hybrid-Hochsetzsteller mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller zu einem Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller mit extrem weitem Eingangsspannungsbereich kombiniert.According to the invention, a hybrid boost converter with a dual boost / buck converter is combined to form a hybrid boost / buck converter with an extremely wide input voltage range.
Als duale Hoch-Tiefsetzsteller eignen sich zum Beispiel die Schaltungstopologien, welche in der
Zwei Beispiele eines solchen herkömmlichen dualen Hoch-Tiefsetzstellers sind in
Durch Kombination solcher dualen Hoch-Tiefsetzsteller mit einem Hybrid-Hochsetzsteller wie zum Beispiel oben anhand
Die Kombination entsteht dadurch, dass an den ausgangsseitigen Polen der Drosseln
Darüber hinaus werden auf der Eingangsseite der Drosseln den Gleichrichtelementen
Die Funktion des so aufgebauten Hybrid-Hoch-Tiefsetzstellers ist bei symmetrischer Speisung wie folgt.The function of the thus constructed hybrid up-down converter is with symmetrical supply as follows.
Beträgt die Spannung an den Eingängen
Beträgt die Spannung an den Eingängen
Es können zusätzlich noch Gleichrichtelemente
Durch Hinzufügung dieser Gleichrichtelemente
Als Extremfall einer Unsymmetrie wird im Folgenden ein Fall beschrieben, wenn nur am Eingang
Beträgt die Spannung am Eingang
Beträgt die Spannung am Eingang
Somit arbeitet der erfindungsgemäße Hoch-Tiefsetzsteller nach Art eines klassischen Hoch-Tiefsetzstellers ohne Verwendung des Gleichrichtelements
Sobald jedoch zumindest eine teilweise Symmetrie an den Eingängen
Die insbesondere zur Verarbeitung von einseitigen Leistungsüberschüssen vorgesehenen Boost-Schaltelemente
Der Hybrid-Hochsetzsteller von
Wie für den Fachmann leicht ersichtlich, sind weitere Kombinationen für derartige Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller möglich, u. a. auch auf Basis der Schaltung von
Der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller der Erfindung kann beispielsweise zur direkten Speisung von Gleichstromverbrauchern oder Gleichstromnetzen oder zum Laden und Entladen von Energiespeichern genutzt werden. Da keine Umformung in Wechselstrom und zurück in Gleichstrom stattfindet, ist der Wirkungsgrad derartiger Systeme besonders hoch. Sie werden deshalb zunehmend eingesetzt, insbesondere im Zusammenhang mit regenerativen Energiequellen.The hybrid up-down converter of the invention can be used, for example, for direct supply of DC loads or DC networks or for charging and discharging energy storage. Since no conversion takes place in alternating current and back into direct current, the efficiency of such systems is particularly high. They are therefore increasingly used, especially in connection with renewable energy sources.
Der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller der Erfindung lässt sich aber auch nutzen zur Speisung von Gleichspannungs-Zwischenkreisen in anderen Geräten wie z. B. Wechselrichtern. Ein Wechselrichter braucht zur Erzeugung einer Wechselspannung in der Regel eine Zwischenkreisspannung bestimmter Höhe. Ein optimaler Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Zwischenkreisspannung genau auf die zu erzeugende Wechselspannung angepasst ist.The hybrid up-down converter of the invention can also be used to power DC-DC circuits in other devices such. B. inverters. An inverter usually needs an intermediate circuit voltage of a certain height to generate an alternating voltage. Optimum efficiency is achieved when the intermediate circuit voltage is precisely matched to the alternating voltage to be generated.
Wechselrichter werden häufig zur solaren Stromversorgung eingesetzt. Solargeneratoren liefern allerdings abhängig von Lichteinfall, Temperatur und Anzahl der verschalteten Module eine stark schwankende Gleichspannung. Je breiter der Bereich der Eingangs-Gleichspannung ist, die ein Wechselrichter verarbeiten kann, desto mehr Möglichkeiten hat der Installateur, passende Solarmodulkombinationen zu finden.Inverters are often used for solar power. However, depending on the amount of light, temperature and number of modules connected, solar generators deliver a strongly fluctuating DC voltage. The wider the range of DC input voltage that an inverter can handle, the more options the installer will have to find matching solar panel combinations.
Der erfindungsgemäße Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller kann die variierende Gleichspannung von Solargeneratoren auf eine näherungsweise konstante Zwischenkreisspannung umsetzen. Es ist auch möglich, die Zwischenkreisspannung mit einem überlagerten Wechselanteil zu modulieren, was für die optimale Anpassung des Wechselrichters von Vorteil sein kann.The hybrid up-down converter according to the invention can convert the varying DC voltage of solar generators to an approximately constant DC link voltage. It is also possible to modulate the intermediate circuit voltage with a superimposed alternating component, which can be advantageous for the optimum adaptation of the inverter.
Gegenüber dem Stand der Technik nach
In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller können verschiedene Wechselrichter-Topologien eingesetzt werden. Es können sowohl einphasige als auch mehrphasige Wechselrichter verwendet werden. Es können Wechselrichter zur Speisung von Inselnetzen oder zur Einspeisung in ein Stromnetz verwendet werden. Der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller kann ein MPP-Tracking der speisenden Solargeneratoren ausführen.Various inverter topologies can be used in conjunction with the hybrid up-down converter according to the invention. Both single-phase and multi-phase inverters can be used. Inverters can be used to feed isolated networks or to feed into a power grid. The hybrid buck-boost converter can perform MPP tracking of the feeding solar generators.
Mit den Eingängen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 10a, 10b, 10c10, 10a, 10b, 10c
- Eingängeinputs
- 12, 12a–12f12, 12a-12f
- Drosselnthrottle
- 14, 14a, 14b14, 14a, 14b
- Serien-SchaltelementeSerial switching elements
- 15, 15a, 15b15, 15a, 15b
- Schaltungsblöckecircuit blocks
- 16, 16a–16f16, 16a-16f
- GleichrichtelementeRectifying members
- 18, 18a–18c18, 18a-18c
- Boost-SchaltelementeBoost switching elements
- 19, 19a, 19b19, 19a, 19b
- Entkopplungselementedecoupling elements
- 20, 20a–20c20, 20a-20c
- Puffer-Kondensatoren am EingangBuffer capacitors at the input
- 22, 22a, 22b22, 22a, 22b
- Puffer-Kondensatoren am AusgangBuffer capacitors at the output
- 2424
- Ausgangoutput
- 30a, 30b30a, 30b
- Solargeneratorensolar generators
- 3232
- Wechselrichterinverter
- 44a, 44b44a, 44b
- Schaltelementeswitching elements
- 46, 46a, 46b46, 46a, 46b
- GleichrichtelementeRectifying members
- 48a, 48b48a, 48b
- GleichrichtelementeRectifying members
- 49, 49a, 49b49, 49a, 49b
- Entkopplungselementedecoupling elements
- MPMP
- MittelpunktFocus
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R082 | Change of representative |