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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller (HSS) mit mindestens einem, in einem Querzweig angeordneten HSS-Schalter.
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Ein solcher Hochsetzsteller kann beispielsweise zur Anpassung zwischen einer von einem Photovoltaikgenerator bereitgestellten Spannung und einer höheren Spannung eines Eingangszwischenkreises eines Wechselrichters verwendet werden, mit dem elektrische Energie von dem Photovoltaikgenerator in ein Wechselstromnetz eingespeist wird. Dabei kann der Hochsetzsteller dazu vorgesehen sein, den Betriebspunkt des Photovoltaikgenerators bei konstanter Zwischenkreisspannung so zu einzustellen, dass der Photovoltaikgenerator eine unter den aktuellen Betriebsbedingungen maximale elektrische Leistung bereitstellt.
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STAND DER TECHNIK
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Bei einem üblichen Hochsetzsteller ist in einer von zwei an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Leitungen eine Hochsetzstellerdrossel mit einer Hochsetzstellerdiode in Reihe geschaltet. Hinter der Hochsetzstellerdiode ist zwischen diese eine und die andere Leitung, in der kein elektrisches Bauteil vorgesehen ist, ein Zwischenkreiskondensator geschaltet, an dem eine von dem Hochsetzsteller gegenüber seiner Eingangsspannung hochgesetzte Ausgangsspannung anliegt. Zwischen der Hochsetzstellerdrossel und der Hochsetzstellerdiode führt von der einen Leitung ein Querzweig zu der anderen Leitung, in dem der Hochsetzstellerschalter angeordnet ist. Durch Schließen des Hochsetzstellerschalters wird die Hochsetzstellerdrossel mit einem durch den Hochsetzstellerschalter fließenden Strom energetisiert. Durch Öffnen des Hochsetzstellerschalters wird diese Energie durch die Hochsetzstellerdiode an den Zwischenkreiskondensator abgegeben.
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Bei einem aus der
DE 101 03 633 A1 bekannten Hochsetzsteller sind mehrere parallele Teilhochsetzsteller vorgesehen. Die Teilhochsetzsteller weisen jeweils eine Reihenschaltung aus einer Hochsetzstellerdrossel und einer Hochsetzstellerdiode und einen dazwischen abzweigenden Querzweig mit einem Hochsetzstellerschalter auf und laden einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator auf. Dabei werden die einzelnen Hochsetzstellerschalter jeweils zu einem lückenden Betrieb, der auch kurz als Lückbetrieb bezeichnet wird, des durch die zugehörigen Hochsetzstellerdrosseln fließenden Stroms angesteuert. Dies bedeutet, dass der Strom durch die jeweilige Hochsetzstellerdrossel zum Zeitpunkt des Schließens des zugehörigen Hochsetzstellerschalters null ist und nach dem erneuten Öffnen des zugehörigen Hochsetzstellerschalters, bevor dieser erneut geschlossen wird, wieder auf null zurückgeht. Bei diesem lückenden Betrieb sind in vorteilhafter Weise Einschaltverluste von als IGBT-Halbleiterschalter ausgebildeten Hochsetzstellerschaltern und auch Ausschaltverluste der Hochsetzstellerdioden minimiert. Allerdings treten durch das Abschalten hoher Ströme mit den Hochsetzstellerschaltern im Lückbetrieb relativ hohe Ausschaltverluste in den Hochsetzstellerschaltern auf, auch wenn diese die genannten Minimierungen der anderen Schaltverluste nicht aufzehren. Ein Stromrippel wird bei dem bekannten Hochsetzsteller durch versetztes Ansteuern der Hochsetzstellerschalter der parallel geschalteten Teilhochsetzsteller reduziert. Das heißt, der Ladestrom in den Zwischenkreiskondensator geht trotz des lückenden Betriebs der einzelnen Teilhochsetzsteller nicht auf null zurück.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochsetzsteller mit mindestens einem in einem Querzweig angeordneten HSS-Schalter aufzuzeigen, dessen Wirkungsgrad weiter optimiert ist, d. h. auch bezüglich der Ausschaltverluste in dem HSS-Schalter im lückenden Betrieb.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Hochsetzsteller mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 20 definiert. Die abhängigen Patentansprüche 21 bis 25 definieren bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erfindungsgemäßer Hochsetzsteller weist für seinen mindestens einen, in einem Querzweig angeordneten HSS-Schalter einen Entlastungskondensator auf, der in einem parallel zu dem Querzweig verlaufenden Entlastungspfad mit einer Diode in Reihe geschaltet ist und für den eine ansteuerbare Entladungsschaltung vorgesehen ist.
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Hier und im Folgenden wird das volle Wort "Hochsetzsteller" synonym mit seiner Abkürzung "HSS" verwendet. Dies gilt auch als Wortbestandteil zusammengesetzter Wörter, wie beispielsweise in "Hochsetzstellerschalter" bzw. "HSS-Schalter".
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Soweit im unabhängigen Patentanspruch 1 von den Bestandteilen des Hochsetzstellers nur der in dem Querzweig angeordnete Hochsetzstellerschalter angesprochen ist, so bedeutet dies nicht, dass ein erfindungsgemäßer Hochsetzsteller beispielsweise keine Hochsetzstellerdrossel oder keine Hochsetzstellerdiode aufweist. Diese Bestandteile sind aber bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller in einer üblichen Anordnung vorgesehen und es erscheint daher nicht notwendig, sie im Patentanspruch 1 außer durch die Erwähnung des Hochsetzstellers näher zu definieren.
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Der Entlastungskondensator des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers begrenzt den Spannungsanstieg über dem Hochsetzstellerschalter, wenn dieser geöffnet wird, während ein großer Strom durch die zugehörige Hochsetzstellerdrossel fließt. Dieser große Strom kann vielmehr für gewisse Zeit über die Diode in dem Entlastungszweig auf den Entlastungskondensator fließen, bis der Entlastungskondensator auf dieselbe Spannung wie ein ausgangsseitiger Zwischenkreiskondensator des Hochsetzstellers aufgeladen ist. Diese Zeit ist ausreichend, um die Ausschaltverluste in dem Hochsetzstellerschalter erheblich zu reduzieren. Sie steht jedoch nur zur Verfügung, wenn der Entlastungskondensator zuvor entladen wurde. Zum Entladen des Entlastungskondensators ist die Entladungsschaltung vorgesehen. Diese ist ansteuerbar, um das Entladen des Entlastungskondensators dann vorzunehmen, wenn es effizient möglich ist. Dies ist der Zeitraum, in dem der Hochsetzstellerschalter vor dem Abschalten des Stroms geschlossen ist, weil er dann den Entlastungspfad kurzschließt, so dass keine Spannung über ihm abfällt. Hingegen fällt über dem Entlastungspfad auch dann, wenn der Strom durch die jeweilige Hochsetzstellerdrossel wieder zu null geworden ist und solange der Hochsetzstellerschalter offen ist, zumindest die Eingangsspannung des Hochsetzstellers ab.
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Die Durchlassrichtung der mit dem Entlastungskondensator in Reihe geschalteten Diode ist gleich der regulären Flussrichtung des Stroms durch den mindestens einen HSS-Schalter. So kann der Strom, der beim Öffnen des HSS-Schalters nicht mehr durch diesen fließen kann, durch die Diode auf den Entlastungskondensator fließen. Vorzugsweise ist die Diode von der Hochsetzstellerdiode aus betrachtet vor dem Entlastungskondensator angeordnet.
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Die reguläre Flussrichtung des Stroms durch den mindestens einen HSS-Schalter ist die Flussrichtung, in der der Strom fließt, welcher im regulären Betrieb des Hochsetzstellers durch Öffnen des HSS-Schalters abgeschaltet wird.
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Der Hochsetzstellerschalter kann bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller insbesondere ein IGBT-Halbleiterschalter mit zur regulären Flussrichtung des Stroms antiparallel ausgerichteter Freilaufdiode sein. Bei IGBT-Halbleiterschaltern zum Schalten von Leistungsströmen ist eine derartige Freilaufdiode regelmäßig vorgesehen.
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Wie der Querzweig zweigt auch der Entlastungspfad des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers zwischen der Hochsetzstellerdrossel und der mit der Hochsetzstellerdrossel in Reihe geschalteten Hochsetzstellerdiode ab. Eben dadurch wird die über dem Entlastungspfad abfallende Spannung durch den geschlossenen Hochsetzstellerschalter kurzgeschlossen, so dass ein Entladen des Entlastungskondensators mit der Entladungsschaltung möglich ist.
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Zum Entladen des Entlastungskondensators weist die Entladungsschaltung typischerweise einen Hilfsschalter auf, mit dem der Entlastungskondensator über eine zwischengeschaltete Hilfsdrossel kurzgeschlossen werden kann. Dieser Hilfsschalter kann dasselbe Bezugspotential aufweisen wie der Hochsetzstellerschalter. Zudem kann es sich bei dem Hilfsschalter ebenfalls um einen IGBT-Halbleiterschalter mit zur regulären Flussrichtung des Stroms antiparallel ausgerichteter Freilaufdiode handeln. Beides vereinfacht das zeitlich aufeinander abgestimmte Ansteuern des Hochsetzstellerschalters und des Hilfsschalters.
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Zur Begrenzung des Stroms durch den Hilfsschalter beim Entladen des Entlastungskondensators ist vorzugsweise eine Hilfsdrossel vorgesehen. Der durch diese Hilfsdrossel fließende Strom kann beim Öffnen des Hilfsschalters über eine mit dem Hilfsschalter in einem Entladungspfad in Reihe geschaltete Hilfsdiode abgeleitet werden, um auch die Spannung über dem Hilfsschalter beim Abschalten des Stroms zu begrenzen. Konkret kann die Entladungsschaltung dazu die Hilfsdiode in Reihe mit dem Hilfsschalter in einem Entladungspfad aufweisen, der parallel zu dem Entlastungspfad verläuft, wobei die Sperrrichtung der Diode und der Hilfsdiode antiparallel ausgerichtet sind und wobei ein Punkt des Entlastungspfads zwischen der Diode und dem Entlastungskondensator und ein Punkt des Entladungspfads zwischen der Hilfsdiode und dem Hilfsschalter über die Hilfsdrossel miteinander verbunden sind.
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In dieser Entladungsschaltung bildet der Hilfsschalter zusammen mit der Hilfsdrossel und der Hilfsdiode einen Hilfshochsetzsteller aus, mit dem der Entlastungskondensator auch gegen eine über dem Entladungspfad anliegende Spannung entladen werden kann. So kann der Entladungspfad auf der dem Entlastungspfad gegenüberliegenden Seite der Hochsetzstellerdiode abzweigen, wo die ausgangsseitige Zwischenkreisspannung des Hochsetzstellers über ihm abfällt.
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Der Entlastungskondensator ist bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller deutlich kleiner dimensioniert als ein Zwischenkreiskondensator eines Ausgangszwischenkreises. Die Bestandteile der Entladungsschaltung sind ebenfalls von nur kleiner Dimension verglichen mit den primären Bestandteilen des Hochsetzstellers.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller können mehrere Teilhochsetzsteller mit jeweils eigenem Hochsetzstellerschalter, eigener Hochsetzstellerdrossel und eigener Hochsetzstellerdiode sowie eigenem Entlastungskondensator für den Hochsetzstellerschalter und eigener Entladungsschaltung zwischen einem gemeinsamen Eingang und dem gemeinsamen Ausgangszwischenkreis parallel geschaltet sein. Dann weist im lückenden Betrieb der einzelnen Hochsetzstellerschalter bei versetztem Ansteuern der Hochsetzstellerschalter der insgesamt in den Ausgangszwischenkreis fließende Strom einen deutlich reduzierten Rippel auf.
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Jede Hochsetzstellerdrossel kann bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller als Luftdrossel ausgebildet sein. Hierdurch werden gegenüber einer Hochsetzstellerdrossel mit Kern eine reduzierte Geräuschentwicklung bei Schaltfrequenzen im hörbaren Bereich, ein reduzierter Ummagnetisierungsverlust bei allen Schaltfrequenzen und in jedem Fall ein Massevorteil erreicht. Allerdings vermögen Luftdrosseln verglichen mit Drosseln mit Kern nur kleinere Energien magnetisch zu speichern, was bei der Auslegung des Hochsetzstellers zu berücksichtigen ist.
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Die Schaltfrequenzen der Hochsetzstellerschalter liegen im normalen Betrieb eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers typischerweise oberhalb des hörbaren Bereichs. Dennoch können Schaltfrequenzen im hörbaren Bereich beispielsweise dann auftreten, wenn ein eingangsseitig angeschlossener Photovoltaikgenerator in einem Betriebspunkt nahe des Kurzschlusses gehalten werden soll. Denn dabei muss die Schaltfrequenz weit heruntergefahren werden, damit trotz der kleinen Spannungszeitfläche, die in diesem Betriebspunkt an der Hochsetzstellerdrossel auftritt, der jeweilige Teilhochsetzsteller im Lückbetrieb verbleibt.
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Jede Luftdrossel kann eine einfache zylindrische Luftdrossel sein. Grundsätzlich können die Luftdrosseln auch Toroid-förmig gewickelt sein. Hiermit sind aber höhere Kosten verbunden als mit einfachen zylindrischen Luftdrosseln.
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Zur Vermeidung der Abstrahlung elektromagnetischer Felder von den Luftdrosseln können diese einzeln oder gemeinsam in einem geschlitzten Abschirmgehäuse aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet sein. Ein solches Abschirmgehäuse hält das Magnetfeld, das von den Luftdrosseln ausgeht, zurück, wobei die Schlitze eine Luftkühlung der Luftdrosseln erlauben.
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Eine Steuerung des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers steuert vorzugsweise jeden seiner Hochsetzstellerschalter zu einem lückenden Betrieb des jeweiligen Teilhochsetzstellers an. Dabei werden die bereits aus dem Stand der Technik bekannten Vorteile der minimierten Einschaltverluste an den Hochsetzstellerschaltern und der insgesamt minimierten Schaltverluste an den Hochsetzstellerdioden realisiert. Bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller wird durch den Entlastungskondensator zudem eine Reduktion der Abschaltverluste an dem Hochsetzstellerschalter erreicht.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerung die Hochsetzstellerschalter mehrerer Teilhochsetzsteller versetzt ansteuert, um den Rippel des insgesamt in den Ausgangszwischenkreis fließenden Strom zu minimieren.
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Die Steuerung ist sinnvollerweise so auszulegen, dass sie den jeweiligen Entlastungskondensator nur bei geschlossenem zugehörigen Hochsetzstellerschalter durch Ansteuern des Hilfsschalters entlädt, insbesondere durch vorübergehendes Schließen des oben angesprochenen Hilfsschalters. Dabei ist es besonders bevorzugt, den Entlastungskondensator nur auf eine vordefinierte Restspannung zu entladen, d. h. nicht bis herab auf null. Hierdurch kann eine Raumladung in IGBT-Halbleiterschaltern als Hochsetzstellerschalter beim Abschalten des Stroms gezielt ausgeräumt werden, um das Schaltverhalten der Hochsetzstellerschalter zu optimieren. Die vordefinierte Restspannung kann in einem typischen Bereich von 5 % bis 25 % oder insbesondere von 10 % bis 20 % einer Zwischenkreisspannung des gemeinsamen Ausgangszwischenkreises liegen.
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Die hier skizzierte Steuerung des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers setzt dessen erfindungsgemäße Verwendung um.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers mit einem Hochsetzstellerschalter.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers mit drei Teilhochsetzstellern mit jeweils einem Hochsetzstellerschalter, eingangsseitig angeschlossen an einen Photovoltaikgenerator und ausgangsseitig angeschlossen an einen Wechselrichter.
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3 zeigt den Strom durch einzelne Hochsetzstellerdrosseln des Hochsetzstellers gemäß 2 und den daraus resultierenden Gesamtstrom in einen Ausgangszwischenkreis des Hochsetzstellers.
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4 zeigt die Spannung über einem Entlastungskondensator und den Strom durch eine Hilfsdrossel beim vollständigen Entladen des Entlastungskondensators bei dem Hochsetzsteller gemäß 1 oder 2.
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5 zeigt die Spannung über dem Entlastungskondensator und den Strom durch die Hilfsdrossel beim nur teilweisen Entladen des Entlastungskondensators.
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6 ist eine Seitenansicht von drei in einem leitfähigen Abschirmgehäuse angeordneten zylindrischen Luftdrosseln als Hochsetzstellerdrosseln des Hochsetzstellers gemäß 2; und
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7 ist eine Ansicht von oben auf das Abschirmgehäuse mit den zylinderförmigen Luftdrosseln gemäß 6.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 gezeigte Hochsetzsteller 1 umfasst eine für einen Hochsetzsteller typische Verschaltung einer Hochsetzstellerdrossel L1, einer Hochsetzstellerdiode D5 und eines Hochsetzstellerschalters IGBT1. Die Hochsetzstellerdrossel und die Hochsetzstellerdiode sind in einer Leitung 2 zwischen dem Eingang 3 und dem Ausgang 5 des Hochsetzstellers 1 in Reihe geschaltet. Der Hochsetzstellerschalter IGBT1 ist in einem Querzweig 6 angeordnet, der von der Leitung 2 zu einer anderen Leitung 7 führt, die den Eingang 3 direkt mit dem Ausgang 5 verbindet. Am Ausgang 5 ist ein Zwischenkreiskondensator C2 zwischen die Leitungen 2 und 3 geschaltet, der einen Ausgangszwischenkreis 8 bildet.
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Zusätzlich zweigt von der Leitung 2 zu der Leitung 7 zwischen der HSS-Drossel L1 und der HSS-Diode D5 ein Entlastungszweig 9 ab, in dem ein Entlastungskondensator C1 für den HSS-Schalter IGBT1 mit einer Diode D7 in Reihe geschaltet ist. Dabei ist die Durchlassrichtung der Diode D7 gleich der regulären Flussrichtung des Stroms durch den HSS-Schalter IGBT1 und damit der Durchlassrichtung seiner Freilaufdiode D1 entgegengesetzt. Ein Strom, den der HSS-Schalter IGBT1 abschaltet, kann so für begrenzte Zeit über die Diode D7 auf den Kondensator C1 fließen, bis dieser auf die gleiche Spannung wie C2 aufgeladen ist. Hierdurch wird ein Abschaltverlust in dem HSS-Schalter IGBT1 reduziert. Voraussetzung ist jedoch, dass der Entlastungskondensator C1 nach jedem Aufladen wieder entladen wird. Dies geschieht dann, wenn der HSS-Schalter IGBT1 geschlossen ist, und damit den Entlastungspfad 9 kurzschließt, so dass keine Spannung über dem Entlastungspfad 9 anliegt. Zum Entladen des Entlastungskondensators C1 ist eine Entladungsschaltung 10 vorgesehen. Diese umfasst einen Hilfsschalter IGBT4 mit Freilaufdiode D9, der in einem Entladungspfad 11 mit einer Diode D8 in Reihe geschaltet ist. Der Entladungspfad 11 verläuft parallel zu dem Querzweig 6 und dem Entlastungspfad 9 von der Leitung 2 zu der Leitung 7, aber auf der gegenüberliegenden Seite der Hochsetzstellerdiode D5. Die Hilfsdiode D8 ist dabei entgegengesetzt zu der Diode D7 ausgerichtet. Eine zwischen einen Punkt 12 des Entlastungspfads und einen Punkt 13 des Entladungspfads geschaltete Hilfsdrossel L4 begrenzt den Strom beim Entladen des Entlastungskondensators C1 durch Schließen des Hilfsschalters IGBT4. Beim erneuten Öffnen des Hilfsschalters IGBT4 fließt zudem der Strom aus der Hilfsdrossel L4 durch die Hilfsdiode D8 in den Ausgangszwischenkreis 8, wobei die Entladungsschaltung 10 als Hochsetzsteller für die über dem Entlastungskondensator C1 anliegende Spannung wirkt. So kann der Entlastungskondensator C1 – auch gegen die Zwischenkreisspannung des Ausgangszwischenkreises 8 – in kurzer Zeit entladen werden.
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Der Entlastungskondensator C1 hat seine besondere Bedeutung beim Ansteuern des HSS-Schalters IGBT1 zum Lückbetrieb des Hochsetzstellers, in dem ein großer Strom durch die Hochsetzstellerdrossel L1 beim Öffnen des Hochsetzstellerschalters IGBT1 abgeschaltet wird. Er sorgt in diesem Fall dafür, dass die Abschaltverluste, die in dem Hochsetzstellerschalter IGBT1 anfallen, reduziert werden. Im Lückbetrieb des Hochsetzstellers sind zudem die Einschaltverluste des Hochsetzstellerschalters IGBT1 ebenso minimiert wie die Ausschaltverluste in der Hochsetzstellerdiode D5.
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Der im Lückbetrieb auftretende Rippel des Stroms von dem Hochsetzsteller 1 in den Ausgangszwischenkreis 8 kann bei der Ausführungsform des Hochsetzstellers 1 gemäß 2 reduziert werden. Hier sind drei Teilhochsetzsteller 14, 15 und 16 vorgesehen, die jeweils eine Hochsetzstellerdrossel L1, L2 bzw. L3, eine Hochsetzstellerdiode D5, D3 bzw. D6 und einen Hochsetzstellerschalter IGBT1, IGBT2 bzw. IGBT3 in einem Querpfad 6 aufweisen. Dabei ist für jeden der Hochsetzstellerschalter IGBT1, IGBT2 bzw. IGBT3 ein Entlastungspfad 9 mit einer Diode D7, D10 bzw. D13 und einem Entlastungskondensator C1, C3 bzw. C4 vorgesehen. Weiterhin ist jedem Entlastungskondensator C1, C3, bzw. C4 eine Entladungsschaltung 10 mit einem Hilfsschalter IGBT4, IGBT5 bzw. IGBT6, einer Hilfsdrossel L4, L5 bzw. L6 und einer Hilfsdiode D8, D11 bzw. D14 zugeordnet. Die einzelnen Teilhochsetzsteller 14 bis 16 entsprechen dabei jeweils dem Aufbau gemäß 1 und sind zwischen dem Eingang 3 und dem Ausgang 5 mit dem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator C2 in dem Ausgangszwischenkreis 8 parallel geschaltet. Zusätzlich zeigt 2, dass die Eingangsspannung an dem Eingang 3 z. B. durch einen Photovoltaikgenerator 17 bereitgestellt werden kann, während der Ausgangszwischenkreis 8 zugleich der Eingangszwischenkreis eines Wechselrichters 18 sein kann, der elektrische Energie von dem Photovoltaikgenerator 17 in ein Wechselstromnetz 19 einspeist.
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3 zeigt neben dem Verlauf des Gesamtstroms 20 in den Ausgangszwischenkreis 8 gemäß 2 die Teilströme 21, 22 und 23, die durch die Hochsetzstellerdrosseln L1, L2 und L3 fließen. Während der Strom durch die einzelnen Drosseln dabei jeweils für Zeiten Δt auf null zurückgeht, weist der Gesamtstrom 20 einen Rippel auf, der nur bei etwa einem Drittel der Amplitude der einzelnen Ströme 21 bis 23 liegt.
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4 illustriert den Verlauf der Spannung 24 über dem Entlastungskondensator C1 beim vollständigen Entladen des Entlastungskondensators C1 und den dabei durch die Hilfsdrossel L4 fließenden Strom 25. Dieser Strom 25 steigt zunächst über eine Zeit t1 an, solange der Hilfsschalter IGBT4 geschlossen ist. Nach t1 ist der Hilfsschalter IGBT4 wieder offen. Dadurch fällt der Strom durch die Hilfsdrossel L4 ab. Aufgrund der in der Hilfsdrossel L4 der Entladungsschaltung 10 gespeicherten Energie geht die Entladung des Entlastungskondensators C1 jedoch weiter, bis dieser im Wesentlichen vollständig entladen ist.
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5 skizziert demgegenüber einen Fall, bei dem durch eine kürzere Wahl der Zeit t2 eine Restspannung URest auf dem Entlastungskondensator C1 verbleibt. Die Größe dieser Restspannung URest hängt von der Zeit t2 im Verhältnis zum Kehrwert der Eigenfrequenz des Reihenschwingkreises ab, der durch den Entlastungskondensator C1 zusammen mit der Hilfsdrossel L4 gebildet ist. Zudem geht die Zwischenkreisspannung des Ausgangszwischenkreis 8 ein, auf die der Entlastungskondensator C1 beim Öffnen des Hochsetzstellerschalters IGBT1 aufgeladen wird.
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Die 6 und 7 skizzieren die Ausbildung der Hochsetzstellerdrosseln L1, L2 und L3 als zylindrische Luftdrosseln 26 und deren Anordnung in einem mit Schlitzen 27 versehenen Abschirmgehäuse 28 aus leitfähigem Material 29, wie beispielsweise Aluminium. Hierdurch können die Hochsetzstellerdrosseln L1, L2 und L3 insgesamt leicht und kostengünstig bereitgestellt werden. Allerdings werden Grenzen für die Drosselbauleistung gesetzt. Die von Luftdrosseln, die mit hochfrequenten Strömen beaufschlagt werden, ausgehenden magnetischen Felder werden von dem Abschirmgehäuse 28 zurückgehalten.
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Zudem verhindern Luftdrosseln nicht nur bei Taktfrequenzen im nichthörbaren Bereich eine ungewollte Geräuschentwicklung, sondern auch bei Taktfrequenzen im hörbaren Bereich gehen wenig Geräusche von ihnen aus. Dieser hörbare Bereich wird trotz normalerweise im nichthörbaren Bereich erfolgender Ansteuerung der Hochsetzstellerschalter IGBT1, IGBT2 und IGBT3 z. B. dann erreicht, wenn zur Begrenzung der Leistung des Photovoltaikgenerators
17 gemäß
2 die Spannung, bei der der Photovoltaikgenerator betrieben wird, abgesenkt wird, indem der Strom in demselben auf einen Wert nahe des Kurzschlussstroms erhöht wird. Näheres hierzu ist in der
EP 1 914 857 B1 beschrieben. Bei dieser Betriebsart steigt der Strom in den Hochsetzstellerdrosseln L1, L2, L3 über den Strom in ihrem Nennbetrieb an. Um die dabei auftretenden Verluste abzusenken, kann die Schaltfrequenz der Hochsetzstellerschalter IGBT1, IGBT2 und IGBT3 abgesenkt werden, um eine ausreichende Spannungszeitfläche für den Stromaufbau zu erhalten. Dass damit die Schaltfrequenz in den hörbaren Bereich gelangt, ist durch die Verwendung von Luftdrosseln
26 unerheblich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochsetzsteller
- 2
- Eingangsleitung
- 3
- Eingang
- 5
- Ausgang
- 6
- Querzweig
- 7
- Eingangsleitung
- 8
- Ausgangszwischenkreis
- 9
- Entlastungspfad
- 10
- Entladungsschaltung
- 11
- Entladungspfad
- 12
- Punkt
- 13
- Punkt
- 14
- Teilhochsetzsteller
- 15
- Teilhochsetzsteller
- 16
- Teilhochsetzsteller
- 17
- Photovoltaikgenerator
- 18
- Wechselrichter
- 19
- Wechselspannungsnetz
- 20
- Gesamtstrom
- 21
- Strom durch L1
- 22
- Strom durch L2
- 23
- Strom durch L3
- 24
- Spannung an C1
- 25
- Strom durch L4
- 26
- Luftdrossel
- 27
- Schlitz
- 28
- Abschirmgehäuse
- 29
- leitfähiges Material
- L1
- Hochsetzstellerdrossel
- L2
- Hochsetzstellerdrossel
- L3
- Hochsetzstellerdrossel
- IGBT1
- Hochsetzstellerschalter
- IGBT2
- Hochsetzstellerschalter
- IGBT3
- Hochsetzstellerschalter
- D1
- Freilaufdiode
- D2
- Freilaufdiode
- D4
- Freilaufdiode
- D3
- Hochsetzstellerdiode
- D5
- Hochsetzstellerdiode
- D6
- Hochsetzstellerdiode
- D7
- Diode
- D10
- Diode
- D13
- Diode
- C1
- Entlastungskondensator
- C3
- Entlastungskondensator
- C4
- Entlastungskondensator
- L4
- Hilfsdrossel
- L5
- Hilfsdrossel
- L6
- Hilfsdrossel
- IGBT4
- Hilfsschalter
- IGBT5
- Hilfsschalter
- IGBT6
- Hilfsschalter
- D8
- Hilfsdiode
- D11
- Hilfsdiode
- D14
- Hilfsdiode
- D9
- Freilaufdiode
- D12
- Freilaufdiode
- D15
- Freilaufdiode
- C2
- Zwischenkreiskondensator
- URest
- Restspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10103633 A1 [0004]
- EP 1914857 B1 [0047]
