DE102013201055A1

DE102013201055A1 - Leistungswandlerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102013201055A1
Application number: DE201310201055
Authority: DE
Inventors: Gerald Deboy; Yi Tang
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-07-25
Also published as: CN103219910B; CN103219910A; US9673732B2; US20130187473A1

Abstract

Beschreiben wird eine Leistungswandlerschaltungsanordnung, ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungswandlerschaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung umfasst: eine Vielzahl von n, mit n ≥ 2, Gleichspannungsquellen (3), die jeweils wenigstens eine wiederaufladbare Batterie aufweisen; eine Vielzahl von n Wandlereinheiten (2), wobei jede Wandlereinheit (2) Eingangsanschlüsse (21, 22) und Ausgangsanschlüsse (23, 24) aufweist und ihre Eingangsanschlüsse (21, 22) an eine der Vielzahl von Gleichspannungsquellen (3) angeschlossen hat, wobei die Wandlereinheiten (2) eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen (11, 12) der Schaltungsanordnung bilden.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Leistungswandlerschaltung und ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungswandlerschaltung.
Mit einem zunehmenden Interesse an einer nachhaltigen Energieproduktion liegt ein Fokus auf der Verwendung von Photovoltaikmodulen zum Erzeugen elektrischer Leistung. Photovoltaik-(PV)-Module umfassen mehrere Photovoltaik-(PV)-Zellen, die auch als Solarzellen bezeichnet werden. Da die Ausgangsspannung einer Zelle relativ gering ist, umfasst ein PV-Modul üblicherweise einen Strang mit mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen, wie beispielsweise zwischen 50 und 100 Zellen, die in Reihe geschaltet sind, oder sogar mehrerer solcher Stränge die parallel geschaltet sind.
Ein PV-Modul liefert eine Versorgungsgleichspannung, während Spannungsnetze, wie beispielsweise nationale Spannungsnetze, eine Versorgungswechselspannung liefern. Um die durch ein PV-Modul gelieferte Energie in das Spannungsnetz einzuspeisen, ist es daher notwendig, die Gleichspannung des PV-Moduls in eine Wechselspannung zu wandeln, die konsistent ist mit der Versorgungswechselspannung des Spannungsnetzes.
Ein erster Ansatz zum Wandeln der PV-Modul-Gleichspannung in eine Spannungsnetz-Wechselspannung umfasst das Schalten mehrerer PV-Module in Reihe, um eine Gleichspannung zu erhalten, die höher ist als eine Spitzenspannung der Spannungsnetz-Wechselspannung, und Wandeln der Gleichspannung in eine Wechselspannung unter Verwendung eines DC/AC-Wandlers. Die Amplitude der Gleichspannung beträgt üblicherweise zwischen 200 V und 1.000 V. Allerdings sind hohe Gleichspannungen hinsichtlich des Auftretens von elektrischen Lichtbögen kritisch.
Gemäß einem zweiten Ansatz werden mehrere DC/AC-Wandler bereitgestellt, wobei jeder dieser Wandler an ein PV-Modul angeschlossen ist. Die Wechselspannungsausgänge der einzelnen Wandler sind parallel geschaltet und jeder dieser Wandler erzeugt eine Wechselspannung, die konsistent ist mit der Spannungsnetz-Wechselspannung, aus der Gleichspannung, die durch den Strang von Solarzellen bereitgestellt wird. Die durch ein PV-Modul bereitgestellte Gleichspannung besitzt üblicherweise eine Amplitude im Bereich zwischen 20 V und 100 V, abhängig von der Anzahl der Zellen, die innerhalb eines Moduls in Reihe geschaltet sind und abhängig von der zum Realisieren der Solarzellen verwendeten Technologie, während die Spitzenspannung der Spannungsnetz-Wechselspannung etwa 155 V oder 325 V, abhängig vom Land, beträgt. Allerdings besitzen aufgrund der großen Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen diese Wandler Nachteile hinsichtlich ihrer Effizienz.
Gemäß einem weiteren Ansatz werden mehrere DC/AC-Wandler in Reihe geschaltet, wobei jeder dieser Wandler eine Versorgungsgleichspannung von einem PV-Modul erhält. Bei diesem System wird eine zentrale Steuereinheit verwendet, um die einzelnen DC/AC-Wandler gemäß einem Multi-Level-Schaltmuster zu synchronisieren. Dieses System erfordert eine dauernde synchronisierte Steuerung aller einzelnen Einheiten.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Leistungswandlerschaltung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist relativ geringe Eingangsspannungen zu erhalten und eine relativ hohe Ausgangsspannung zu erzeugen und die mit Halbleiterbauelementen realisiert werden kann, die eine relativ niedrige Spannungsfestigkeit besitzen, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Leistungswandlerschaltung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1 und durch Verfahren gemäß der Ansprüche 29 und 31 gelöst. Spezielle Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft eine Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Vielzahl von n, mit n ≥ 2, Gleichspannungsquellen, die jeweils eine wiederaufladbare Batterie aufweisen, und eine Vielzahl von n Wandlereinheiten, wobei jede Wandlereinheit Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse aufweist und die Eingangsanschlüsse an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen hat, wobei die Wandlereinheiten eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen bilden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Erhalten eines Spannungsreferenzsignals durch wenigstens eine Wandlereinheit (2) von einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen bilden, und das Erzeugen eines Ausgangsstroms abhängig von dem Spannungsreferenzsignal durch die wenigstens eine Wandlereinheit von der Vielzahl von Wandlereinheiten.
Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Erhalten eines Spannungsregelsignals durch wenigstens eine Wandlereinheit von einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen bilden, und das Ausgeben einer Ausgangsspannung durch die wenigstens eine Wandlereinheit derart, dass eine Frequenz, Phase, und Amplitude der Ausgangsspannung abhängig ist von dem Spannungsregelsignal.
Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Signale und Schaltungskomponenten.
1 veranschaulicht schematisch eine Leistungswandlerschaltung die eine Vielzahl von DC/AC-Wandlern, die in Reihe geschaltet sind, und eine Spannungsmessschaltung umfasst;
2 die 2A–2C umfasst, veranschaulicht verschiedene Ausführungsbeispiele von Photovoltaikanordnungen, die jeweils wenigstens eine Solarzelle aufweisen;
3 veranschaulicht schematisch eine Leistungswandlerschaltung die eine Vielzahl von DC/AC-Wandlern, die in Reihe geschaltet sind, und eine Spannungsmessschaltung, die mehrere in Reihe geschaltete Messeinheiten aufweist, umfasst;
4 die 4A–4D umfasst, veranschaulicht verschiedene Ausführungsbeispiele von Messeinheiten;
5 zeigt ein Blockdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel einer DC/AC-Wandlereinheit mit einem DC/AC-Wandler und einer Steuerschaltung veranschaulicht;
6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines DC/AC-Wandlers gemäß 5 im Detail;
7 die 7A–7C umfasst, veranschaulicht verschiedene Ausführungsbeispiele von Schaltern, die in dem DC/AC-Wandler gemäß 6 verwendet werden können;
8 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung einer DC/AC-Wandlereinheit;
9 veranschaulicht einen ersten Zweig der Steuerschaltung gemäß 8 im Detail;
10 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung einer DC/AC-Wandlereinheit;
11 zeigt ein Blockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit veranschaulicht, die einen DC/DC-Wandler, einen Maximum-Power-Point-Tracker, einen DC/AC-Wandler und eine Steuerschaltung aufweist;
12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des als Hochsetzsteller ausgebildeten DC/DC-Wandlers;
13 veranschaulicht schematisch eine Steuerschaltung des DC/DC-Wandlers gemäß 12;
14 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des als Tiefsetzsteller ausgebildeten DC/DC-Wandlers;
15 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung eines DC/AC-Wandlers;
16 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des mit zwei verschachtelten Hochsetzstellerstufen ausgebildeten DC/DC-Wandlers;
17 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung für den DC/DC-Wandler gemäß 16;
18 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung für den DC/DC-Wandler gemäß 16;
19 zeigt ein Blockdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer DC/AC-Wandlereinheit mit einem Tiefsetzsteller und einer Auffaltbrücke (engl.: unfolding bridge) veranschaulicht;
20 zeigt Zeitverläufe, die das Funktionsprinzip der DC/AC-Wandlereinheit gemäß 19 veranschaulichen;
21 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Controllers, der in der DC/AC-Wandlereinheit gemäß 19 ausgebildet ist;
22 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Controllers, der in der DC/AC-Wandlereinheit gemäß 19 ausgebildet ist;
23 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit mehreren Wandlereinheiten, die in zwei Reihenschaltungen, die parallel geschaltet sind, organisiert sind;
24 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die so betrieben werden kann, dass sie einen Versorgungsstrom an eine Wechselspannungslast liefert;
25 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit gemäß 24;
26 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Entladekurve einer Gleichspannungsquelle;
27 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit gemäß 24, wobei die Wandlereinheit einen DC/DC-Wandler und einen DC/AC-Wandler aufweist;
28 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung des DC/AC-Wandlers gemäß 27;
29 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die drei Vielzahlen von Wandlereinheiten aufweist, die jeweils in Reihe angeordnet sind und die jeweils dazu ausgebildet sind, eine Phase eines 3-Phasen-Wechselspannungsmotors anzusteuern;
30 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die so betrieben werden kann, dass sie an den Versorgungsstrom an eine Gleichspannungslast liefert;
31 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die mehrere in Reihe angeordnete Wandlereinheiten aufweist und die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, zum Laden von Gleichspannungsquellen, die an die einzelnen Wandlereinheiten gekoppelt sind;
32 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit der Leistungswandlerschaltung gemäß 31;
33 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Ladekurve einer Gleichspannungsquelle;
34 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die so betrieben werden kann, dass sie eine Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle erhält und Gleichspannungsquellen lädt, die an die Wandlereinheiten der Leistungswandlerschaltung gekoppelt sind;
35 veranschaulicht eine Leistungswandlerschaltung, die an eine Gleichspannungsquelle mit PV-Modulen gekoppelt ist;
36 veranschaulicht ein System mit einer Leistungswandlerschaltung und mit mehreren Lasten/Versorgungsschaltungen;
37 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit einer Leistungswandlerschaltung und einer Auffaltbrücke;
38 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit gemäß 37; und
39 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Topologie einer Wandlereinheit.
Nachfolgend wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wie die Erfindung verwendet werden kann. Es sei erwähnt, dass die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, sofern nichts anderes angegeben ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in einem speziellen Zusammenhang erläutert, nämlich im Zusammenhang mit dem Umwandeln elektrischer Leistung oder elektrischer Spannungen, die durch eine Vielzahl von Gleichspannungsquellen (engl.: DC power sources) geliefert werden, in eine Wechselspannung, insbesondere eine Wechselspannungsnetz-Versorgungsspannung. Ausführungsbeispiele der Erfindung können in einem weiten Bereich von Anwendungen, bei denen eine Wandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung benötigt wird, verwendet werden. Obwohl bei einigen Ausführungsbeispielen die Gleichspannungsquelle als Photovoltaik-Arrays (PV-Arrays) realisiert sind, sei erwähnt, dass stattdessen auch eine beliebige andere Art von Gleichspannungsquelle verwendet werden kann, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine wiederaufladbare Batterie, oder ähnliches. Es ist sogar möglich, Gleichspannungsquellen verschiedener Arten, wie beispielsweise Photovoltaik-Arrays und Brennstoffzellen und wiederaufladbare Batterien in einer Anwendung einzusetzen.
1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung (Leistungsumrichterschaltung) 4 zum Wandeln einer Vielzahl von n (wenigstens zwei) Eingangsgleichspannungen V3₁, V3_n in eine Ausgangswechselspannung v1. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass in den Zeichnungen durchgängig Gleichspannungen und Gleichströme unter Verwendung von Großbuchstaben ”V” und ”I” bezeichnet werden, während Wechselspannungen und Wechselströme unter Verwendung von Kleinbuchstaben ”v” und ”i” bezeichnet werden. Die Leistungswandlerschaltung umfasst eine Vielzahl von n (wenigstens zwei) Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n, wobei n ≥ 2. Jede dieser Wandlereinheiten umfasst Eingangsanschlüsse 21 ₁, 22 ₁; 21 ₂, 22 ₂; und 21 _n, 22 _n, die dazu ausgebildet sind, an eine Gleichspannungsquelle 3 ₁, 3 ₂, gekoppelt zu werden. In 1 sind außer der Leistungswandlerschaltung 1 mit den Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n auch Gleichspannungsquellen 3 ₁, 3 ₂, dargestellt. Diese Gleichspannungsquellen 3 ₁, 3 ₂, 3 _n bilden zusammen mit der Leistungswandlerschaltung 1 ein Wechselspannungsversorgungssystem oder ein Wechselstromversorgungssystem. Die Gleichspannungsquellen 3 ₁, 3 ₂, sind bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Photovoltaikmodule (PV-Module) ausgebildet. Allerdings ist das Verwenden von PV-Modulen als Gleichspannungsquellen nur ein Beispiel. Eine beliebige andere Art von Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise eine Spannungsquelle, die eine Brennstoffzelle aufweist, kann ebenso verwendet werden. Es ist sogar möglich, verschiedene Arten von Gleichspannungsquellen in einem Versorgungssystem zu verwenden.
Jede der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n umfasst außerdem Ausgangsanschlüsse 23 ₁, 24 ₁; 23 ₂, 24 ₂; und 23 _n, 24 _n. Die Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n sind zwischen Ausgangsanschlüssen 11, 12 der Leistungswandlerschaltung in Reihe geschaltet (kaskadiert). Hierzu ist ein erster Ausgangsanschluss 23 ₁ einer ersten Wandlereinheit 2 ₁ an einen ersten Ausgangsanschluss 11 der Leistungswandlerschaltung 1 gekoppelt, und ein zweiter Ausgangsanschluss 24 einer letzten Wandlereinheit 2 _n in der Kaskade ist an einen zweiten Ausgangsanschluss 12 der Leistungswandlerschaltung 1 gekoppelt. Außerdem ist jeder der ersten Ausgangsanschlüsse (außer dem Ausgangsanschluss 23 ₁) an einen zweiten Ausgangsanschluss (außer dem Ausgangsanschluss 24 _n) einer anderen Wandlereinheit angeschlossen.
Die Ausgangsanschlüsse 11, 12 der Leistungswandlerschaltung 1 sind dazu ausgebildet, eine Spannung v1 zu erhalten. Die Ausgangsanschlüsse 11, 12 sind beispielsweise dazu ausgebildet, an ein Spannungsnetz angeschlossen zu werden, so dass die externe Spannung v1 einer Netzspannung, oder genauer, einer Phase der Netzspannung, entspricht. In 1 ist das Spannungsnetz durch eine Spannungsquelle 11 und eine parallel zu der Spannungsquelle 11 geschaltete Last Z repräsentiert. Die Spannungsquelle 11 des Spannungsnetzes repräsentiert mehrere Wechselspannungsquellen in dem Spannungsnetz, und die Last Z repräsentiert mehrere Lasten, die an die Spannungsquellen in dem Spannungsnetz angeschlossen sind. Das Spannungsnetz definiert die Wechselspannung v1 zwischen den Ausgangsanschlüssen. Da diese Spannung v1 durch eine externe Quelle, wie beispielsweise ein Spannungsnetz, definiert ist, wird diese Spannung nachfolgend als externe Wechselspannung v1 bezeichnet.
Jede der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n liefert eine Ausgangswechselspannung v2₁, v2₂, v2_n zwischen ihren Ausgangsanschlüssen 23 ₁, 24 ₁, 23 ₂, 24 ₂, 23 _n, 24 _n. Durch In-Reihe-Schalten der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n entspricht die Summe der einzelnen Ausgangswechselspannungen v2₁, v2₂, v2_n der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n der externen Spannung v1, wenn sich die Leistungswandlerschaltung 1 im eingeschwungenen Zustand befindet, d. h.,
Jede Leistungswandlereinheit 2 ₁, 2 ₂, 2 _n umfasst außerdem eine Ausgangskapazität C₁, C₂, C_n, die zwischen die einzelnen Ausgangsanschlüsse 23 ₁, 24 ₁, 23 ₂, 24 ₂, 23 _n, 24 _n geschaltet ist, und liefert einen Ausgangsstrom i1₁, i1₂, i1_n. Der Ausgangsstrom einer Wandlereinheit 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ist der Strom, der an einem Schaltungsknoten erhalten wird, der der Ausgangskapazität C₁, C₂, C_n und einem der Ausgangsanschlüsse gemeinsam ist. Beispielsweise ist bei der ersten Wandlereinheit 2 ₁ der Ausgangsstrom der Wandlereinheit 2 ₁ der Strom, der in den Schaltungsknoten fließt, an dem der Ausgangskondensator C₁ an den ersten Ausgangsanschluss 23 ₁ angeschlossen ist. Der von dem ersten Ausgangsanschluss 23 ₁ der ersten Wandlereinheit 2 ₁ fließende Strom wird als Ausgangstrom i_OUT der Wandlerschaltung bezeichnet. Dieser Strom entspricht dem Strom, der zwischen den einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁–2 _n fließt. Die Ausgangskapazitäten C₁, C₂, C_n sind Teil der einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n und können in vielfacher unterschiedlicher Weise realisiert werden, wie nachfolgend anhand einiger Beispiele erläutert wird.
Im eingeschwungenen Zustand entsprechen die Ausgangswechselströme i1₁, i1₂, i1_n, oder genauer, die Effektivwerte der Ausgangswechselströme i1₁, i1₂, i1_n, dem Ausgangsstrom 1_OUT bzw. dem Effektivwert des Ausgangsstroms i_OUT der Leistungswandlerschaltung, so dass nur ein geringer bis hin zu gar keinem Effektivstrom (engl.: rms current) in die Ausgangskondensatoren C₁–C_n fließt. Allerdings kann es Situationen geben, bei denen die Ausgangströme i1₁, i1₂, i1_n der einzelnen Wandlereinheiten 21, 22, 2n sich ändern und in denen die Ausgangsströme i1₁, i1₂, i1_n sich gegenseitig unterscheiden, bis sich das System auf neue (gleiche) Ausgangsströme i1₁, i1₂, i1_n eingeschwungen hat. Dies ist nachfolgend näher im Detail erläutert.
Die Leistungswandlerschaltung 1 umfasst außerdem eine Spannungsmessschaltung 19, die zwischen die Ausgangsanschlüsse 11, 12 der Leistungswandlerschaltung 1 geschaltet ist. Die Spannungsmessschaltung 10 ist dazu ausgebildet, wenigstens ein Messsignal S_v1 zu erzeugen, das eine Information über die Phase und die Frequenz der externen Wechselspannung v1 enthält.
Die einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n sind jeweils dazu ausgebildet, ein Messsignal S_v1 zu erhalten. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, erhalten die einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n dasselbe Messsignal S_v1. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Es ist auch möglich, ein Messsignal für jede der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n zu erzeugen. Ein Ausführungsbeispiel wird anhand von 3 nachfolgend erläutert. Das wenigstens eine Messsignal S_v1 kann zu den einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n auf unterschiedliche Weise übertragen werden. Bezugnehmend auf 1 kann ein Signalübertragungsbus vorgesehen werden, über welchen das wenigstens eine Messsignal S_vN zu den einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n übertragen wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (in 1 nicht dargestellt) gibt es einen fest zugeordneten Übertragungspfad zwischen der Spannungsmessschaltung und jeder der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n. Der Signalübertragungsbus oder die Signalübertragungspfade können wie herkömmliche Signalübertragungsbusse oder wie herkömmliche Signalübertragungspfade realisiert sein. Der Signalbus oder die Signalpfade können Pegelschieber (engl.: level shifter) oder andere Mittel zum Übertragen des wenigstens einen Messsignals von der Messschaltung 10 an die einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n aufweisen, die (dadurch, dass sie kaskadiert sind) verschiedene Referenzpotentiale oder verschiedene Spannungsdomänen besitzen.
Die einzelnen Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n umfassen jeweils wenigstens eine interne Regelschleife, die nachfolgend weiter im Detail erläutert wird. Die Regelschleife jeder Wandlereinheit 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ist dazu ausgebildet, dafür zu sorgen, dass jede Wandlereinheit 2 ₁, 2 ₂, 2 _n den zugehörigen Ausgangsstrom i1₁, i1₂, i1_n so erzeugt, dass eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen der durch das wenigstens eine Messsignal S_v1 repräsentierten Phase – und die der Phase der externen Wechselspannung v1 entspricht – und der Phase von deren Ausgangswechselstrom i1₁, i1₂, i1_n vorhanden ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Ausgangsströme i1₁, i1₂, i1_n so erzeugt, dass sie in Phase mit der externen Wechselspannung v1 sind, so dass die Phasendifferenz Null ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Phasendifferenz nicht Null. Wenn die Differenz auf einen anderen Wert als Null eingestellt wird, wird Blindleistung in das Spannungsnetz eingespeist. Dies kann helfen, die externe Wechselspannung zu stabilisieren, die beispielsweise eine Spannungsnetzspannung ist.
In 1 haben gleiche Merkmale der Gleichspannungsquellen 3 ₁, 3 ₂, 3 _n die gleichen Bezugszeichen, wobei die Bezugszeichen der einzelnen Gleichspannungsquellen 3 ₁, 3 ₂, 3 _n durch tief gestellte Indizes ”1”, ”2”, ”n” voneinander unterschieden werden können. Entsprechend besitzen gleiche Merkmale der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n die gleichen Bezugszeichen, die durch tief gestellte Indizes ”1” für die erste Wandlereinheit 2 ₁, ”2” für die zweite Wandlereinheit 2 ₂ und ”n” für die n-te Wandlereinheit 2 _n voneinander unterschieden werden können. Im Folgenden, wenn Erläuterungen gleichermaßen für jede der Gleichspannungsquellen 3 ₁, 3 ₂, 3 _n oder für jeder der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n gelten, werden die Bezugszeichen ohne Indizes verwendet. Nachfolgend repräsentiert beispielsweise das Bezugszeichen 2 eine beliebige der Wandlereinheiten, Bezugszeichen 23 repräsentiert einen ersten Ausgangsanschluss einer beliebigen der Wandlereinheiten, Bezugszeichen i1 bezeichnet den Ausgangsstrom einer beliebigen Wandlereinheit 2, Bezugszeichen C bezeichnet die Ausgangskapazität einer beliebigen Wandlereinheit 2, usw.
De Leistungswandler gemäß 1 umfasst n = 3 Wandlereinheiten 2. Allerdings sind n = 3 Wandlereinheiten nur ein Beispiel. Eine beliebige Anzahl von n Wandlereinheiten 2, wobei n > 1, kann in Reihe geschaltet werden, um die Leistungswandlerschaltung 1 zu bilden.
Außer den internen Regelschleifen der Wandlereinheiten 2 benötigt die Leistungswandlerschaltung 1 keine äußere Regelschleife, die an die einzelnen Wandlereinheiten 2 angeschlossen ist, und/oder zusätzliche Kommunikationspfade zwischen den einzelnen Wandlereinheiten 2, wenn sich die Leistungswandlerschaltung 1 im eingeschwungenen Zustand befindet. Wenn sich die Leistungswandlerschaltung 1 im eingeschwungenen Zustand befindet, kann das System definiert werden durch Gleichung (1) und eine weitere Gleichung für jede der Wandlereinheiten 2: v2_RMS·i1_RMS = V3·I3 (2), wobei v2_RMS den Effektivwert (RMS-Wert, RMS = Route Mean Square) der Ausgangsspannung v2 einer Wandlereinheit 2 bezeichnet, i1_RMS den Effektivwert des Ausgangsstroms i1 einer Wandlereinheit bezeichnet, V3 die Eingangsspannung bezeichnet und I3 den Eingangstrom der Wandlereinheit 2 bezeichnet. Es sei erwähnt, dass (sehr geringe) Verluste in jeder Wandlereinheit 2 auftreten können. Aus Gründen der Einfachheit sind diese Verluste in Gleichung (2) nicht berücksichtigt. Im eingeschwungenen Zustand sind die Effektivwerte der einzelnen Ausgangsströme i1_RMS gleich und entsprechen dem Effektivwert des Ausgangsstroms i_OUT-RMS der Leistungswandlerschaltung, d. h.: i1_RMS = i1_OUT-RMS (3).
Da die Gleichungen (2) und (3) für jede der einzelnen Wandlereinheiten gelten, gibt es n Gleichungen, wobei jede dieser Gleichungen die Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der mittleren Ausgangsleistung jeder der Wandlereinheiten 2 beschreibt, wobei die Eingangsleistung Pin gegeben ist durch: Pin = V3·I3 (4) und die Ausgangsleistung Pout gegeben ist durch: Pout = v2_RMS – i1_RMS (5).
Die Eingangsleistung Pin jeder der einzelnen Wandlereinheiten 2 und die Eingangsspannung V3 bzw. der Eingangsstrom I3 sind externe Parameter, die durch die einzelnen Gleichspannungsquellen 3 gegeben sind. Die externe Wechselspannung v1 zwischen den Ausgangsanschlüssen 11, 12 ist definiert durch das Spannungsnetz.
Damit gibt es n + 1 Variablen in der Leistungswandlerschaltung, nämlich die n Ausgangsspannungen v2 der einzelnen Wandlereinheiten 2 und die (gleichen) Ausgangsströme i1. Allerdings ist das System, bezugnehmend auf die Gleichungen (1) und (2) definiert durch n + 1 Gleichungen, so dass jede der n + 1 Variablen bestimmt ist, wenn das System im eingeschwungenen Zustand ist. Außer jeden der Wandler 2 dazu zu veranlassen, seinen Ausgangswechselstrom i1 so zu erzeugen, dass eine vorgegebene Phasendifferenz (wie beispielsweise Null) zwischen dem Ausgangswechselstrom i1 und der Ausgangswechselspannung vorhanden ist, ist kein zusätzlicher Steuer- oder Regelmechanismus notwendig. Wenn die Ausgangströme i1 der einzelnen Wandlereinheiten 2 in Phase mit der externen Wechselspannung v1 sind, entspricht die Wirk-Ausgangsleistung jeder Wandlereinheit der Schein-Ausgangsleistung, so dass die Blind-Ausgangsleistung Null ist. Die einzelnen Wandlereinheiten 2 regeln ihre Ausgangsströme i1 abhängig von der durch das wenigstens eine Messsignal S_v1 repräsentierten Phaseninformation und regeln ihre Ausgangsströme so, dass die an den Eingangsanschlüssen 21, 22 erhaltene Eingangsleistung der Ausgangsleistung an den Ausgangsanschlüssen 23, 24 entspricht.
Die Gleichspannungsquellen 3, die als PV-Arrays realisiert sind, sind in 1 nur schematisch dargestellt. Diese PV-Arrays umfassen jeweils wenigstens eine Solarzelle. Einige exemplarische Ausführungsbeispiele von PV-Arrays, die wenigstens eine Solarzelle aufweisen, sind in den 2A bis 2C veranschaulicht. 2A veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das PV-Array 3 nur eine Solarzelle 31. Bezugnehmend auf ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in 2B dargestellt ist, umfasst ein PV-Array 3 einen Strang mit m Solarzellen 31, 3m, wobei m > 1 die in Reihe geschaltet sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 2C dargestellt ist, sind p Stränge mit Solarzellen parallel geschaltet, wobei p > 1. Jeder der Stränge umfasst m Solarzellen 31 ₁, 3m ₁, 31 _p, 3m _p. Allerdings sind die in den 2A bis 2C dargestellten Ausführungsbeispiele nur beispielhaft. Viele anderen Solarzellenanordnungen können ebenfalls als Gleichspannungsquelle 3 verwendet werden.
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die eine Spannungsmessschaltung 3 mit mehreren Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n aufweist. Die einzelnen Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n sind in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse 11, 12 geschaltet. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Ausgangskapazitäten (C₁–C_n in 1) in 3 nicht dargestellt. Die mehreren Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n bilden einen Spannungsteiler, wobei ein Spannungsabfall v1₁, v1₂, v1_n über jeder der Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n eine Funktion der externen Wechselspannung v1 ist und eine Information über die Frequenz und die Phase der externen Wechselspannung v1 enthält.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jede Wandlereinheit 2 ₁, 2 ₂, 2 _n einen Messeingang mit zwei Eingangsanschlüssen 25 ₁, 26 ₁, 25 ₂, 26 ₂, 25 _n, 26 _n auf, und die Messanschlüsse jeder Wandlereinheit 2 ₁, 2 ₂, 2 _n sind an eine Messeinheit 10 ₁, 10 ₂, 10 _n gekoppelt, um eine Messspannung v1₁, v1₂, v1_n, als Messsignal zu erhalten.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl der Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n der Anzahl der Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n so dass jede Messeinheit 10 ₁, 10 ₂, 10 _n einer Wandlereinheit 21, 2 ₂, 2 _n zugeordnet ist. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) wird die durch eine Messeinheit bereitgestellte Messspannung von zwei oder mehr Wandlereinheiten erhalten.
Die einzelnen Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n können auf vielfache unterschiedliche Weise realisiert sein. Einige Beispiele sind anhand der 4A bis 4D unten erläutert. In diesen 4A bis 4D bezeichnet das Bezugszeichen 10 _i eine beliebige der in 3 dargestellten Messeinheiten 10 ₁, 10 ₂, 10 _n.
Bezugnehmend auf 4A kann eine Messeinheit 10 _i einen Widerstand 101 aufweisen, der zwischen die Anschlüsse der Messeinheit 10 _i geschaltet ist, der dazu dient, die einzelnen Messeinheiten (10 ₁, 10 _n in 3) in Reihe zu schalten und die dazu dienen, die einzelnen Messeinheiten an die Wandlereinheiten (2 ₁–2 _n in 3) zu koppeln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte der Widerstände 101 in den einzelnen Messeinheiten 10 _i gleich oder wenigstens annähernd gleich. In diesem Fall sind die Absolutwerte der durch die einzelnen Messeinheiten 10 _i bereitgestellten Messspannungen gleich. In einer Messschaltung 10, die Messeinheiten 10 _i aufweist, die mit einem Widerstand 101 realisiert sind, sind die einzelnen Messspannungen v1_i proportional zu der Ausgangsspannung v1.
In einer Messschaltung 10 mit Messeinheiten 10 _i, die Widerstände aufweisen, bilden die einzelnen Messeinheiten 10 _i einen resistiven Spannungsteiler. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 4B dargestellt ist, umfassen die einzelnen Messeinheiten 10 _i jeweils einen Kondensator 102, anstatt eines Widerstands. In diesem Fall bilden die einzelnen Messeinheiten 10 _i einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen den Ausgangsanschlüssen 11, 12.
Bezugnehmend auf 4C, die ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, kann jede Messeinheit 10 _i mit einer Parallelschaltung, die einen Widerstand 101 und einen Kondensator 102 aufweist, realisiert sein.
Bezugnehmend auf 4D, die noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messeinheit 10 _i veranschaulicht, kann jede Messeinheit oder können wenigstens einige der Messeinheiten mit einem Spannungsteiler realisiert sein, der ein erstes Spannungsteilerelement 101 und ein zweites Spannungsteilerelement 102 aufweist. Diese Spannungsteilerelemente sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4D als Widerstände ausgebildet. Allerdings könnten diese Spannungsteilerelemente 101, 102 auch als Kondensatoren oder als Kombinationen mit wenigstens einem Widerstand und wenigstens einem Kondensator realisiert sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Messspannung v1 nicht die Spannung über der Messeinheit 10 _i, sondern ist die Spannung über dem ersten Spannungsteilerelement 101, so dass die Messspannung v1_i ein Bruchteil der Spannung über der Messeinheit 10 _i ist.
5 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 2 zum Wandeln der Eingangsgleichspannung, die durch eine Gleichspannungsquelle (in 3 nicht dargestellt) bereitgestellt wird, in eine Ausgangswechselspannung v2. Die Wandlereinheit 2 umfasst einen DC/AC-Wandler 4, der zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 geschaltet ist. Der DC/AC-Wandler erhält die Gleichspannung v3, die durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, als eine Eingangsspannung und den Versorgungsgleichstrom I3 der Gleichspannungsquelle als Eingangsstrom. Der DC/AC-Wandler 4 erhält weiterhin ein Referenzsignal S_REF, das ein Wechselsignal mit einer Frequenz und einer Phase sein kann. Der DC/AC-Wandler 4 ist dazu ausgebildet, den Ausgangswechselstrom i1 abhängig von dem Referenzsignal S_REF so zu erzeugen, dass eine Frequenz und eine Phase des Ausgangsstroms i1 einer Frequenz bzw. einer Phase des Messsignals S_v1 entspricht. Der DC/AC-Wandler 4 kann wie ein herkömmlicher DC/AC-Wandler realisiert sein, der dazu ausgebildet ist, einen Ausgangsstrom in Phase mit einem Referenz-Wechselsignal zu erzeugen. Solche DC/AC-Wandler sind allgemein bekannt.
Es sei erwähnt, dass jede der DC/AC-Wandlereinheiten 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ihren Ausgangsstrom i1 so regelt, dass er eine Phase und eine Frequenz aufweist, die abhängig sind von dem wenigstens einen Messsignal S_v1.
Das Referenzsignal S_REF wird durch eine Steuerschaltung 5 abhängig von dem Messsignal S_v1 und einem Ausgangsstromsignal S_in erzeugt. Das Messsignal S_v1 ist entweder das zuvor anhand von 1 erläuterte Messsignal S_v1, eine der Messspannungen v1_i, die anhand von 3 erläutert wurden, oder eine skalierte Version oder ein Bruchteil hiervon. Das Ausgangsstromsignal S_i1 repräsentiert den Ausgangsstrom i1, d. h. das Ausgangsstromsignal S_i1 ist abhängig von dem Ausgangsstrom i1. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Ausgangsstromsignal S_i1 eine skalierte Version des Ausgangsstroms i1. Das Ausgangsstromsignal S_i1 kann in herkömmlicher Weise aus dem Ausgangsstrom i1 unter Verwendung einer Strommessschaltung (nicht dargestellt) erzeugt werden. Das Ausgangsstromsignal S_i1 wird für jede der Wandlereinheiten (21, 2n) individuell durch Detektieren des jeweiligen Ausgangsstroms der jeweiligen Wandlereinheit erzeugt. Bezugnehmend auf 5 ist der Ausgangsstrom i1 der dargestellten Wandlereinheit 2 der an dem Schaltungsknoten erhaltene Strom, der dem ersten Ausgangsanschluss 23 und der Ausgangskapazität C gemeinsam ist.
Die Steuerschaltung 5, die nachfolgend als Controller bezeichnet wird, erzeugt das Referenzsignal S_REF abhängig von dem Messsignal S_v1 und dem Ausgangsstromsignal S_i1 derart, dass der Ausgangsstrom, wenn er gemäß dem Referenzsignal S_REF erzeugt wird, in Phase ist mit der externen Wechselspannung v1 oder eine gegebene Phasenverschiebung relativ zu der externen Wechselspannung v1 aufweist. Es sei erwähnt, dass, da die externe Wechselspannung v1 und der Ausgangsstrom i1 Wechselsignale sind, das Messsignal S_v1 und das Ausgangsstromsignal S_i1 ebenfalls Wechselsignals sind. In der Wandlereinheit 2 sind der DA/AC-Wandler 4 und der Controller 5 Teil einer Regelschleife, die den Ausgangsstrom i1 so regelt, dass er in Phase mit der externen Wechselspannung v1 ist oder eine gegebene Phasenverschiebung relativ hierzu besitzt.
Obwohl ein herkömmlicher DA/AC-Wandler in der Wandlereinheit 2 als DC/AC-Wandler 4, der zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 geschaltet ist, verwendet werden kann, wird ein Beispiel eines DC/AC-Wandlers 4 anhand von 6 im Detail erläutert, um das Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu erleichtern.
Der in 6 dargestellte DC/AC-Wandler 4 ist ein Vollbrücken-(H4)-Wandler mit zwei Halbbrückenschaltungen, die jeweils zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 geschaltet sind. Jede dieser Halbbrückenschaltungen umfasst zwei Schalter, die jeweils eine Laststrecke und einen Steueranschluss aufweisen. Die Laststrecken der zwei Schalter einer Halbbrücke sind in Reihe zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 geschaltet, wobei ein erster Schalter 42 ₁ und ein zweiter Schalter 42 ₂ die erste Halbbrücke bilden und ein dritter Schalter 42 ₃ und ein vierter Schalter 42 ₄ die zweite Halbbrücke bilden. Jede der Halbbrücken umfasst einen Ausgang, wobei ein Ausgang der ersten Halbbrücke durch einen Schaltungsknoten gebildet ist, der den Laststrecken der ersten und zweiten Schalter 42 ₁, 42 ₂ gemeinsam ist. Ein Ausgang der zweiten Halbbrücke wird durch einen Schaltungsknoten gebildet, der den Laststrecken der dritten und vierten Schalter 42 ₃, 42 ₄ gemeinsam ist. Der Ausgang der ersten Halbbrücke ist an den ersten Ausgangsanschluss 23 der Wandlereinheit 2 über ein erstes induktives Element 44 ₁, wie beispielsweise eine Drossel, gekoppelt. Der Ausgangsanschluss der zweiten Halbbrücke ist an den zweiten Ausgangsanschluss 24 der Wandlereinheit 2 über ein zweites induktives Element 44 ₂, wie beispielsweise eine Drossel, gekoppelt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) wird nur eines der ersten und zweiten induktiven Elemente 44 ₁, 44 ₂ verwendet. Der Wandler 4 umfasst weiterhin eine Eingangskapazität 41, wie beispielsweise eine Kapazität, die zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 geschaltet ist, und die Ausgangskapazität C, die zwischen die Ausgangsanschlüsse 23, 24 geschaltet ist.
Jeder der Schalter 42 ₁, 4 ₂, 42 ₃, 42 ₄ erhält ein Steuersignal S42₁, S42₂, S42₃, S42₄ an seinem Steueranschluss. Diese Steuersignale S42₁–S42₄ werden durch eine Steuerschaltung 54 abhängig von den von dem Controller 5 erhaltenen Referenzsignal S_REF erzeugt. Die Ansteuersignale S42₁–S42₄ sind pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuersignale, die dazu ausgebildet sind, den jeweiligen Schalter 42 ₁–42 ₄ ein- und auszuschalten. Es sei erwähnt, dass eine Schaltfrequenz der PWM-Signale S42₁–S42₄ wesentlich höher ist als eine Frequenz des Referenz-Wechselsignals S_REF. Das Referenzsignal S_REF kann ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz sein, abhängig von dem Land, in dem das Spannungsnetz realisiert ist, während die Schaltfrequenz der einzelnen Schalter 42 ₁–42 ₄ im Bereich von einigen kHz bis hin zu einigen 10 kHz oder sogar bis zu einigen 100 kHz sein kann. Die Ansteuerschaltung 45 ist dazu ausgebildet, das Tastverhältnis (Duty Cycle) jedes der Ansteuersignale S42₁–S42₄ individuell zwischen 0 und 1 einzustellen, um zu bewirken, dass der Signalverlauf des Ausgangsstroms i1 dem Signalverlauf des Referenzsignals S_REF folgt. Wenn der Duty Cycle eines Ansteuersignals 0 ist, ist der zugehörige Schalter dauerhaft ausgeschaltet, und wenn der Duty Cycle eines Ansteuersignals 1 ist, ist der zugehörige Schalter dauerhaft eingeschaltet. Der Duty Cycle eines Ansteuersignals ist das Verhältnis zwischen der Zeitdauer, für die das Ansteuersignal den zugehörigen Schalter einschaltet, und der Dauer eines Schaltzyklus. Die Dauer eines Schaltzyklusses ist der Kehrwert der Schaltfrequenz.
Bezugnehmend auf das, was zuvor erläutert wurde, ist der Ausgangsstrom i1 ein Wechselstrom mit einer positiven Halbwelle, in der der Ausgangsstrom positiv ist, und mit einer negativen Halbwelle, in der der Ausgangsstrom i1 negativ ist. Das Zeitverhalten des Ausgangsstroms i1 ist abhängig von dem Referenzsignal S_REF, das ebenfalls positive und negative Halbwellen aufweist.
Zwei mögliche Funktionsprinzipien des Wandlers werden kurz erläutert. Zunächst sei angenommen, dass eine positive Halbwelle des Ausgangsstroms i1 erzeugt werden soll. Gemäß einem ersten Funktionsprinzip, das als Bipolarschalten (engl.: bipolar switching) oder Zwei-Pegel-Schalten (engl.: 2-level switching) bezeichnet wird, werden die ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₂ synchron ein- und ausgeschaltet, während die zweiten und dritten Schalter 42 ₂, 42 ₃ dauerhaft ausgeschaltet sind. Während einer Ein-Phase der ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₄ wird ein Ausgangsstrom i1 durch die Drossel(n) 44 ₁, 44 ₂ getrieben, der abhängig ist von der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung v3 über der Eingangskapazität 41 und der Ausgangsspannung v2, wobei die Ausgangsspannung v2 definiert ist durch die Spannungsnetzspannung v_N. Die Schalter 42 ₁–42 ₄ umfassen jeweils ein Freilaufelement, wie beispielsweise eine Diode, das in 4 ebenfalls dargestellt ist. Die Freilaufelemente der zweiten und dritten Schalter 42 ₂, 42 ₃ übernehmen den durch die Drossel(n) 44 ₁, 44 ₂ fließenden Strom, wenn die ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₄ ausgeschaltet sind. Bei diesem Verfahren kann die Amplitude des Ausgangsstroms i1 über den Duty-Cycle des synchronen Schaltbetriebs der ersten und vierten Schalter 42 ₁–42 ₄ eingestellt werden. Wenn die Schaltfrequenz der Schalter 42 ₁, 42 ₄ wesentlich höher ist als die gewünschte Frequenz des Ausgangsstroms, können die Amplitude, die Frequenz und die Phase des Ausgangswechselstroms i1 abhängig von dem Referenzsignal S_REF über den Duty-Cycle des synchronen Schaltbetriebs er ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₄ eingestellt werden. Während der negativen Halbwelle werden die zweiten und dritten Schalter 42 ₂, 42 ₃ synchron ein- und ausgeschaltet, während die ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₄ dauerhaft aus sind, so dass die Bodydioden der ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₄ leiten. Alternativ werden die Schalter 42 ₁, 42 ₂ eingeschaltet (mit kurzen Totzeiten), wenn deren Bodydioden in Flussrichtung gepolt sind, um diese als Synchrongleichrichter zu betreiben.
Gemäß einem zweiten Funktionsprinzip, das als Phasenspringen (engl.: phase chopping) oder als 3-Pegel-Schalten (engl.: 3-level shifting) bekannt ist, wird der erste Schalter 42 ₁ während der positiven Halbwelle der Ausgangsspannung v2 dauerhaft eingeschaltet, die zweiten und dritten Schalter 42 ₂, 42 ₃ sind dauerhaft aus und der vierte Schalter 42 ₄ wird getaktet ein- und ausgeschaltet. Während einer Ein-Phase der ersten und vierten Schalter 41 ₁, 42 ₄ wird ein Ausgangsstrom i1 durch die Drossel(n) 44 ₁, 44 ₂ getrieben, der abhängig ist von der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung V3 über der Eingangskapazität 41 und der Ausgangsspannung v2, wobei die Ausgangsspannung v2 definiert ist durch die Spannungsnetzspannung v_N. Während einer Aus-Phase des vierten Schalters 42 ₄ stellen das Freilaufelement des Schalters 42 ₃ und der eingeschaltete erste Schalter 42 ₁ einen Freilaufpfad zur Verfügung und ermöglichen dadurch einen Nullspannungszustand über den Ausgangsdrosseln. Bei diesem Verfahren kann die Amplitude des Ausgangsstroms i1 über den Duty-Cycle des Schaltbetriebs des vierten Schalters 42 ₄ eingestellt werden. Während der negativen Halbwelle sind die ersten und vierten Schalter 42 ₁, 42 ₄ dauerhaft ausgeschaltet, der zweite Schalter 42 ₂ ist dauerhaft eingeschaltet und der dritte Schalter 42 ₃ wird getaktet ein- und ausgeschaltet.
Um eine momentane Amplitude des Ausgangstroms i1 während der positiven Halbwelle zu regeln, variiert die Ansteuerschaltung 45 den Duty-Cycle des wenigstens einen Schalters, der getaktet ein- und ausgeschaltet wird. Der Duty-Cycle des wenigstens einen getakteten Schalters bzw. der Duty-Cycle von dessen Ansteuersignal wird erhöht, um die Amplitude des Ausgangsstroms i1 zu erhöhen, und wird verringert, um die Amplitude des Ausgangsstroms i1 zu verringern. Dieser Duty-Cycle ist abhängig von der momentanen Amplitude des Referenzsignals S_REF.
Die Schalter 42 ₁–42 ₄ können als herkömmliche elektronische Schalter realisiert sein. Bezugnehmend auf 7A, die ein erstes Ausführungsbeispiel zum Realisieren der Schalter veranschaulicht, können die Schalter als MOSFETs, insbesondere als n-leitende MOSFETs, realisiert sein. Der elektronische Schalter 42 in 7A repräsentiert einen beliebigen der Schalter 42 ₁–42 ₄. Ein MOSFET, wie beispielsweise der in 7A dargestellte n-leitende MOSFET, besitzt eine integrierte Diode, die in 7 ebenfalls dargestellt ist. Diese Diode ist als Bodydiode bekannt und kann als Freilaufelement dienen. Eine Drain-Source-Strecke, also eine Strecke zwischen einem Drainanschluss und einem Sourceanschluss, bildet eine Laststrecke eines MOSFET und ein Gateanschluss bildet einen Steueranschluss.
Bezugnehmend auf 7B könnten die Schalter 42 ₁–42 ₄ auch als IGBTs realisiert sein, wobei zusätzlich eine Diode zwischen einen Kollektor- und einen Emitteranschluss des IGBT geschaltet sein kann. Diese Diode dient als Freilaufelement. Bei einem IGBT verläuft die Laststrecke zwischen dem Emitter- und dem Kollektoranschluss und der Gateanschluss bildet einen Steueranschluss.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind zwei der vier Schalter, wie beispielsweise die ersten und dritten Schalter 42 ₁, 42 ₃, als SCR-Thyristoren ausgebildet, während die anderen zwei Schalter als MOSFET ausgebildet sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 7C dargestellt ist, können die Schalter 42 ₁–42 ₄ als GaN-HEMTs (Gallium-Nitride High Electron Mobility Transistors) ausgebildet sein. Anders als ein herkömmlicher (Silizium- oder Siliziumkarbid-)MOSFET besitzt ein GaN-HEMT keine integrierte Bodydiode. Bei einem GaN-HEMT kann eine Stromleitung in einer Rückwärtsrichtung (entsprechend der Vorwärtsrichtung einer Bodydiode bei einem herkömmlichen MOSFET) durch ein substratgesteuertes Einschalten erreicht werden. Bei Realisieren der Schalter in GaN-Technologie können alle Schalter einer Wandlereinheit in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat realisiert sein.
8 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Controllers 5, der das Referenzsignal S_REF abhängig von dem Messsignal S_v1 und dem Ausgangsstromsignal S_i1 erzeugt. 8 zeigt ein Blockdiagramm des Controllers 5, um dessen Funktionsprinzip zu veranschaulichen. Es sei erwähnt, dass das in 8 dargestellte Blockdiagramm nur dazu dient, die Funktionalität des Controllers 5 und nicht dessen Realisierung zu veranschaulichen. Die einzelnen Funktionsblöcke, die nachfolgend weiter im Detail erläutert werden, können unter Verwendung einer herkömmlichen Technologie realisiert werden, die geeignet ist, einen Controller zu realisieren. Insbesondere können die Funktionsblöcke des Controllers 5 als Analogschaltungen oder Digitalschaltungen realisiert sein oder können unter Verwendung von Hardware und Software realisiert sein, wie beispielsweise als Mikrocontroller, auf dem eine spezielle Software läuft, um die Funktionalität des Controllers 5 zu realisieren.
Bezugnehmend auf 8 umfasst der Controller 5 eine PLL (Phase Locked Loop) 51, die ein Frequenz- und Phasensignal S_ωt bereitstellt, das die Phase des Messsignals S_v1 repräsentiert. Die PLL 51 erhält das Messsignal S_v1. Das durch die PLL 51 bereitgestellte Frequenz- und Phasensignal wird von einem Signalgenerator, wie beispielsweise einem VCO, erhalten, der ein sinusförmiges Signal S_{i1_REF} erzeugt, das in Phase mit dem Messsignal S_v1 ist und das ein Referenzsignal für den Ausgangstrom i1 der Wandlereinheit 2 bildet.
Bezugnehmend auf 8 erhält der Controller weiterhin das Ausgangsstromsignal S_i1 und berechnet ein Fehlersignal durch Subtrahieren des Ausgangsstromsignals S_i1 von dem Ausgangsstrom-Referenzsignal S_{i1_REF}. Die Subtraktionsoperation wird durchgeführt durch einen Subtrahierer, der das Ausgangsstromsignal S_{i1_REF} und das Ausgangsstromsignal S_i1 an Eingangsanschlüssen erhält und der das Fehlersignal an einem Ausgangsanschluss bereitstellt. Das Fehlersignal, das ebenfalls ein sinusförmiges Signal ist, wird in einem dem Subtrahierer 54 nachgeschalteten Filter 53 gefiltert. Das Referenzsignal S_REF ist eine gefilterte Version des am Ausgang des Filters 53 zur Verfügung stehenden Fehlersignals. Das Filter ist beispielsweise ein Proportional-(P)-Filter.
Optional wird ein Phasensignal S_φ, zu dem Ausgangssignal der PLL 51 hinzuaddiert, bevor das sinusförmige Referenzsignal S_{i1_REF} erzeugt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Referenzsignal S_{i1_REF} und damit der Ausgangsstrom i1, eine Phase relativ zu dem Messsignal S_v1, wobei die Phasenverschiebung definiert ist durch das Phasensignal S_φ.
9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der PLL 51 gemäß 8. Diese PLL umfasst einen VCO 511, der das Frequenz- und Phasensignal S_ωt erhält und der ein oszillierendes Signal mit einer Frequenz und einer Phase abhängig von dem Frequenz- und Phasensignal S_ωt erzeugt. Das oszillierende Signal wird unter Verwendung eines Multiplizierers mit dem Messsignal S_v1 multipliziert. Ein Ausgangssignal des Multiplizierers wird unter Verwendung eines Tiefpassfilters 513 und eines PID-Filters 514, das dem Tiefpassfilter nachgeschaltet ist, gefiltert. Anstelle eine PID-Filters kann auch ein PI-Filter verwendet werden. Das Ausgangssignal des Filters 514 wird im Frequenzbereich mit 1/s multipliziert, wobei das Ergebnis dieser Multiplikation das Frequenz- und Phasensignal S_ωt ist.
10 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Controllers 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel erhält eine zweite PLL 51' das Ausgangsstromsignal S_i1 und berechnet ein weiteres Frequenz- und Phasensignal, das die Frequenz und die Phase des Ausgangstromsignals S_i1 repräsentiert. Das weitere Frequenz- und Phasensignal wird unter Verwendung eines Subtrahierers 54 von dem Frequenz- und Phasensignal S_ωt subtrahiert, das die Frequenz und die Phase des Messsignals S_v1 repräsentiert (und optional die Phasenverschiebung S_φ), um ein Fehlersignal bereitzustellen. Das Fehlersignal wird unter Verwendung eines Filters 53 gefiltert, und ein Signalgenerator 52, wie beispielsweise ein VCO erhält das Fehlersignal und erzeugt ein sinusförmiges Referenzsignal mit einer Frequenz und einer Phase, die durch das gefilterte Fehlersignal definiert sind. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Filter 53 als P-Filter oder als PI-Filter realisiert sein.
11 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 2. Diese Wandlereinheit umfasst außer dem DC/AC-Wandler 4 und dem Controller 5 einen DC/DC-Wandler 6, der zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 und den DC/AC-Wandler 4 geschaltet ist. Der DC/AC-Wandler 4 kann in der anhand der 6 bis 10 erläuterten Weise realisiert sein, mit dem Unterschied, das der DC/AC-Wandler 4 gemäß 11 eine Eingangsgleichspannung V6 von dem DC/DC-Wandler 6 anstelle der Eingangspannung V3 der Wandlereinheit 2 erhält. Ein Kondensator 60, der zwischen die Anschlüsse 61, 62 geschaltet ist, kann einen Ausgangskondensator des DC/DC-Wandlers 6 oder einen Eingangskondensator 4 des DC-AC-Wandlers 4, oder beides repräsentieren. Dieser Kondensator 60 kann als Zwischenkreiskondensator bezeichnet werden.
Der DC/DC-Wandler 6 ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung V3 oder den Eingangsstrom I3 auf einen Spannungs- bzw. einen Stromwert einzustellen, der abhängig ist von einem Referenzsignal S_{REF_V3}, das von dem DC/DC-Wandler 6 erhalten wird. Zu Zwecken der Erläuterung sein angenommen, dass der DC/DC-Wandler 6 die Eingangsspannung V3 abhängig von dem Referenzsignal S_{REF_V3} einstellt. Das Einstellen der Eingangsspannung V3 der Wandlereinheit 2 kann helfen, die an die Eingangsanschlüsse 21, 22 angeschlossene Gleichspannungsquelle 3 in einem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Dies wird nachfolgend erläutert.
Eine Solarzelle, und daher ein PV-Modul, das mehrere Solarzellen aufweist, wirkt wie ein Leistungsgenerator, die/der eine Ausgangsgleichspannung und einen Ausgangsgleichstrom liefert, wenn sie/es Sonnenlicht ausgesetzt ist. Bei einer gegebenen, durch das PV-Array erhaltenen Lichtleistung gibt es einen Bereich von Ausgangströmen und einen Bereich von zugehörigen Ausgangsspannungen, bei denen das PV-Array betrieben werden kann. Allerdings gibt es nur einen Ausgangsstrom und eine korrespondierende Ausgangsspannung bei der die durch das PV-Array bereitgestellte elektrische Leistung ihr Maximum besitzt. Der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung, bei denen die Ausgangsleistung ihr Maximum erreicht, definieren den maximalen Leistungspunkt (Maximum Power Point, MPP). Der MPP variiert abhängig von der durch das Array erhaltenen Lichtleistung und abhängig von der Temperatur.
Bezugnehmend auf 11 umfasst der Leistungswandler 2 außerdem einen Maximum Power Point Tracker (MPPT) 7, der dazu ausgebildet ist, ein Referenzsignal S_REF-V3 so zu erzeugen, dass der DC/DC-Wandler 6 die Eingangsspannung so einstellt, dass die Gleichspannungsquelle 3 in ihrem MPP betrieben wird. Der MPPT 7 erhält ein Eingangstromsignal S_I3, das den durch die Gleichspannungsquelle 3 (in 9 in gestrichelten Linien dargestellt) bereitgestellten Eingangsstrom I3 repräsentiert, und ein Eingangsspannungssignal SV3, das die durch die Gleichspannungsquelle 3 bereitgestellte Eingangsspannung V3 repräsentiert. Aus dem Eingangstromsignal S_I3 und dem Eingangsspannungssignal S_V3 berechnet der MPPT 7 die momentan durch die Gleichspannungsquelle 3 bereitgestellte Eingangsleistung. Das Eingangsspannungssignal S_V3 kann aus der Eingangsspannung V3 in einer herkömmlichen Weise erhalten werden, beispielsweise unter Verwendung einer Spannungsmessschaltung. Entsprechend kann das Eingangstromsignal S_I3 aus dem Eingangsstrom I3 in herkömmlicher Weise erhalten werden, beispielsweise unter Verwendung einer Strommessschaltung. Solche Spannungsmessschaltungen und Strommessschaltungen sind allgemein bekannt und sind in 11 nicht dargestellt.
Das grundlegende Funktionsprinzip des MPPT 7, um den MPP zu finden, besteht darin, das Referenzsignal S_{REF_V3} innerhalb eines vorgegebenen Signalbereichs zu variieren und die durch die Gleichspannungsquelle 3 bereitgestellte Eingangsleistung für jede der durch die verschiedenen Referenzsignale S_REF-V3 definierten Eingangsspannungen V3 zu ermitteln. Der MPPT 7 ist weiterhin dazu ausgebildet, die Eingangsspannung V3 zu detektieren, bei der die maximale Eingangsleistung erhalten wurde, und schließlich das Referenzsignal S_REF-V3 auf den Wert zu setzen, für den die maximale Eingangsleistung detektiert wurde.
Da die von dem PV-Array 3 erhaltene Solarenergie variieren kann, ist der MPPT 7 weiterhin dazu ausgebildet, zu überprüfen, ob die Gleichspannungsquelle 3 immer noch im maximalen Leistungspunkt betrieben wird, entweder regelmäßig oder wenn es ein Anzeichen gibt, dass sich der maximale Leistungspunkt geändert haben könnte. Ein Anzeichen, dass sich der maximale Leistungspunkt geändert haben könnte, ist beispielsweise, wenn sich der durch das Eingangsstromsignal S_I3 repräsentierte Eingangsstrom I3 ändert, ohne dass sich das Referenzsignal S_REF-V3 geändert hat. Das regelmäßige Überprüfen oder das ereignisgetriebene Überprüfen des MPPT 7, ob die Gleichspannungsquelle 3 immer noch in ihrem maximalen Leistungspunkt betrieben wird, kann denselben Algorithmus umfassen, der zuvor für das erstmalige Detektieren des maximalen Leistungspunkts beschrieben wurde. Herkömmliche Algorithmen zum Detektieren des maximalen Leistungspunkts, die in dem MPPT 7 implementiert sind, umfassen beispielsweise einen ”Hill Climbing”-Algorithmus oder einen ”Perturb-and-Observe”-Algorithmus.
Der DC/DC-Wandler 6 kann wie ein herkömmlicher DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Ein erstes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers, der in der Wandlereinheit 2 verwendet werden kann, ist in 12 dargestellt. Der in 12 dargestellte DC/DC-Wandler ist als Hochsetzsteller ausgebildet. Diese Art von Wandler umfasst eine Reihenschaltung mit einem induktiven Speicherelement 64, wie beispielsweise einer Drossel, und einem Schalter 65 zwischen den Eingangsanschlüssen des DC/DC-Wandlers 6, wobei die Eingangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers 6 den Eingangsanschlüssen 21, 22 der Wandlereinheit 2 entsprechen. Außerdem ist ein Gleichrichterelement 66, wie beispielsweise eine Diode, zwischen einen Schaltungsknoten, der dem induktiven Speicherelement 64 und dem Schalter 65 gemeinsam ist, und einen ersten Ausgangsanschluss 61 des DC/DC-Wandlers 6 geschaltet. Ein zweiter Ausgangsanschluss 62 des DC/DC-Wandlers 6 ist an den zweiten Eingangsanschluss 22 angeschlossen. Eine Ausgangsspannung V6 des DC/DC-Wandlers ist zwischen den Ausgangsanschlüssen 61, 62 verfügbar. Bezugnehmend auf 12 kann der DC/DC-Wandler 6 ein erstes kapazitives Speicherelement 63, wie beispielsweise einen Kondensator, zwischen den Eingangsanschlüssen 21, 22 und ein zweites kapazitives Speicherelement 68, wie beispielsweise einen Kondensator, zwischen den Ausgangsanschlüssen 61, 62 aufweisen. Das zweite kapazitive Speicherelement 68 dient als Energiespeicher, der notwendig ist beim Erzeugen der Ausgangswechselspannung i1 von der am Ausgang des DC/DC-Wandlers 6 verfügbaren Gleichspannung V6.
Der Schalter 65 kann wie ein herkömmlicher elektronischer Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise als MOSFET oder als IGBT. Außerdem könnte das Gleichrichterelement 66 als Synchrongleichrichter ausgebildet sein; das ist ein Gleichrichter, der unter Verwendung eines elektronischen Schalters, wie beispielsweise eines MOSFET oder eines IGBT, realisiert ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Schalter 65 als GaN-HEMT realisiert.
Der DC/DC-Wandler 6 umfasst weiterhin eine Steuerschaltung (Controller) 67 zum Erzeugen eines Ansteuersignals S65 für den Schalter 65. Dieses Ansteuersignal S65 ist ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Ansteuersignal. Der PWM-Controller 67 ist dazu ausgebildet, den Duty-Cycle dieses Ansteuersignals S65 so zu erzeugen, dass die Eingangsspannung V3 der durch das Referenzsignal S_REF-V3 repräsentierten gewünschten Eingangsspannung entspricht. Hierzu erhält die Steuerschaltung 67 das Referenzsignal S_REF-V3 und das Eingangsspannungssignal S_V3, das die Eingangsspannung V3 repräsentiert.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der PWM-Steuerschaltung 67 ist in 13 dargestellt. Wie in 8 (die ein Ausführungsbeispiel des Controllers 5 veranschaulicht) sind in 11 Funktionsblöcke des Controllers 67 dargestellt. Diese Funktionsblöcke können als Analogschaltungen oder Digitalschaltungen ausgebildet sein oder können unter Verwendung von Hardware und Software realisiert sein. Bezugnehmend auf 13 berechnet die Steuerschaltung 67 ein Fehlersignal S_ERR aus dem Eingangsspannungssignal S_V3 und dem Referenzsignal S_REF-V3. Das Fehlersignal S_ERR wird berechnet entweder durch Subtrahieren des Eingangsspannungssignals V3 von dem Referenzsignal S_REF-V3 (wie dargestellt) oder durch Subtrahieren des Referenzsignals S_REF-V3 von dem Eingangsspannungssignal S_V3. Das Fehlersignal S_ERR wird von einem Subtraktionselement 671 bereitgestellt, das das Eingangsspannungssignal S_V3 und das Referenzsignal S_REF-V3 erhält.
Das Fehlersignal S_ERR wird einem Filter 672 zugeführt, das ein Duty-Cycle-Signal S_DC aus dem Fehlersignal S_ERR erzeugt. Das Duty-Cycle-Signal S_DC repräsentiert den Duty-Cycle des Ansteuersignals S65, das durch die Steuerschaltung 67 bereitgestellt wird. Das Filter 672 kann ein herkömmliches Filter zum Erzeugen eines Duty-Cycle-Signals S_DC aus einem Fehlersignal S_ERR in einem PWM-Controller eines DC/DC-Wandlers sein, wie beispielsweise ein P-Filter, ein PI-Filter oder PID-Filter.
Ein PWM-Treiber 673 erhält das Duty-Cycle-Signal S_DC und ein Taktsignal CLK und erzeugt das Ansteuersignal S65 als PWM-Signal mit einer Frequenz, die durch das Taktsignal CLK definiert ist, und einem Duty-Cycle, der durch das Duty-Cycle-Signal S_DC definiert ist. Dieser Treiber 673 kann ein herkömmlicher PWM-Treiber sein, der dazu ausgebildet ist, ein PWM-Ansteuersignal basierend auf einem Taktsignal und einer Duty-Cycle-Information zu erzeugen. Solche Treiber sind allgemein bekannt, so dass diesbezüglich keine weiteren Informationen notwendig sind.
Das grundlegende Funktionsprinzip des Controllers 67 gemäß 12 wird kurz erläutert. Es sei angenommen, dass die Eingangsspannung V12 auf einen durch das Referenzsignal S_REF-V3 repräsentierten Wert eingestellt wurde und dass das Referenzsignal S_REF-V3 sich ändert, so dass die Eingangsspannung V3 erneut eingestellt werden muss. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die Eingangsspannung V3 definiert durch das Referenzsignal S_REF-V3 erhöht werde soll. In diesem Fall reduziert die Steuerschaltung 67 den Duty-Cycle des Ansteuersignals S65. Das Reduzieren des Duty-Cycle des Ansteuersignals S65 führt zu einem sich verringerndem (durchschnittlichen) Eingangsstrom I3, wobei das Verringern des Eingangsstroms I3 bei einer durch die Gleichspannungsquelle 3 bereitgestellten vorgegebenen Leistung zu einer ansteigenden Eingangsspannung V3 führt. Entsprechend wird der Duty-Cycle erhöht, wenn die Eingangspannung V3 verringert werden soll. Ein Erhöhen des Duty-Cycle führt zu einem Ansteigen des Eingangstroms I3.
Der Hochsetzsteller gemäß 12 stellt nicht nur eine Last für die Gleichspannungsquelle 3 dar, um die Gleichspannungsquelle 3 in ihrem maximalem Leistungspunkt zu betreiben. Der Hochsetzsteller erzeugt auch eine Ausgangsspannung v6, die der DC/AC-Wandler 4 (vgl. 11) erhält, die höher ist als die Eingangsspannung V3. Außerdem ist der Hochsetzsteller so ausgebildet, dass die Ausgangsspannung V6 höher ist als eine Spitzenspannung der Ausgangsspannung v2 des DC/AC-Wandlers, jedoch niedriger als eine Spannungsfestigkeit der Schalter (vgl. 42 ₁, 42 ₄ in 6), die in dem DC/AC-Wandler ausgebildet sind.
Bezugnehmend auf 14 kann der DC/DC-Wandler 6 auch als Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Dieser Tiefsetzsteller umfasst eine Reihenschaltung mit einem induktiven Speicherelement 64, wie beispielsweise eine Drossel, und einem Schalter 65 zwischen dem ersten Eingangsanschluss 21 und dem ersten Ausgangsanschluss 61. Ein Freilaufelement 66, wie beispielsweise eine Diode, ist zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 62 und einem Schaltungsknoten, der dem induktiven Speicherelement 64 und dem Schalter 65 gemeinsam ist geschaltet. Ein kapazitives Speicherelement 63, wie beispielsweise ein Kondensator, ist zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 geschaltet.
Wie bei dem Hochsetzsteller gemäß 12 kann der Schalter 65 in dem Tiefsetzsteller gemäß 16 wie ein herkömmlicher elektronischer Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise als ein MOSFET oder ein IGBT, oder könnte als GaN-HEMT ausgebildet sein. Außerdem könnte das Freilaufelement 66 als Synchrongleichrichter ausgebildete sein.
Wie bei dem Hochsetzsteller gemäß 12 wird der Schalter 65 in dem Tiefsetzsteller gemäß 14 durch ein PWM-Ansteuersignal 65 angesteuert, dass durch eine Steuerschaltung 67 bereitgestellt wird. Die Steuerschaltung 67 kann wie in 13 dargestellt ausgebildet sein. Das Funktionsprinzip der Steuerschaltung 67 in dem Tiefsetzsteller gemäß 14 ist das gleiche bei dem Hochsetzsteller gemäß 12, d. h. der Duty-Cycle des Ansteuersignals S65 wird erhöht, wenn die Eingangsspannung V3 verringert werden soll, und der Duty-Cycle wird verringert, wenn die Eingangsspannung V3 erhöht werden soll.
Es sei erwähnt, dass das Realisieren des DC/DC-Wandlers 6 als Hochsetzsteller (vgl. 12) oder als Tiefsetzsteller (vgl. 14) nur ein Beispiel ist. Der DC/DC-Wandler 6 könnte auch als Tiefsetz-Hochsetz-Wandler, als Hochsetz-Tiefssetz-Wandler, als Sperrwandler, usw., ausgebildet sein. Ob ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller als DC/DC-Wandler zum Verfolgen des maximalen Leistungspunkts der Gleichspannungsquelle 3 und zum Bereitstellen der Eingangsspannung V6 für den DC/AC-Wandler 4 verwendet wird, beeinflusst die Anzahl der Wandlereinheiten 2, die in Reihe geschaltet werden müssen, damit die Summe der Ausgangsspannungen v2 der Wandlereinheiten 2 der externen Wechselspannung v1 entspricht. Dies wird nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert.
Es sei angenommen, dass eine externe Spannung v1 mit 240 V_RMS gewünscht ist. Die Spitzenspannung (maximale Amplitude) dieser Spannung v1 ist 338 V (240 V·sqrt(2), wobei sqrt die Quadratwurzel ist). Außerdem sei angenommen, dass die Gleichspannungsquellen 3 PV-Arrays sind, die eine Ausgangsspannung zwischen 24 V und 28 V liefern, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt sind. Der DC/AC-Wandler 4 besitzt ein Tiefsetzstellverhalten, d. h., dass die Spitzenspannung der Ausgangsspannung v2 (vgl. 4) geringer ist als die erhaltene Eingangsgleichspannung V3 bzw. V6. Wenn also Tiefsetzsteller als DC/DC-Wandler 6 in der Wandlereinheit 2 verwendet werden oder wenn keine DC/DC-Wandler verwendet werden, müssen wenigstens 15 Wandlereinheiten mit daran angeschlossenen PV-Paneelen in Reihe geschaltet werden. Dies basiert auf der Annahme, dass jedes PV-Array eine minimale Spannung von V3 = 24 V erzeugt und dass eine Spitzenspannung der externen Wechselspannung v3 338 V ist. Die Anzahl 15 wird erhalten einfach durch Dividieren von 338 V durch 24 V (338 V/24 V = 14,08) und Runden des Ergebnisses auf die nächst höhere ganze Zahl.
Wenn allerdings ein Hochsetzsteller als DC/DC-Wandler 6 verwendet wird, der eine Ausgangsspannung V6 = 60 V aus der Eingangsspannung V3 (die zwischen 24 V und 28 V ist) erzeugt, kann die in Reihe zu schaltende Anzahl von Wandlereinheiten 2 auf etwa 6 reduziert werden.
Bei dem in 11 dargestellten DC/AC-Wandler kann die Ausgangsspannung V6 des DC/DC-Wandlers abhängig von der an den Eingangsanschlüssen 21, 22 von der Gleichspannungsquelle 3 erhaltenen Leistung und abhängig von dem Ausgangsstrom i1 bzw., genauer, abhängig von dem Durchschnitt des Ausgangsstroms i1, variieren. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 15 dargestellt ist, ist die Steuerschaltung 5 weiterhin dazu ausgebildet, die Eingangsspannung des DC/AC-Wandlers 4 bzw. die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 6 zu regeln. Hierzu erhält die Steuerschaltung 5 ein Eingangsspannungssignal S_V6, das die Eingangsspannung V6 repräsentiert. Die Steuerschaltung 5 ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung V6 durch Variieren des Duty-Cycle der Schalter in dem DC/AC-Wandler 4 einzustellen, die getaktet angesteuert sind. Die Eingangsspannung kann erhöht werden durch Verringern des Duty-Cycle und kann verringert werden durch allgemeines Erhöhen des Duty-Cycle. Hierzu umfasst die Steuerschaltung 5 eine weitere Regelschleife, wobei diese Regelschleife langsamer ist als die Regelschleife, die bewirkt, dass der Ausgangsstrom i1 dem Referenzsignal S_REF folgt. Diese Regelschleife ist beispielsweise dazu ausgebildet, Variationen des Duty-Cycle mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 10 Hz zu bewirken.
Die Steuerschaltung gemäß 15 basiert auf der in 8 dargestellten Steuerschaltung und umfasst zusätzlich eine weitere Regelschleife, die dazu dient, die Amplitude des Ausgangsstromreferenzsignals S_i1-REF abhängig von dem Eingangsspannungssignal S_V6 einzustellen. Anstatt mit der Regelschleife, die in 8 dargestellt ist, könnte die Steuerschaltung gemäß 15 auch basierend auf der Steuerschaltung gemäß 10 realisiert sein. Bezugnehmend auf 15 umfasst die Regelschleife: ein weiteres Subtraktionselement 56, ein Filter 55 und einen Multiplizierer. Das Subtraktionselement 56 erhält das Eingangsspannungssignal S_V6 und ein Referenzsignal S_V6-REF, das einen Sollwert der Eingangsspannung V6 repräsentiert. Das Subtraktionselement 56 erzeugt ein weiteres Fehlersignal abhängig von einer Differenz zwischen dem Eingangsspannungssignal S_V6 und dem Referenzsignal S_V6-REF. Das Filter 55 erhält das weitere Fehlersignal und erzeugt ein Amplitudensignal S_AMPL, das eine Amplitude des Referenzsignals S_REF repräsentiert, aus dem weiteren Fehlersignal. Das Filter kann ein P-Verhalten, ein I-Verhalten, ein PI-Verhalten oder ein PID-Verhalten aufweisen. Das Amplitudensignal S_AMPL und das Ausgangssignal des VCO 52 werden von einem Multiplizierer 57 erhalten, der das Ausgangsstromreferenzsignal S_i1-REF liefert. Das Ausgangsstromreferenzsignal S_i1-REF besitzt eine Amplitude, die abhängig ist von der Eingangsspannung V6 und dient dazu, die Eingangsspannung V6 des DC/AC-Wandlers (4 in 11) und eine Frequenz und Phase des Ausgangsstroms i1 zu regeln. Die Frequenz und die Phase des Referenzsignals S_REF sind abhängig von dem wenigstens einen Messsignal S_v1 und dem Ausgangsstromsignal S_i1 und dienen dazu, die Frequenz und die Phase des Ausgangsstroms i1 so einzustellen, dass eine gegebene Phasendifferenz zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung vorhanden ist.
Das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V6-REF kann einen festen Wert aufweisen, der so gewählt ist, dass die Eingangsspannung V6 ausreichend unterhalb der Spannungsfestigkeit der in dem DC/AC-Wandler verwendeten Schalter ist. Es ist jedoch auch möglich, das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V6-REF abhängig von dem Ausgangsstrom, insbesondere abhängig von dem Effektivwert des Ausgangsstroms i1 zu regeln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel nimmt das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V6-REF ab, wenn der Ausgangsstrom i1 zunimmt, und das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V6-REF nimmt zu, wenn der Ausgangsstrom abnimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V6-REF einen ersten Signalwert, wenn der Ausgangstrom i1 unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt, und besitzt einen niedrigeren zweiten Signalpegel, wenn der Ausgangstrom i1 oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt.
Die in 15 dargestellte Steuerschaltung könnte auch in einem Wandler implementiert sein, wie er in 6 dargestellt ist und bei dem der DC/DC-Wandler weggelassen ist. In diesem Fall ist die zu regelnde Eingangsspannung die Ausgangsspannung V3 des PV-Moduls, so dass das Spannungssignal S_V6 in 15 durch das die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 3 repräsentierende Spannungssignal S_V3 ersetzt ist und das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V6-REF durch das Referenzsignal S_V3-REF, das die gewünschte Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 3 repräsentiert, ersetzt ist. Das Eingangspannungsreferenzsignal S_V3-REF kann in diesem Fall durch einen MPPT bereitgestellt werden, um die Gleichspannungsquelle (PV-Modul) 3 in ihrem MPP zu betreiben.
16 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers 6, der in einer DC/AC-Wandlereinheit 2 gemäß 11 implementiert sein kann. Der DC/DC-Wandler gemäß 16 ist als Hochsetzsteller mit zwei Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ ausgebildet. Die zwei Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ sind parallel zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 und die Ausgangsanschlüsse 61, 62 geschaltet. Jede der Wandlereinheiten 60 ₁, 60 ₂ ist wie der Hochsetzsteller gemäß 12 ausgebildet und umfasst eine Reihenschaltung mit einem induktiven Speicherelement 64 ₁, 64 ₂, wie beispielsweise eine Drossel, und einem Schalter 65 ₁, 65 ₂ zwischen den Eingangsanschlüssen des DC/DC-Wandlers 6, wobei die Eingangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers 6 den Eingangsanschlüssen 21, 22 der Wandlereinheit 2 entsprechen. Außerdem umfasst jede Wandlerstufe ein Gleichrichterelement 66 ₁, 66 ₂, wie beispielsweise eine Diode, die zwischen einen Schaltungsknoten, der dem zugehörigen induktiven Speicherelement 64 ₁, 64 ₂ und dem zugehörigen Schalter 65 ₁, 65 ₂ gemeinsam ist, und den ersten Ausgangsanschluss 61 des DC/DC-Wandlers 6 geschaltet ist. Der zweite Ausgangsanschluss 62 des DC/DC-Wandlers 6 ist an den zweiten Eingangsanschluss 22 angeschlossen.
Die zwei Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ teilen sich das erste kapazitive Speicherelement 63 zwischen den Eingangsanschlüssen 21, 22 und teilen sich das zweite kapazitive Speicherelement 68 zwischen den Ausgangsanschlüssen 61, 62. Die Ausgangsspannung V6 des DC/DC-Wandlers 6 ist über dem zweiten kapazitiven Speicherelement 68 verfügbar.
Bezugnehmend auf 16 erzeugt die Steuerschaltung (Controller) 67 des DC/DC-Wandlers 6 zwei PWM-Ansteuersignale S65₁, S65₂, nämlich ein erstes Ansteuersignal S65₁ für den Schalter 65 ₁ der ersten Wandlerstufe 60 ₁ und ein zweites Ansteuersignal S65₂ für den Schalter 65 ₂ der zweiten Wandlerstufe 60 ₂. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die ersten und zweiten Hochsetzstellerstufen 60 ₁, 60 ₂ versetzt (engl.: interleaved) betrieben, d. h., dass ein Zeit-Offset zwischen den Schaltzyklen des ersten Schalters 65 ₁ und den Schaltzyklen des zweiten Schalters 65 ₂ vorhanden ist. Das Bereitstellen von zwei Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ und das Betreiben dieser Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ in einem zeitversetzten Betrieb (engl.: interleaved mode) hilft, eine Spannungswelligkeit der Eingangsspannung V3 und der Ausgangsspannung V6 des DC/DC-Wandlers 6 zu reduzieren. Selbstverständlich können mehr als zwei Hochsetzstellerstufen 60 ₁, 60 ₂ parallel geschaltet werden.
Bezugnehmend auf 16 liefert jede Hochsetzstellerstufe 60 ₁, 60 ₂ einen Ausgangsstrom I6₁, I6₂. Diese Ausgangsströme I6₁, I6₂ addieren sich und bilden den Gesamtausgangsstrom I6 des DC/DC-Wandlers. 17 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel des Controllers 67, der dazu ausgebildet ist, PWM-Ansteuersignale S65₁, S65₂ für jede Wandlerstufe 60 ₁, 60 ₂ zu erzeugen, und weiterhin dazu ausgebildet ist, die PWM-Ansteuersignale S65₁, S65₂ so zu erzeugen, dass die Ausgangsströme I6₁, I6₂ der Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ ausgeglichen sind.
Bezugnehmend auf 17 basiert die Steuerschaltung 67 auf der Steuerschaltung 67 gemäß 13 und umfasst das Subtraktionselement 671, das das Eingangspannungssignal S_V3 und das Eingangsspannungsreferenzsignal S_REF-V3 erhält, und das Filter 672 zum Bereitstellen des Duty-Cycle-Signals S_DC. Der Controller 67 gemäß 17 umfasst außerdem einen ersten PWM-Treiber 673 ₁, der ein erstes Duty-Cycle-Signal S_DC1 erhält, das abhängig ist von dem durch das Filter 672 bereitgestellten Duty-Cycle-Signal S_DC, und der ein erstes Taktsignal CLK₁ erhält, und einen zweiten PWM-Treiber 673 ₂, der ein zweites Duty-Cycle-Signal S_DC2 erhält, das abhängig ist von dem durch das Filter 672 bereitgestellten Duty-Cycle-Signal S_DC, und der ein zweites Taktsignal CLK₂ erhält. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzen die ersten und zweiten Taktsignale CLK₁, CLK₂ dieselbe Frequenz. Allerdings ist eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Taktsignal CLK₁, CLK₂ vorhanden, so dass eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten PWM-Ansteuersignal S65₁, das durch den ersten PWM-Treiber 673 ₁ bereitgestellt wird, und dem zweiten PWM-Ansteuersignal S65₂, das durch den zweiten PWM-Treiber 673 ₂ bereitgestellt wird, vorhanden ist.
Wenn die ersten und zweiten Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ perfekt übereinstimmen würden, so dass nicht die Gefahr ungleicher Ausgangsströme I6₁, I6₂ bestehen würde, könnte das Duty-Cycle-Signal S_DC als das erste Duty-Cycle-Signal S_DC1 und als das zweite Duty-Cycle-Signal S_DC2 verwendet werden. Aufgrund unvermeidlicher Abweichungen der Bauelemente in den Wandlerstufen 60 ₁, 60 ₂ können die Ausgangsströme I6₁, I6₂ ungleich sein, wenn die ersten und zweiten Ansteuersignale S65₁, S65₂ mit exakt demselben Duty-Cycle erzeugt würden.
Um solche Ungleichheiten der ersten und zweiten Ausgangsströme I61, I62 zu kompensieren, umfasst der Controller 67 gemäß 17 eine zusätzliche Regelschleife, die als Stromausgleichsschleife oder Leistungsausgleichsschleife bezeichnet werden kann. Diese Regelschleife erhält ein erstes Ausgangsstromsignal S_I61, das den ersten Ausgangstrom I6₁ der ersten Wandlerstufe 60 ₁ repräsentiert, und ein zweites Ausgangsstromsignal, S_I62, das den Ausgangsstrom I6₂ der zweiten Wandlerstufe 60 ₂ repräsentiert. Diese Ausgangsstromsignale S_I61, S_I62 können unter Verwendung herkömmlicher Strommesseinheiten erzeugt werden. Die Ausgangsstromsignale S_I61, S_I62 werden von einer Subtraktionseinheit 675 erhalten, die ein weiteres Fehlersignal S_ERR2 erzeugt. Das weitere Fehlersignal S_ERR2 repräsentiert eine Differenz zwischen den ersten und zweiten Ausgangsströmen I6₁, I6₂. Das weitere Fehlersignal S_ERR2 wird von einem Filter 676 erhalten, das ein gefiltertes Fehlersignal erzeugt. Das Filter 676 kann ein P-Verhalten, ein I-Verhalten, oder ein PI-Verhalten besitzen.
Eine weitere Subtraktionseinheit 674 ₁ subtrahiert das gefilterte Fehlersignal von dem Duty-Cycle-Signal S_DC, um das erste Duty-Cycle-Signal S_DC1 zu erzeugen, und ein Addierer 674 ₂ addiert das gefilterte Fehlersignal zu dem Duty-Cycle-Signal S_DC, um das zweite Duty-Cycle-Signal S_DC2 zu erzeugen.
Das Funktionsprinzip des Controllers 67 gemäß 17 ist wie folgt. Wenn die ersten und zweiten Ausgangsströme I6₁, I6₂ identisch sind, ist das weitere Fehlersignal S_ERR2 Null. In diesem Fall entspricht das erste Duty-Cycle-Signal S_DC1 dem zweiten Duty-Cycle-Signal S_DC2. Wenn beispielsweise der erste Ausgangsstrom I6₁ größer ist als der zweite Ausgangsstrom I6₂, besitzen das weitere Fehlersignal S_ERR2 und das gefilterte Fehlersignal einen positiven Wert. In diesem Fall wird das Duty-Cycle-Signal S_DC1, das durch Subtrahieren des gefilterten Fehlersignals von dem Duty-Cycle-Signal S_DC erhalten wird, kleiner als das zweite Duty-Cycle-Signal S_DC2 (das durch Addieren des gefilterten Fehlersignals zu dem Duty-Cycle-Signal S_DC erhalten wird). Dadurch wird der Duty-Cycle des ersten Ansteuersignals S65₁ kleiner als der Duty-Cycle des zweiten Ansteuersignals S65₂, um den ersten Ausgangsstrom I6₁ zu reduzieren und den zweiten Ausgangsstrom I6₂ zu erhöhen, um diese Ausgangströme I6₁, I6₂ anzugleichen.
18 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung 67, die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsströme I6₁, I6₂ anzugleichen. Die Steuerschaltung 67 gemäß 18 basiert auf der Steuerschaltung 67 gemäß 17. Bei der Steuerschaltung 67 gemäß 18 erhält die Subtraktionseinheit 674 ₁, die das erste Duty-Cycle-Signal S_DC1 erzeugt, nicht das Duty-Cycle-Signal S_DC sondern erhält eine gefilterte Version einer Differenz zwischen dem Duty-Cycle-Signal S_DC und dem ersten Ausgangsstromsignal S_I61. Eine Subtraktionseinheit 677 ₁ berechnet die Differenz und ein Filter 678 ₁ filtert die Differenz. Das Filter kann ein P-Verhalten, ein I-Verhalten oder ein PI-Verhalten besitzen. Entsprechend erhält der Addierer 6742, der das zweite Duty-Cycle-Signal S_DC2 bereitstellt, nicht das Duty-Cycle-Signal S_DC, sondern erhält eine gefilterte Differenz zwischen dem Duty-Cycle-Signal S_DC und dem zweiten Eingangsstromsignal S_I62. Die Subtraktionseinheit 677 ₂ berechnet die Differenz zwischen dem Duty-Cycle-Signal S_DC und dem zweiten Ausgangsstromsignal S_I62, und ein Filter 678 ₂ filtert die Differenz. Die Ausgangssignale der Filter 678 ₁, 678 ₂ werden durch die Subtraktionseinheit 674 ₁ bzw. den Addierer 674 ₂ erhalten.
Während bei dem in 17 dargestellten Ausführungsbeispiel eine einzige Regelschleife verwendet wird, um die Eingangsspannung V3 zu regeln, wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 18 eine doppelte Regelschleifenstruktur verwendet.
19 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 2 mit einem DC/AC-Wandler 4. Die Wandlereinheit 2 kann außerdem einen DC/DC-Wandler 6 (vgl. 9) aufweisen, der zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 und den DC/AC-Wandler geschaltet ist. Allerdings ist ein solcher DC/DC-Wandler in 13 nicht dargestellt. Abhängig davon, ob die Wandlereinheit 2 eine DC/DC-Wandlereinheit aufweist, erhält der DC/AC-Wandler 4 die Eingangsspannung V3 der Wandlereinheit oder die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers (in 19 nicht dargestellt) als Eingangsspannung. Lediglich zu Zwecken de Erläuterung sei angenommen, dass der DC/AC-Wandler 4 die Eingangsspannung V3 erhält.
Der DC/AC-Wandler gemäß 19 umfasst einen Tiefsetsteller 80, der die Eingangsspannung V3 als Eingangsspannung erhält. Der Tiefsetzsteller 80 ist dazu ausgebildet, einen Ausgangsstrom i80 zu erzeugen, der eine gleichgerichtete Version des Ausgangstroms i1 des DC/AC-Wandlers 4 ist. Es sei beispielsweise angenommen, dass ein gewünschter Signalverlauf des Ausgangsstroms i1 ein sinusförmiger Signalverlauf ist. In diesem Fall besitzt der durch den Wandler 80 bereitgestellte Ausgangsstrom i80 den Signalverlauf einer gleichgerichteten Sinuskurve bzw. den Signalverlauf des Betrags einer Sinuskurve. Dies ist schematisch in 20 dargestellt, in der beispielhaft Zeitverläufe eines sinusförmigen Ausgangsstroms i1 und des zugehörigen Ausgangsstroms i80 des Wandlers 80 dargestellt sind.
Der Ausgangsstrom i1 des DC/AC-Wandlers 4 wird aus dem Ausgangsstrom i80 des Tiefsetzstellers 80 unter Verwendung einer Brückenschaltung 85 mit zwei Halbbrücken erzeugt, wobei jede dieser Halbbrücken zwischen Ausgangsanschlüsse 81, 82 des Tiefsetzstellers 80 geschaltet ist. Diese Brückenschaltung 85 kann als Auffaltbrücke bezeichnet werden. Eine erste Halbbrücke umfasst einen ersten und einen zweiten Schalter 85 ₁, 85 ₂, die in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse 81, 82 geschaltet sind, und eine zweite Halbbrücke umfasst einen dritten Schalter 85 ₃ und einen vierten Schalter 85 ₄, die in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse 81, 82 geschaltet sind. Ein Ausgangsanschluss der ersten Halbbrücke, der ein den ersten und zweiten Schaltern 85 ₁, 85 ₂ gemeinsamen Knoten ist, ist an den ersten Ausgangsanschluss 23 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluss der zweiten Halbbrücke, der ein den ersten und dritten Schaltern 85 ₃, 85 ₄ gemeinsamer Schaltungsknoten ist, ist an den zweiten Ausgangsanschluss 24 der Wandlereinheit 2 gekoppelt. Optional ist ein EMV-Filter 88 mit zwei Induktivitäten, wie beispielsweise Drosseln, zwischen die Ausgangsanschlüsse der Halbbrücken und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 der Wandlereinheit 2 geschaltet. Die Ausgangskapazität C der Wandlereinheit 2, die zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltet sind, kann Teil des EMV-Filters 88 sein.
Bezugnehmend auf 19 besitzt der Ausgangsstrom i80 des Tiefsetzstellers 80 eine Frequenz, die das doppelte der Frequenz des Ausgangsstroms i1 ist. Eine Schaltfrequenz der Schalter 85 ₁–85 ₄ der Brückenschaltung 85 entspricht der Frequenz des Ausgangsstroms i1. Während einer positiven Halbwelle des Ausgangsstroms i1 sind der erste und vierte Schalter 85 ₁, 85 ₄ eingeschaltet und während einer negativen Halbwelle der Ausgangsspannung v2 sind der zweite und dritte Schalter 85 ₂, 85 ₃ eingeschaltet. Die Schalter der Brückenschaltung 85 werden durch Ansteuersignale S85₁–S85₄, die durch eine Ansteuerschaltung 88 bereitgestellt werden, angesteuert. Zeitverläufe dieser Ansteuersignale S85₁–S85₄ sind in 20 ebenfalls dargestellt. In 20 repräsentiert ein hoher Signalpegel dieser Zeitverläufe einen Ein-Pegel des zugehörigen Ansteuersignals S85₁–S85₄. Ein Ein-Pegel des Ansteuersignals ist ein Signalpegel, bei dem der zugehörige Schalter eingeschaltet ist. Die Ansteuersignale S85₁–S85₄ können beispielsweise abhängig von der Ausgangsspannung v80 des Tiefsetzstellers erzeugt werden, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel die Ansteuerschaltung 88 den Schaltzustand der Schalter jedes Mal dann ändert, wenn die Ausgangsspannung v80 auf 0 abgesunken ist. ”Das Ändern des Schaltzustands” bedeutet entweder das Einschalten der ersten und vierten Schalter 85 ₁, 85 ₄ und das Ausschalten der anderen zwei Schalter oder bedeutet das Einschalten des zweiten und dritten Schalters 85 ₂–85 ₃ und das Ausschalten der anderen zwei Schalter.
Der Tiefsetzsteller 8 kann eine herkömmliche Tiefsetzstellertopologie aufweisen und kann einen Schalter 83 aufweisen, der in Reihe zu einem induktiven Speicherelement geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung zwischen den ersten Eingangsanschluss 21 der Wandlereinheit 2 oder den ersten Ausgangsanschluss 61 eines DC/DC-Wandlers (nicht dargestellt) und den ersten Ausgangsanschluss 81 des Tiefsetzstellers 80 geschaltet ist. Ein Gleichrichterelement 86 ist zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 82 (der dem zweiten Eingangsanschluss 22 entspricht) des Tiefsetzstellers und einen dem Schalter 83 und dem induktiven Speicherelement 84 gemeinsamen Schaltungsknoten geschaltet. Der Schalter 83 kann als herkömmlicher elektronischer Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise als ein MOSFET oder ein IGBT oder als ein GaN-HEMT. Das Gleichrichterelement 86 kann als Diode oder als Synchrongleichrichter ausgebildet sein. Außerdem ist ein kapazitives Speicherelement 85, wie beispielsweise ein Kondensator, zwischen die Eingangsanschlüsse des Tiefsetzstellers 80 geschaltet und ein optionaler Glättungskondensator 89 ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 81, 82 geschaltet.
Der Schalter 83 des Tiefsetzstellers 80 wird angesteuert durch ein PWM-Ansteuersignal S83, das durch eine Steuerschaltung oder einen Controller 87 erzeugt wird. Der Controller 87 des Tiefsetzstellers 80 erhält das Referenzsignal S_REF von dem Controller 5 der Wandlereinheit 2. Der Controller 87 des Tiefsetzstellers 80 ist dazu ausgebildet, seinen Ausgangstrom I80 entsprechend dem Referenzsignal S_REF zu erzeugen. Dieses Referenzsignal S_REF gemäß 19 besitzt, anders als das Referenzsignal S_REF gemäß 11, nicht den Signalverlauf des Ausgangsstroms i1, sondern besitzt den Signalverlauf des gleichgerichteten Ausgangsstroms i1. Dieses Referenzsignal S_REF wird ebenfalls aus dem Messsignal S_v1 und dem Ausgangsstromsignal S_i1 erzeugt.
Der Controller 5 zum Erzeugen des Referenzsignals S_REF gemäß 19 kann dem in den 8 und 15 dargestellten Controllern entsprechen, mit dem Unterschied, dass das am Ausgang des Oszillators 53 bereitgestellte oszillierende Signal gleichgerichtet wird. Ein Ausführungsbeispiel des Controllers 5 gemäß 19 ist in 21 dargestellt. Dieser Controller 5 entspricht dem Controller gemäß 8, mit dem Unterschied, dass das Ausgangssignal des Filters 53 von einem Gleichrichter 58 erhalten wird, der einer gleichgerichteten Version des oszillierenden Ausgangssignals des Oszillators 53 entspricht. Mathematisch ist dies äquivalent zum Bilden des Absolutwertes des oszillierenden Ausgangssignals des Oszillators 53. Das Referenzsignal S_REF ist am Ausgang des Gleichrichters 58 verfügbar.
22 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Controllers 5, der in dem DC/AC-Wandler 4 gemäß 19 realisiert sein kann. Der Controller 5 gemäß 22 basiert auf dem Controller 5 gemäß 15, mit dem Unterschied, dass das Amplitudensignal S_AMPL erzeugt wird aus dem Eingangsspannungssignal S_V3, das die durch die Gleichspannungsquelle 3 gelieferte Eingangsspannung V3 repräsentiert, und aus dem Eingangsspannungsreferenzsignal S_REF-V3. Das Eingangsspannungsreferenzsignal S_REF-V3 kann durch einen MPPT erzeugt werden, wie beispielsweise einem MPPT 7, wie er anhand von 11 erläutert wurde.
Die in den 15, 21 und 22 dargestellten Regelschleifen können selbstverständlich dahingehend geändert werden, dass sie auf der Regelschleifenstruktur gemäß 10, anstatt der von 8 basieren.
Bezugnehmend auf 19 kann der Controller 87 des Tiefsetzstellers 80 wie ein herkömmlicher Controller zum Bereitstellen eines PWM-Ansteuersignals in einem Tiefsetzsteller realisiert sein. Der Controller 86 erhält das Referenzsignal S_REF und ein Ausgangsstromsignal S_i80 wobei das Ausgangsstromsignal S_i80 den Ausgangsstrom i80 des Tiefsetzstellers 80 repräsentiert. Der Controller 86 ist dazu ausgebildet, den Duty-Cycle des Ansteuersignals S83 so zu variieren, dass der Ausgangsstrom i80 des Tiefsetzstellers zu dem Referenzsignal S_REF korrespondiert. Die Funktionalität dieses Controllers 86 entspricht der Funktionalität des Controllers 67, der in 13 dargestellt ist. Bei dem in 19 dargestellten Ausführungsbeispiel erhält der Controller das Ausgangsstromsignal S_i1, das den Ausgangsstrom i1 repräsentiert, und das Messsignal S_v1 zum Erzeugen des Referenzsignals S_REF. Es wäre auch möglich, das Referenzsignal S_REF basierend auf Signalen zu erzeugen, die der Ausgangsspannung v80 und den Ausgangsstrom i80 des Tiefsetzstellers 80 repräsentieren. In diesem Fall wird das Referenzsignal so erzeugt, dass der Ausgangsstrom i80 und die Ausgangsspannung v80 des Tiefsetzstellers 80 eine vorgegebene Phasendifferenz besitzen.
Das Funktionsprinzip einer Leistungswandlerschaltung 1, die einen anhand von 19 dargestellten DC/AC-Wandler 4 aufweisen, wird nun anhand der 1 und 19 erläutert. Die Erläuterung basiert auf der Annahme, dass die Spannung des Spannungsnetzes 100 eine sinusförmige Spannung ist, so dass ein Ausgangsstrom i1 mit einem sinusförmigen Signalverlauf gewünscht ist. Außerdem sei angenommen, dass die Eingangsleistungen der einzelnen DC/AC-Wandler Null sind, während die Spannungsnetzspannung v_N an die Eingangsanschlüsse 11, 12 angelegt wird, und dass die Brückenschaltung 85 in den einzelnen Wandlereinheiten im Betrieb sind. In diesem Fall sind die Glättungskondensatoren 89 der Tiefsetzsteller in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse 11, 12 geschaltet. Wenn die einzelnen Kondensatoren 89 dieselbe Größe besitzen, ist die Spannung über jedem dieser Kondensatoren 89 das 1/n-fache der Spannungsnetzspannung v_N.
Es sei nun angenommen, dass die DC/AC-Wandler eine Eingangsleistung von den daran angeschlossenen PV-Modulen 3 erhalten. Die DC/AC-Wandler stellen dann ihren gemeinsamen Ausgangsstrom i1 so ein, dass er in Phase ist mit der externen Spannung v1 (der Spannungsnetzspannung). Die Amplitude des Ausgangsstroms i1 wird insbesondere geregelt über die Eingangsspannung V3, wobei der Strom erhöht wird, wenn die Spannung V3 ansteigt, und der Strom verringert wird, wenn die Spannung V3 absinkt.
Wenn der durch einen DC/AC-Wandler bereitgestellte Ausgangsstrom i1 abnimmt, wird durch den Ausgangskondensator C ein Strom bereitgestellt, der einer Differenz zwischen dem Ausgangsstrom i1 und dem gemeinsamen Ausgangsstrom i1_OUT entspricht, was bewirkt, dass die Spannung v2 über dem Ausgangskondensator C absinkt, bis die dem DC/AC-Wandler zugeführte Eingangsleistung dessen Ausgangsleistung entspricht. Ein Absinken der Spannung v2 über dem Ausgangskondensator 89 eines DC/AC-Wandlers 4 oder einer Wandlereinheit 2 bewirkt ein Ansteigen der Spannungen über den Ausgangskondensatoren der anderen Wandlereinheiten. Dieser Prozess schreitet fort, bis die Wandlereinheit 2 sich auf einen stabilen Arbeitspunkt über einen niedrigeren Ausgangsstrom i1 eingeregelt hat. Wenn die anderen Wandlereinheiten 2 zunächst weiterhin bei demselben Duty-Cycle betrieben werden, führt das Ansteigen der Spannungen über deren Ausgangskondensatoren zu einem Absinken von deren Ausgangsströmen i1 (und dadurch zu einem Absinken des gemeinsamen Ausgangsstroms), um deren Ausgangsleistungen gleich deren Eingangsleistungen zu halten. Wenn der Ausgangsstrom i1, der durch einen DC/AC-Wandler bereitgestellt wird, ansteigt, so dass er höher ist als der gemeinsame Ausgangsstrom i1_OUT, wird der zugehörige Ausgangskondensator C geladen, was zu einem Ansteigen der Spannung über dem Ausgangskondensator C des einen Wandlers und zu einem Absinken der Spannung über den Ausgangskondensatoren der anderen Wandler führt.
Anhand der zuvor gemachten Erläuterungen wurde offensichtlich, dass außer den Regelschleifen in den einzelnen Wandlereinheiten 2 keine zusätzliche Regelschleife benötigt wird, um die Ausgangsspannungen der einzelnen Wandlereinheiten 2 zu regeln. Die Leistungswandlerschaltung 1 mit den Wandlereinheiten 2 ist ”selbst organisierend”. Bezugnehmend auf 1 sei beispielsweise angenommen, dass im eingeschwungenen Zustand die durch die erste Gleichspannungsquelle 3 ₁ an die erste Wandlereinheit 2 gelieferte Eingangsspannung absinkt, beispielsweise weil das zugehörige PV-Array beschattet ist. Die Ausgangsspannung v2₁ der zugehörigen Wandlereinheit 2 würde dann absinken, während die Ausgangsspannungen der anderen Wandlereinheiten 2 ₂, 2 _n ansteigen würden, um der durch Gleichung (1) definierten Bedingung zu genügen. Der Übergangsprozess ist wie folgt: Wenn die durch die erste Wandlereinheit 2 ₁ erhaltene Eingangsleistung absinkt, bleibt der gemeinsame Ausgangsstrom i1_OUT zunächst unverändert, während der Ausgangsstrom i1₁ der ersten Wandlereinheit 2 ₁ absinkt. Das Absinken des Ausgangsstroms i1₁ und der unveränderte gemeinsame Ausgangsstrom i_OUT1 bewirkt ein Entladen des Ausgangskondensators C₁ der ersten Wandlereinheit 2 ₁, so dass die Ausgangsspannung v2₁ absinkt. Ein Absinken der Ausgangsspannung der ersten Wandlereinheit bewirkt jedoch ein Ansteigen der Ausgangsspannungen der anderen Wandler, die nun ihre Ausgangsströme reduzieren, um deren Ausgangsleistungen gleich deren Eingangsleistungen zu halten. Der Übergangsprozess endet, wenn sich ein ”neuer” gemeinsamer Ausgangsstrom i_OUT eingestellt hat, der den einzelnen Ausgangsströmen i1 entspricht. Dies ist ein selbstorganisierender und selbststabilisierender Prozess, der keine zusätzliche Regelschleife, außer den Regelschleifen in den einzelnen zuvor erläuterten Wandlereinheiten benötigt.
23 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung. Bei dieser Leistungswandlerschaltung sind zwei Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II, die jeweils eine Gruppe mit mehreren Wandlereinheiten 2 _I1–2 _In und 2 _II1–2 _In, die in Reihe geschaltet sind, parallel zwischen die Ausgangsanschlüsse 11, 12 geschaltet. Jede dieser Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II kann entsprechend der Reihenschaltung 1 mit Wandlereinheiten 2 ₁–2 _n, die zuvor erläutert wurde, realisiert sein. Die Wandlereinheiten der zwei Gruppen (die zwei Reihenschaltungen) sind an die selbe Messschaltung 10 gekoppelt, die gemäß einem der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele realisiert sein kann. Selbstverständlich können mehr als zwei Reihenschaltungen, die jeweils mehrere Wandlereinheiten aufweisen, parallel geschaltet sein.
Das Grundkonzept, n Wandlereinheiten 2 vorzusehen, die in Reihe geschaltet sind, ist nicht auf die zuvor erläuterte Anwendung beschränkt, bei der eine Ausgangswechselspannung, die an ein Spannungsnetz geliefert werden soll, aus mehreren Eingangsgleichspannungen erzeugt wird. Bei diesem Konzept werden Frequenz und Phase des Ausgangswechselstroms so eingestellt, dass sie abhängig sind von einer Frequenz und einer Phase der Netzspannung. Dieses Konzept kann beispielsweise auch bei Anwendungen verwendet werden, bei denen ein Ausgangswechselstrom mit einer Frequenz und einer Phase anders als der Frequenz und einer Phase einer Netzspannung benötigt wird. Außerdem ist das Konzept nicht darauf beschränkt, im Zusammenhang mit Gleichspannungsquellen 3 verwendet zu werden, die als PV-Module ausgebildet sind.
24 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Ausgangswechselstrom i1_OUT und eine Ausgangswechselspannung v_OUT aus Gleichspannungen zu erzeugen, die durch eine Vielzahl von n, mit n ≥ 2, Gleichspannungsquellen 3 bereitgestellt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 24 sind n = 3 Wandlereinheiten in Reihe geschaltet. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Wandlereinheiten 2 kann beliebig gewählt werden, beispielsweise abhängig von der gewünschten Amplitude der Ausgangsspannung v_OUT und den Ausgangspannungen V3 der Gleichspannungsquellen 3. Die Gleichspannungsquellen 3 sind beispielsweise wiederaufladbare Batterien. In diesem Fall sind die Ausgangsspannungen V3 der einzelnen Gleichspannungsquellen 3 abhängig von deren Ladezuständen. Anders als bei einer Gleichspannungsquelle 3, die als PV-Modul ausgebildet ist, können die Ausgangsspannungen V3 einer Gleichspannungsquelle 3, die als wiederaufladbare Batterie ausgebildet ist, durch die an die Gleichspannungsquelle 3 angeschlossene Wandlereinheit 2 nicht wesentlich variiert werden.
Bezugnehmend auf 24 sind der Ausgangsstrom i1_OUT und der Ausgangsstrom v_OUT einer Wechselspannungslast ACL zugeführt. Abhängig von der Art der Last gibt es drei Betriebszenarien, (a) ein erstes Betriebszenario, bei dem die Wechselspannungslast ACL die Frequenz, Phase und Amplitude der Ausgangspannung v_OUT definiert, (b) ein Betriebszenario, bei dem die Frequenz, Phase und Amplitude der Ausgangsspannung v_OUT durch die Leistungswandlerschaltung mit der Reihenschaltung der Inverter 2 ₁–2 _n definiert sind, und (c) ein Betriebszenario, bei dem die Frequenz, Phase und Amplitude der Ausgangsspannung v_OUT definiert sind durch die Leistungswandlerschaltung, jedoch abhängig von Lastanforderungen variabel sind. Im ersten Fall (a) ist die Last ACL beispielsweise ein Wechselspannungsnetz, im zweiten Fall (b) ist die Last beispielsweise ein Inselnetz, während im dritten Fall (c) die Last beispielsweise ein Einphasenmotor, ein Inselnetz oder ähnliches ist. Während die Topologie der Leistungswandlerschaltung für alle drei Betriebszenarien im Wesentlichen gleich ist, ist das Regelkonzept unterschiedlich. Im ersten Fall (a) treibt die Leistungswandlerschaltung einen Ausgangswechselstrom in die Last (beispielsweise das Wechselspannungsnetz). Im zweiten Fall (b) und im dritten Fall (c) liefert die Leistungswandlerschaltung eine geregelte Ausgangswechselspannung an die Last, wobei der von der Leistungswandlerschaltung gezogene Strom durch die Wechselspannungslast definiert ist. Im zweiten Fall (b) sind die Frequenz und die Phase fest, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz, während im dritten Fall (c) die Frequenz abhängig von den Anforderungen der Last, wie beispielsweise der Drehgeschwindigkeit des Motors, variieren kann. Der zweite Fall (b) kann als ein Spezialfall des dritten Falls (c) betrachtet werden.
25 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 2, die in einer im ersten Betriebszenario (a) betriebenen Leistungswandlerschaltung verwendet werden kann (beispielsweise wenn die Leistungswandlerschaltung an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist). Die Wandlereinheit 2 gemäß 25 umfasst einen DC/DC-Wandler 6, der an die Eingangsanschlüsse 21, 22 angeschlossen ist, und der dadurch an die Gleichspannungsquelle 3 angeschlossen ist. Ein DC/AC-Wandler 4 ist zwischen Ausgangsanschlüsse 61, 62 des DC/DC-Wandlers 6 und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 der Wandlereinheit 2 geschaltet. Ein Ausgangskondensator C ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 23, 24 geschaltet. Ein Ausgangsstrom i1 der Wandlereinheit 2 ist ein Strom, der an einem Schaltungsknoten erhalten wird, der einem 23 der Ausgangsanschlüsse und einem Anschluss des Ausgangskondensators C gemeinsam ist. Die Topologie der Wandlereinheit 2 gemäß 25 entspricht der Topologie der in 11 dargestellten Wandlereinheit 2, so dass Erläuterungen bezüglich der Topologie der Wandlereinheit 2 gemäß 11 für die Wandlereinheit gemäß 25 entsprechend gelten. Wie bei der Wandlereinheit 2 gemäß 11 kann der DC/DC-Wandler 6 der Wandlereinheit 2 gemäß 25 als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Der DC/DC-Wandler 4 kann mit einer in 6 dargestellten Topologie realisiert sein, so dass die im Zusammenhang mit dem DC/AC-Wandler 4 gemäß 6 gemachte Erläuterung für den DC/AC-Wandler 4 gemäß 25 entsprechend gilt.
Die Steuerschaltung 5 des DC/AC-Wandlers 4 kann einer der zuvor erläuterten Steuerschaltungen 5 entsprechen. Die Steuerschaltung 5 erhält das Ausgangstromsignal Si1 und ein Spannungsreferenzsignal S_vOUT und erzeugt das dem DC/AC-Wandler zugeführte Referenzsignal S_REF. Das Spannungsreferenzsignal S_vOUT entspricht dem zuvor erläuterten Messsignal S_v1 und enthält eine Information über die Frequenz und Phase der durch die Last definierten Wechselspannung v_OUT. Die Steuerschaltung 5 erzeugt das Referenzsignal S_REF derart, dass eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen dem durch die Wandlereinheit 2 bereitgestellten Ausgangsstrom i1 und der Ausgangsspannung v_OUT vorhanden ist. Die Phasendifferenz kann Null sein oder sich von Null unterscheiden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Phasendifferenz durch ein Phasensignal S_φ eingestellt, das, wie zuvor erläutert, von der Steuerschaltung 5 erhalten wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gibt das Spannungsreferenzsignal S_vOUT eine gewünschte Phasendifferenz zwischen dem Ausgangsstrom i1 und der Ausgangsspannung v_OUT wieder. In diesem Fall wird das Referenzspannungssignal S_vOUT so erzeugt, dass eine in dem Referenzspannungssignal S_vOUT enthaltene Phaseninformation eine Phasendifferenz relativ zu der Phase der Ausgangsspannung v_OUT enthält, wenn das Referenzsignal S_REF so erzeugt wird, dass der DC/AC-Wandler 4 den Ausgangsstrom i1 in Phase mit der in dem Referenzspannungssignal S_vOUT enthaltenen Phaseninformation erzeugt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Spannungsreferenzsignal S_vOUT erzeugt werden durch Bereitstellen eines Spannungsmesssignals, das proportional ist zu der Ausgangsspannung, durch Bereitstellen einer phasenverschobenen Version des Spannungsmesssignals und durch Erzeugen des Spannungsreferenzsignals basierend auf der phasenverschobenen Version des Spannungsmesssignals.
Optional erzeugt die Steuerschaltung 5 weiterhin das Referenzsignal S_REF abhängig von der Zwischenkreisspannung V6, um, wie zuvor erläutert, die Zwischenkreisspannung V6 zu regeln.
Der DC/DC-Wandler 6 gemäß 25 regelt den Eingangsstrom I3, der von der Gleichspannungsquelle erhalten wird. Hierzu erhält die Steuerschaltung 7 des DC/DC-Wandlers 6 ein Eingangsstromsignal S_I3, das den Eingangsstrom I3 repräsentiert, und erzeugt ein Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3. Der DC/DC-Wandler 6 regelt den Eingangsstrom I3 abhängig von dem Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 derart, dass der Eingangstrom I3 einem durch das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 definierten entspricht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der DC/DC-Wandler 6 als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller ausgebildet, wie er zuvor anhand der 12 und 14 erläutert wurde. Bei dem DC/DC-Wandler 6 gemäß 25 wird allerdings ein PWM-Ansteuersignal (das dem Signal S65 in den 12 und 14 entspricht), für einen Schalter (der dem Schalter 65 in den 12 und 14 entspricht) abhängig von dem Eingangsstromsignal S_I3 und dem Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 (anstelle des Eingangsspannungssignals S_V3 und dem Eingangspannungsreferenzsignal S_REF-V3) erzeugt. Ein PWM-Generator (Steuerschaltung) des DC/DC-Wandlers 6 kann dem PWM-Generator gemäß 13 entsprechen, mit dem Unterschied, dass das Eingangsspannungssignal S_V3 gemäß 13 ersetzt wird durch das Eingangsstromsignal SI3 und dass das Eingangsspannungsreferenzsignal S_V3 gemäß 13 ersetzt wird durch das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3.
Bezugnehmend auf 25 kann das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 erzeugt werden abhängig von wenigstens einem von mehreren unterschiedlichen Parametern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 abhängig von einem Ladezustand der Gleichspannungsquelle 3 erzeugt. Dieser Ladezustand ist beispielsweise repräsentiert durch die durch die Gleichspannungsquelle 3 bereitgestellte Spannung V3. Bei diesem Ausführungsbeispiel erhält die Steuerschaltung 7 das Eingangsspannungssignal S_V3, das die durch die Gleichspannungsquelle 3 gelieferte Spannung V3 (und den Ladezustand) repräsentiert, und erzeugt das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 abhängig von dem Eingangsspannungssignal S_V3. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugt die Steuerschaltung 7 das Eingangspannungsreferenzsignal S_REF-I3 abhängig von dem Ladezustand derart, dass der Eingangsstrom I3 in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Entladecharakteristik ist, die den Eingangsstrom I3 (den Entladestrom der Gleichspannungsquelle 3) abhängig von dem Ladezustand definiert.
In Szenario (a), in dem die Ausgangsspannung V_OUT durch die Last definiert ist, ist die an die Last gelieferte Leistung, d. h. die Amplitude der Ausgangswechselspannung, durch die Leistungswandlerschaltung definiert, insbesondere durch die einzelnen DC/DC-Wandler 6. Jeder DC/DC-Wandler 6 definiert den von der daran angeschlossenen Gleichspannungsquelle gezogenen Eingangsstrom I3, und definiert dadurch die durch die Gleichspannungsquelle 3 an das Netz gelieferte Leistung. Die durch die einzelnen Gleichspannungsquellen gelieferte Leistung kann variieren. Bezugnehmend auf die vorangehende Erläuterung kann die durch eine Gleichspannungsquelle 3 gelieferte Leistung abhängig sein von deren Ladezustand und einer gewünschten Entladecharakteristik. Die Entladecharakteristik kann fest vorgegeben sein, beispielsweise nur abhängig von technischen Anforderungen der Gleichspannungsquelle, oder kann abhängig von weiteren Parametern variieren, wie beispielsweise der Wettervorhersage. Es sei beispielsweise angenommen, dass das System gemäß 24 dazu verwendet wird, Solarenergie zu Puffern. In diesem Fall können die Gleichspannungsquellen 3 durch PV-Module (in 24 nicht dargestellt) während des Tags geladen werden, während die Gleichspannungsquellen bei Nacht wenigstens einen Teil der gespeicherten Energie an das Wechselspannungsnetz abgeben. Wenn gemäß dem Wetterbericht angenommen wird, dass es am nächsten Tag sonnig ist (so dass es wahrscheinlich ist, dass die Gleichspannungsquellen wieder aufgeladen werden), können die Gleichspannungsquellen 3 mehr entladen werden als in solchen Fällen, in denen angenommen wird, dass es wolkig ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer Entladecharakteristik (Entladekurve) ist in 26 schematisch dargestellt. Diese Entladekurve zeigt den Entladestrom I3 abhängig von der durch die Gleichspannungsquelle gelieferten Spannung V3, d. h. abhängig von dem Ladezustand. In 26 bezeichnet V3_MAX eine maximale Versorgungsspannung und V3_MIN bezeichnet eine minimale Versorgungsspannung, wobei die Gleichspannungsquelle nicht unterhalb dieser minimalen Versorgungsspannung entladen werden sollte. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 26 wird die Gleichspannungsquelle mit einem konstanten Strom I_MAX entladen, wenn die Versorgungsspannung V3 zwischen der maximalen Spannung V3_MAX und einer Schwelle V3₀ ist. Wenn die Versorgungsspannung V3 unter die Schwelle V3₀ sinkt, nimmt der Entladestrom ab. Der Entladestrom kann linear abnehmen (wie dargestellt). Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nimmt der Entladestrom so ab, dass die Ausgangsleistung der Gleichspannungsquelle (die das Produkt des Entladestroms I3 und der Versorgungsspannung V3 ist) proportional ist zu der Versorgungsspannung. Der Entladestrom I3 wird Null, wenn die Versorgungsspannung V3 auf die minimale Spannung V3_MIN absinkt. Die Steuerschaltung 7 (vgl. 25) kann das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 so erzeugen, dass der Eingangsstrom (Entladestrom) I3 in Übereinstimmung mit der Entladekurve gemäß 26 steht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Entladestrom I3 nicht nur abhängig von dem Ladezustand, sondern auch abhängig von der Temperatur der Gleichspannungsquelle 3, wobei der maximale Entladestrom I3_MAX abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt. In 26 repräsentiert die in durchgezogenen Linien gezeichnete Entladekurve die Entladekurve bei einer ersten Temperatur T1, während eine in gestrichelten Linien gezeichnete Entladekurve die Entladekurve bei einer zweiten Temperatur T2 repräsentiert, die höher ist als die erste Temperatur. Die Steuerschaltung 7 kann also zusätzlich eine Temperaturinformation erhalten, die die Temperatur der Gleichspannungsquelle 3 repräsentiert, um den Entladestrom I3 abhängig von der Temperatur einzustellen.
In der Leistungswandlerschaltung gemäß 24 kann jede Gleichspannungsquelle 3 mit einem individuellen Entladestrom I3 entladen werden, der abhängig sein kann von einer gewünschten Entladecharakteristik. Damit kann jede Gleichspannungsquelle 3 in einem individuellen Betriebszustand betrieben werden, in dem die Gleichspannungsquelle 3 in effizienter Weise Leistung an den DC/DC-Wandler 6 liefert. Dies ist anders als bei herkömmlichen Leistungswandlerschaltungen, die mehrere in Reihe geschaltete Gleichspannungsquellen und einen an die Reihenschaltung mit den Gleichspannungsquellen angeschlossenen Inverter aufweisen.
Da die Steuerschaltung 7 in jeder Wandlereinheit 2 sicherstellt, dass die Gleichspannungsquelle 3 der Wandlereinheit 2 in optimaler Weise entladen wird, ist es sogar möglich, verschiedene Arten von Gleichspannungsquellen 3 in einer Reihenschaltung zu verwenden. Es ist sogar möglich, das Entladen einer oder mehrerer der Gleichspannungsquellen 3 zu stoppen, während andere Gleichspannungsquellen noch entladen werden können, bis sie ihre untere Ladegrenze erreichen.
Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen der Leistungswandlerschaltung erhalten die einzelnen Wandlereinheiten 2 eine Information über die Frequenz und Phase der durch die Last (beispielsweise das Wechselspannungsnetz) gelieferten Wechselspannung v1 und jede Wandlereinheit 2 regelt ihren Ausgangsstrom i1 autonom entsprechend der erhaltenen Frequenz- und Phaseninformation. Die durch jede Wandlereinheit 2 an die Last gelieferte Leistung ist nur definiert durch die daran angeschlossene Gleichspannungsquelle 3, wie beispielsweise ein PV-Modul oder eine wiederaufladbare Batterie.
Das Regelschema ist anders in Szenario (b), bei dem die Leistungswandlerschaltung 1 die Ausgangswechselspannung V_OUT mit einer vorgegebenen Frequenz und Amplitude an die Wechselspannungslast liefern soll. Die Wechselspannungslast ist beispielsweise ein Inselnetz, an das mehrere Leistung verbrauchende Geräte angeschlossen sind, wie beispielsweise Heimanwendungen (weiße Ware). Dieses Regelschema wird anhand von 27 erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 2 dargestellt ist, die in einer Leistungswandlerschaltung gemäß 24 in Szenario (b) verwendet werden kann.
Bezugnehmend auf 27 umfasst die Wandlereinheit 2 einen DC/DC-Wandler 6, der an die Eingangsanschlüsse 21, 22, und damit an die Gleichspannungsquelle 3 angeschlossen ist. Ein DC/AC-Wandler 4 ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 61, 62 des DC/DC-Wandlers 6 und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 der Wandlereinheit 2 geschaltet. Ein Ausgangskondensator C ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 23, 234 geschaltet. Ein Ausgangsstrom i1 der Wandlereinheit 2 ist ein Strom, der an einem Schaltungsknoten erhalten wird, der einem 23 der Ausgangsanschlüsse und einem Anschluss des Ausgangskondensators C gemeinsam ist, und eine Ausgangsspannung v2 ist eine Spannung über dem Ausgangskondensator C. Die Topologie der Wandlereinheit 2 gemäß 27 entspricht der Topologie der in 25 dargestellten Wandlereinheit, so dass Erläuterungen bezüglich der Topologie der Wandlereinheit 2 gemäß 25 für die Wandlereinheit gemäß 27 entsprechend gelten.
Da jedoch das Regelschema der Wandlereinheit 2 gemäß 27 sich von den zuvor erläuterten Regelschemata unterscheidet, unterscheidet sich der Controller 5 des DC/AC-Wandlers 4 gemäß 27 von den zuvor erläuterten Controllern der DC/AC-Wandler 4. Bezugnehmend auf 27 erhält die Steuerschaltung 5 ein Spannungsregelsignal S_VC. Das Spannungsregelsignal S_VC definiert die Frequenz, Phase und Amplitude der Ausgangsspannung v2 der Wandlereinheit 2. Die Steuerschaltung 5 erhält außerdem ein Ausgangsspannungssignal S_v2, das die Ausgangsspannung v2 der Wandlereinheit repräsentiert, und ist dazu ausgebildet, dass durch den DC/AC-Wandler 4 erhaltene Referenzsignal S_REF so zu erzeugen, dass der DC/AC-Wandler 4 die Ausgangsspannung v2 gemäß dem Spannungsregelsignal S_v2 erzeugt.
Ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung 5, die dazu ausgebildet ist, das Referenzsignal S_REF abhängig von dem Spannungsregelsignal S_VC und dem Ausgangsspannungssignal S_v6 zu erzeugen, ist in 28 dargestellt.
Die Steuerschaltung 5 gemäß 28 basiert auf der Steuerschaltung gemäß 15, auf die Bezug genommen wird. Bei der Steuerschaltung gemäß 28 ist die Regelschleife (mit dem Addierer 56, dem Filter 55 und dem Multiplizierer 57) zum Regeln der Zwischenkreisspannung V6 weggelassen. Außerdem kann, bezugnehmend auf 28, das Spannungsregelsignal S_VC zwei Subsignale enthalten, nämlich ein erstes Subsignal S_VC-f, das die Frequenz und die Phase der Ausgangsspannung v2 definiert, und ein Amplitudensignal S_VC-A, das die Amplitude der Ausgangsspannung v2 definiert. Der PLL 51 erhält das erste Subsignal S_VC-f und das Ausgangssignal des VCO 52 wird skaliert (multipliziert) mit dem zweiten Subsignal S_VC-a unter Verwendung eines Multiplizierers 57'. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 57' wird in der gleichen Weise verarbeitet wie das Ausgangsignal des VCO 52 gemäß 15.
In der Wandlereinheit 2 gemäß 27 regelt der DC/DC-Wandler 6 seine Ausgangsspannung (die Zwischenkreisspannung V6) und erhält ein Ausgangsspannungsreferenzsignal S_REF-V6 von der Steuerschaltung 7. Allgemein kann es wünschenswert sein, die Zwischenkreisspannung V6 so zu regeln, dass sie konstant ist, was durch Bereitstellen eines konstanten Referenzsignals S_REF-V6 erreicht werden könnte. Allerdings kann es Szenarien geben, wie beispielsweise einen niedrigen Ladezustand, bei dem die Gleichspannungsquelle 3 nicht in der Lage ist, genügend Leistung zu liefern, um die Zwischenkreisspannung V6 auf einen gewünschten Spannungspegel zu halten. Daher erhält die Steuerschaltung 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel das Eingangsstromsignal S_I3, das den Eingangsstrom I3 des DC/DC-Wandlers 6 repräsentiert, und das Eingangsspannungssignal S_V3, das die Versorgungsspannung und den Ladezustand der Gleichspannungsquelle 4 repräsentiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 7 dazu ausgebildet, das Zwischenkreisspannungsreferenzsignal SREF-V6 so zu erzeugen, dass es einem Sollwert (einem vorher definierten Wert) entspricht, wenn der Eingangsstrom unterhalb einer Stromschelle liegt, die durch eine Entladecharakteristik definiert ist, wie beispielsweise eine Entladecharakteristik gemäß 26. Wenn allerdings der Eingangstrom I3 die durch die Entladecharakteristik definierte Stromschwelle erreicht, wie beispielsweise einen Strom I3_MAX, wenn die Spannung V3 zwischen V3₀ und V3_MAX liegt, reduziert die Steuerschaltung das Zwischenkreisspannungsreferenzsignal S_REF-V6, um zu verhindern, dass die Gleichspannungsquelle überladen wird.
Das Spannungsregelsignal S_VC kann durch eine zentrale Steuereinheit CCU (in 24 gestrichelt dargestellt) bereitgestellt werden, die die Ausgangswechselspannung v_OUT misst, die Ausgangswechselspannung mit einer Referenzwechselspannung vergleicht und das Spannungsregelsignal S_VC an die einzelnen Wandlereinheiten 3 liefert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die zentrale Steuereinheit CCU dasselbe Spannungsregelsignal an die einzelnen Wandlereinheiten 3 liefern. Es kann ein Szenario geben, bei dem eine oder mehrere der Wandlereinheiten 3 nicht in der Lage ist/sind, die Amplitude ihrer Ausgangsspannung v2 gemäß dem Spannungsregelsignal S_VC zu erzeugen, da die zugehörige Zwischenkreisspannung v6 unterhalb des gewünschten Sollwerts liegt, so dass die Amplitude der Ausgangspannung V_OUT abnimmt. In diesem Fall erhöht die zentrale Steuereinheit CCU das Spannungsregelsignal S_VC, so dass die Wandlereinheiten 2, die dazu in der Lage sind, die Amplitude ihrer Ausgangsspannungen v2 zu erhöhen, bis die Gesamtausgangsspannung v_OUT wieder die gewünschte Spannung erreicht, wie beispielsweise 240 V_RMS. Die gewünschte Spannung und die gewünschte Frequenz der Ausgangsspannung V_OUT kann in der zentralen Steuereinheit CCU gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel arbeitet eine der Wandlereinheiten als Master-Wandlereinheit, die die zentrale Steuereinheit enthält und die das Spannungsregelsignal an die anderen Wandlereinheiten liefert, die als Slave-Einheiten arbeiten.
Das Regelschema im Szenario (c) ist ähnlich dem Regelschema im Szenario (b), mit dem Unterschied, dass im Szenario (c) die Frequenz und die Amplitude der Ausgangspannung V_OUT abhängig von den Lastanforderungen variieren können. Die Wechselspannungslast ist beispielsweise ein Einphasenmotor. Über die Frequenz der Ausgangswechselspannung v_OUT kann die Rotationsfrequenz des Motors M eingestellt werden und über die Amplitude kann das durch den Motor gelieferte Drehmoment eingestellt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die zentrale Steuereinheit CCU ein Motorregelsignal von einem Motorcontroller erhalten, das die Frequenz und die Amplitude der Ausgangspannung v_OUT definiert, wobei die zentrale Steuereinheit die Spannungsregelsignale S_VC, die an die einzelnen Wandlereinheiten 3 geliefert werden, basierend auf dem Motorregelsignal erzeugt.
29 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, drei Ausgangswechselspannungen v_OUT1, v_OUT2, v_OUT3 aus den durch die mehreren Gleichspannungsquellen gelieferten Gleichspannungen zum Antreiben einer Wechselspannungslast, wie beispielsweise einen dreiphasigen Wechselspannungsmotor M, zu liefern. Die Leistungswandlerschaltung umfasst drei Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II, 1 _III, wobei jede dieser Reihenschaltungen eine der Ausgangswechselspannungen v_OUT1, v_OUT2, v_OUT3 liefert. Jede dieser drei Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II, 1 _III kann wie die Leistungswandlerschaltung 1 gemäß 24 realisiert sein. Der Motor M umfasst drei Wicklungen oder Phasen M_I, M_II, M_III, wobei jede dieser Wicklungen M_I, M_II, M_III eine der Ausgangsspannungen v_OUT1, v_OUT2, v_OUT3 erhält. Jede der Wicklungen M_I, M_II, M_III ist an einen zentralen Abgriff des Motors M mit einem ersten Anschluss angeschlossen. Die zweiten Ausgangsanschlüsse 12 _I, 12 _II, 12 _III der einzelnen Reihenschaltungen sind an den zentralen Abgriff angeschlossen, jeder der ersten Ausgangsanschlüsse 11 _I, 11 _II, 11 _III ist an einen zweiten Anschluss einer Wicklung M_I, M_II, M_III angeschlossen.
Jede der Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II, 1 _III umfasst eine Gruppe mit mehreren in Reihe geschalteten DC/AC-Wandlereinheiten. Die einzelnen Wandlereinheiten 2 können in identischer Weise realisiert sein. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 29 die Bezugszeichen nur von einer Wandlereinheit 2 _I1 einer ersten Reihenschaltung 1 _I angegeben. Diese Wandlereinheit 2 _i1 umfasst Eingangsanschlüsse 21 _I1, 22 _I1, an die eine Gleichspannungsquelle 3 _I1 angeschlossen ist, und Ausgangsanschlüsse 23 _I1, 24 _I1. Wie die zuvor erläuterten Wandlereinheiten umfassen die Wandlereinheit 2 _I und die anderen Wandlereinheiten einen zwischen die Ausgangsanschlüsse 23 _I1, 24 _I1 geschalteten Ausgangskondensator. Dieser Ausgangskondensator ist in 29 allerdings nicht dargestellt.
Bei dem in 29 dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die einzelnen Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II, 1 _III jeweils drei in Reihe geschaltete Wandlereinheiten. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Wandlereinheiten kann abhängig von der speziellen Art des Motors und abhängig von der Art der an die Eingangsanschlüsse 21, 22 der einzelnen Wandlereinheiten 2 angeschlossenen Gleichspannungsquellen 3 variieren. Es ist sogar möglich, die einzelnen Reihenschaltungen 1 _I, 1 _II, 1 _III mit unterschiedlichen Anzahlen von in Reihe geschalteten Wandlereinheiten zu realisieren.
Bezugnehmend auf 29 umfasst die Schaltungsanordnung mit der Leistungswandlerschaltung 3 und dem Motor M außerdem einen Motorcontroller MC, der die Frequenz, Phase und Amplitude der einzelnen Ausgangswechselspannungen v_OUT1, V_OUT2, v_OUT3 der einzelnen Reihenschaltungen definiert. Der Motorcontroller MC liefert wenigstens ein Steuersignal für jede der Reihenshaltungen, nämlich ein erstes Steuersignal S_MC-I, das von der zentralen Steuereinheit CCU_I der ersten Reihenschaltung 1 _I erhalten wird und das die Frequenz, Phase und Amplitude der ersten Ausgangsspannung v_OUT definiert, ein zweites Steuersignal S_MC-II, das von der zentralen Steuereinheit CCU_II der zweiten Reihenschaltung 1 _II erhalten wird und das die Frequenz, Phase und Amplitude der zweiten Ausgangsspannung v_OUT2 definiert, und ein drittes Steuersignal S_MC-III, das von der zentralen Steuereinheit CCU_III der dritten Reihenschaltung 1 _III erhalten wird und das die Frequenz, Phase und Amplitude der dritten Ausgangsspannung v_OUT3 definiert. Wie bei dem anhand von 28 erläuterten Ausführungsbeispiel kann die zentrale Steuereinheit CCU_I, CCU_II, CCU_III jeder Reihenschaltung in der Steuereinheit 5 einer Wandlereinheit der Reihenschaltung ausgebildet sein, wobei diese Wandlereinheit 3 als Master-Wandlereinheit funktioniert, die das Spannungsregelsignal S_VC basierend auf dem Steuersignal an die anderen Wandlereinheiten der Reihenschaltung liefert. Die einzelnen Steuersignale S_MC-I, S_MC-II, S_MC-III können verschiedene Phaseninformationen repräsentieren, so dass eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsspannungen v_OUT1, v_OUT2, v_OUT3 der einzelnen Reihenschaltungen vorhanden sein können. Der Motor M und der Motorcontroller MC können wie ein herkömmlicher Motor bzw. ein herkömmlicher Motorcontroller realisiert sein.
Bei dem anhand der 25 und 27 erläuterten Ausführungsbeispiel umfassen die einzelnen Wandlereinheiten 3 einen DC/DC-Wandler 6, der eine Zwischenkreisspannung V6 erzeugt, einen DC/AC-Wandler 4, der eine Wechselspannung aus der Zwischenkreisspannung V6 erzeugt. Bezugnehmend auf 19 kann anstelle eines DC/DC-Wandlers und eines DC/AC-Wandlers ein DC/AC-Wandler mit einem Tiefsetzsteller 80 und einer Auffaltbrücke (engl.: unfolding bridge) verwendet werden, um einen Ausgangswechselstrom i1 aus einer Gleichspannung zu erzeugen. Eine ähnliche Topologie kann verwendet werden, wenn es gewünscht ist, eine Ausgangswechselspannung v_OUT zu erzeugen, wie es bei den Betriebsszenarien (b) und (c) gewünscht ist. Die Wandlereinheit gemäß 19 kann so modifiziert werden, dass sie in der Leistungswandlerschaltung gemäß 24 in den Betriebsszenarien (b) und (c) verwendet werden kann. In diesem Fall ist der Tiefsetzsteller 80 gemäß 19 durch einen Tiefsetz-Hochsetz-Wandler zu ersetzen, der eine gleichgerichtete sinusförmige Spannung (entsprechend der Spannung v80 in 19) mit einer Amplitude und einer Frequenz, die durch das zuvor erläuterte Spannungsregelsignal S_VC definiert sind, erzeugt. Die Auffaltbrücke erzeugt lediglich die Ausgangswechselspannung aus dieser gleichgerichteten sinusförmigen Spannung. Der Tiefsetz-Hochsetz-Wandler arbeitet im Tiefsetzbetrieb, wenn die Eingangsspannung V3 höher ist als der Momentanwert der gleichgerichteten Ausgangsspannung, und im Hochsetzbetrieb, wenn die Eingangsspannung V3 geringer ist als der Momentanwert der gleichgerichteten sinusförmigen Spannung.
39 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Topologie einer Wandlereinheit 3 zum Erzeugen einer Ausgangswechselspannung aus einer Eingangsgleichspannung. 39 veranschaulicht nur die Wandlertopologie, Steuerschaltungen sind nicht dargestellt. Bezugnehmend auf 39 umfasst die Wandlereinheit 3 eine erste Stufe 110, die eine Auffaltbrücke und einen Tiefsetzsteller kombiniert und die bei Halbbrücken mit jeweils einem ersten Schalter 111, 113 und einem zweiten Schalter 112, 114 und zwei induktive Speicherelemente 115, 116 aufweist, wobei jedes induktive Speicherelement an den Ausgang einer Halbbrücke angeschlossen ist. Die erste Stufe ist an die Eingangsanschlüsse 21, 22 angeschlossen und erhält die Versorgungsspannung V3 von der Gleichspannungsquelle. Die Wandlereinheit umfasst außerdem eine zweite Stufe 120, die als Hochsetzstufe ausgebildet ist und die an die Ausgänge mit den induktiven Speicherelementen 115, 116 der ersten Stufe gekoppelt ist, und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 der Wandlereinheit 3.
Die Wandlereinheit 3 kann dazu ausgebildet sein, eine Ausgangswechselspannung v2 zwischen den Ausgangsanschlüssen mit einer Frequenz, Phase und Amplitude, wie sie durch das Spannungssegelsignal definiert ist, zu erzeugen. Das Funktionsprinzip der Wandlereinheit 3 zum Erzeugen einer sinusförmigen Ausgangspannung v2 aus der Versorgungsgleichspannung V3 ist nachfolgend erläutert. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die Amplitude der Ausgangsspannung v2 höher ist als die Versorgungsspannung V3. Zum Erzeugen einer Periode der sinusförmigen Ausgangsspannung gibt es sechs Phasen: (a) eine erste Phase, in der der Momentanwert der Ausgangsspannung v2 positiv ist und geringer als die Eingangsspannung V3; (b) eine zweite Phase, in der der Momentanwert der Ausgangsspannung v2 positiv ist und höher als die Eingangsspannung V3; (c) eine dritte Phase, in der der Momentanwert de Ausgangsspannung v2 positiv ist und erneut kleiner ist als die Eingangsspannung V3; (d) eine vierte Phase, in der der Momentanwert der Ausgangsspannung v2 negativ ist und einen Betrag besitzt, der kleiner ist als die Eingangsspannung V3; eine fünfte Phase (e), in der der Momentanwert der Ausgangsspannung v2 negativ ist und einen Betrag besitzt, der höher ist als die Eingangsspannung V3; und eine sechste Phase (f), in der der Momentanwert der Ausgangsspannung v2 negativ ist und einen Betrag aufweist, der geringer ist als die Eingangsspannung V3.
In der ersten Phase (A) wird die Ausgangsphase über den ersten Schalter 111 der Halbbrücke angelegt, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Ein erster Schalter 122 der zweiten Stufe, der zwischen den Ausgang der ersten Halbbrücke und den ersten Ausgang 23 der Wandlereinheit 3 gekoppelt ist, ist ein, während ein zweiter Schalter 122 der Hochsetzstufe, der zwischen die induktiven Speicherelemente geschaltet ist, aus ist. Der erste Schalter 113 der zweiten Halbbrücke ist aus, der zweite Schalter 114 der zweiten Halbbrücke ist ein und der zweite Schalter 112 der ersten Halbbrücke arbeitet als Freilaufelement während solcher Zeitdauern, während derer der erste Schalter 111 aus ist. In der ersten Phase (A) arbeitet die Wandlereinheit 3 als Tiefsetzsteller. Die Amplitude der Ausgangsspannung v2 wird über dem Duty-Cycle des ersten Schalters 111 geregelt.
IN der zweiten Phase (B) sind der erste Schalter 111 der ersten Halbbrücke und der zweite Schalter 114 der zweiten Halbbrücke ein, während der zweite Schalter 112 der ersten Halbbrücke und der erste Schalter 113 der zweiten Halbbrücke aus sind. Der zweite Schalter 122 der Hochsetzstellerstufe 120 wird pulsweitenmoduliert angesteuert und der erste Schalter 121 arbeitet als Freilaufelement während solcher Zeitdauern, während der der zweite Schalter 122 aus ist. Die Amplitude der Ausgangsspannung wird geregelt über den Duty-Cycle des zweiten Schalters 122. In der zweiten Phase (B) arbeitet die Wandlereinheit 3 als Hochsetzsteller.
Das Funktionsprinzip in der dritten Phase (c) entspricht dem Funktionsprinzip in der ersten Phase.
In der vierten Phase (D) wird die Ausgangsspannung geregelt über den ersten Schalter 113 der zweiten Halbbrücke, der pulsweitenmoduliert angesteuert ist. Der erste Schalter 122 der zweiten Stufe ist ein, während der zweite Schalter 122 aus ist. Der erste Schalter 111 der ersten Halbbrücke ist aus, der zweite Schalter 112 der ersten Halbbrücke ist ein und der zweite Schalter 114 der zweiten Halbbrücke arbeitet als Freilaufelement während solcher Zeitdauern, während der der erste Schalter 113 aus ist. In der vierten Phase (D) arbeitet die Wandlereinheit 3 als Tiefsetzsteller, der eine negative Ausgangsspannung liefert. Die Amplitude der Ausgangspannung v2 wird über den Duty-Cycle des ersten Schalters 113 geregelt.
In der fünften Phase (E) sind der erste Schalter 113 der zweiten Halbbrücke und der zweite Schalter 113 der ersten Halbbrücke ein, während der zweite Schalter 114 der zweiten Halbbrücke und der erste Schalter 111 der ersten Halbbrücke aus sind. Der zweite Schalter 122 der Hochsetzstufe 120 ist pulsweitenmoduliert angesteuert und der erste Schalter 121 funktioniert als Freilaufelement während solcher Zeitdauern, während derer zweite Schalter 122 aus ist. Die Amplitude der Ausgangsspannung wird über den Duty-Cycle des zweiten Schalters 122 geregelt. In der fünften Phase (E) arbeitet die Wandlereinheit 3 als Hochsetzsteller.
Das Funktionsprinzip in der sechsten Phase (F) entspricht dem Funktionsprinzip in der vierten Phase.
Eine Leistungswandlerschaltung mit mehreren Wandlereinheiten 2, die in Reihe geschaltet sind, ist nicht darauf beschränkt, einen Wechselstrom an eine Wechselspannungslast zu liefern, sondern kann auch dazu verwendet werden, einen Gleichstrom an eine Gleichspannungslast zu liefern. 30 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die einen Gleichstrom I1 an eine Wechselspannungslast DCL liefert. Die Topologie der Leistungswandlerschaltung 1 entspricht der zuvor erläuterten Topologie. D. h., die Leistungswandlerschaltung umfasst n, mit n ≥ 2, in Reihe geschaltete Wandlereinheiten 2, wobei jede Wandlereinheit eine Versorgungsspannung V3 von einer Gleichspannungsquelle 3 erhält. Die Gleichspannungsquellen sind beispielsweise wiederaufladbare Batterien, Brennstoffzellen, PV-Module, oder ähnliches. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die Gleichspannungsquellen 3 wiederaufladbare Batterien sind.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 24 gibt es drei Betriebsszenarien, nämlich (c) ein erstes Betriebsszenario, in dem die Ausgangsspannung V_OUT durch die Last definiert ist (beispielsweise wenn die Last DCL ein Gleichspannungsnetz ist), (d) ein zweites Betriebsszenario, bei dem die Ausgangsspannung V_OUT durch die Leistungswandlerschaltung mit der Reihenschaltung der Inverter 2 ₁–2 _n definiert ist, und (e) ein drittes Betriebsszenario, in dem die Amplitude der Ausgangsspannung V_OUT durch die Leistungswandlerschaltung definiert ist, aber variabel ist abhängig von Lastanforderungen.
Im ersten Fall (c) können die Leistungswandlereinheiten 2 wie anhand von 25 erläutert realisiert werden. Jede Leistungswandlereinheit 2 arbeitet wie die Leistungswandlereinheit gemäß 25, mit dem Unterschied, dass die Frequenzinformation, die durch das Spannungsreferenzsignal S_vOUT repräsentiert ist, eine Frequenz von Null repräsentiert. Wenn der DC/AC-Wandler 4 mit einer H4-Brücke realisiert ist, wie in 6 dargestellt ist, kann der DC/AC-Wandler 4 vereinfacht werden durch Weglassen des dritten Schalters 42 ₃ und des induktiven Speicherelements 44 ₂ und durch Ersetzen des vierten Schalters 42 ₄ durch einen Kurzschluss. Die Topologie des DC/AC-Wandlers entspricht dann der Topologie eines Tiefsetzstellers. Wenn die Leistungswandlerschaltung eine Gleichspannungslast versorgt, arbeiten die zuvor erläuterten DC/AC-Wandler 4 nicht als DC/AC-Wandler, sondern als weitere DC/DC-Wandler. Allerdings werden diese Wandler weiterhin als DC/AC-Wandler bezeichnet, um mit der vorangehenden Beschreibung konsistent zu sein.
Im zweiten und dritten Fall (d) und (e) kann die Leistungswandlereinheit 2 wie zuvor anhand der 27 und 28 erläutert realisiert sein. Jede Leistungswandlereinheit 2 arbeitet wie die Leistungswandlereinheit gemäß 27, mit dem Unterschied, dass die durch das Spannungsregelsignal S_VC repräsentierte Frequenzinformation eine Frequenz von Null repräsentiert, so dass das Spannungsregelsignal S_VC nur die Amplitude der Spannung definiert, die jede Wandlereinheit 3 liefern soll.
Außer dem Versorgen einer Wechselspannungslast oder einer Gleichspannungslast aus Gleichspannungsquellen 3 kann eine Leistungswandlerschaltung 1 mit mehreren in Reihe geschalteten Wandlereinheiten 2 auch dazu verwendet werden, Gleichspannungsquellen 3 zu laden, die als wiederaufladbare Batterien ausgebildet sind. 31 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung 1 zum Laden von Gleichspannungsquellen 3. Die Topologie der Leistungswandlerschaltung 1 entspricht der zuvor erläuterten Topologie. D. h., die Leistungswandlerschaltung umfasst n, mit n ≥ 2, Wandlereinheiten 2, die in Reihe geschaltet sind, wobei jede Wandlereinheit 2 eine daran angeschlossene Gleichspannungsquelle 3 aufweist. Die Leistungswandlerschaltung 1 erhält eine Versorgungswechselspannung V_ACS und einen Versorgungswechselstrom i1_IN von einer Versorgungswechselspannungsquelle ACS, wie beispielsweise einem Wechselspannungsnetz, und liefert einen Ladestrom I3 (der entgegengesetzt zu der in 30 dargestellten Richtung fließt) an jede der Gleichspannungsquellen 3.
32 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 2 der Leistungswandlerschaltung gemäß 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Wandlereinheit 2 einen DC/DC-Wandler 6, der als Hochsetzsteller ausgebildet ist, der zwischen die Eingangsanschlüsse 21, 22 der Wandlereinheit geschaltet ist, und einen DC/AC-Wandler 4, der als H4-Brücke ausgebildet ist, und der zwischen den Hochsetzsteller 6 und die Ausgangsanschlüsse 23, 24 geschaltet ist. Die Topologie der Wandlereinheit 2 gemäß 31 entspricht der Topologie der Wandlereinheit 2 gemäß der 11 und 27, wenn der DC/DC-Wandler 6 als Hochsetzsteller ausgebildet ist und wenn der DC/AC-Wandler als H4-Brücke ausgebildet ist. Wenn eine Versorgungswechselspannung v_ACS zwischen die Ausgangsanschlüsse 11, 12 der Leistungswandlerschaltung 1 angelegt wird, (vgl. 31) wird eine Wechselspannung v2 zwischen die Ausgangsanschlüsse 23, 24 der einzelnen Wandlereinheiten 2 angelegt, wobei jede der Spannungen v2 ein Teil der Versorgungsspannung V_ACS ist.
Wenn die Wandlereinheit 2 dazu verwendet wird, die an die Eingangsanschlüsse 21, 22 angeschlossenen Gleichspannungsquellen 3 zu laden, wird elektrische Leistung von den Ausgangsanschlüssen 23, 24 an die Eingangsanschlüsse 21, 22 übertragen. Damit funktionieren die Ausgangsanschlüsse 23, 24 als Eingangsanschlüsse, die einen Eingangsstrom i1_IN erhalten, der in der entgegengesetzten Richtung wie ein Ausgangstrom i1 fließt (d. h. wenn ein Strom an ein Spannungsnetz geliefert wird oder wenn ein Wechselspannungsmotor angetrieben wird) und die Eingangsanschlüsse 21, 22 funktionieren als Ausgangsanschlüsse, die einen Versorgungsstrom oder einen Ladestrom liefern, der in der entgegengesetzten Richtung wie ein Eingangstrom I3 fließt (d. h. wenn ein Strom an ein Spannungsnetz geliefert wird oder wenn ein Wechselspannungsmotor angetrieben wird). Dennoch werden die Anschlüsse 23, 24 und 21, 22 in der nachfolgenden Beschreibung als Ausgangsanschlüsse und Eingangsanschlüsse der Wandlereinheit 2 bezeichnet, was in Übereinstimmung mit der vorangehenden Beschreibung steht.
In dem DC/AC-Wandler bilden die zwei Halbbrücken 42 ₁, 42 ₂ und 42 ₃, 42 ₄ und die zwei induktiven Speicherelemente 44 ₁, 44 ₂, wie beispielsweise Drosseln, zwei Hochsetzstellertopologien, die dazu verwendet werden können, den Zwischenkreiskondensator 60 über die an die Ausgangsanschlüsse 23, 24 angelegte Wechselspannung v2 zu laden. Jedes der induktiven Speicherelemente 44 ₁, 44 ₂ ist zwischen einen der Ausgangsanschlüsse 23, 24 und den Abgriff eines der Halbbrücken geschaltet.
In der Wandlereinheit 2 gemäß 31 ist die Steuerschaltung 5 als Power-Factor-Controller (PFC) realisiert, der dazu ausgebildet ist, die zwei Hochsetzstellertopologien so zu betreiben, dass der Eingangsstrom i1 (–i1 bezeichnet einen in der entgegengesetzten Richtung wie der Ausgangstrom fließenden Strom) in Phase ist mit der Versorgungswechselspannung v_ACS oder eine vorgegebene Phasendifferenz aufweist. In dem DC/AC-Wandler 4 gemäß 28 wird die Hochsetzstellertopologie mit der ersten Drossel 44 ₁ und der ersten Halbbrücke 40 ₁, 42 ₂, die durch die Steuerschaltung 5 angesteuert ist, während positiver Halbwellen der Eingangsspannung v2 aktiv und die Hochsetzstellertopologie mit der zweiten Drossel 44 ₂ und der zweiten Halbbrücke 42 ₃, 42 ₄, die durch die Steuerschaltung 5 gesteuert ist, wird aktiv während negativer Halbwellen in der Eingangsspannung v2. Die Steuerschaltung 5 erhält ein Zwischenkreisspannungssignal S_V6, das die Zwischenkreisspannung V6 repräsentiert, ein Eingangsstromsignal S_i1, das den an den Ausgangsanschlüssen 23, 24 fließenden Eingangsstrom –i1 repräsentiert, und ein Versorgungsspannungssignal S_ACS. Das Versorgungsspannungssignal S_ACS repräsentiert die durch die Versorgungsspannungsquelle ACS gelieferte Versorgungsspannung V_ACS. Die Steuerschaltung 5 ist dazu ausgebildet, die einzelnen Hochsetzsteller so zu steuern, dass der Eingangstrom i1 des DC/AC-Wandlers 4 in Phase ist mit der Versorgungsspannung V_ACS, oder eine vorgegebenen Phasendifferenz aufweist, und ist weiterhin ausgebildet, den Hochsetzsteller so zu steuern, dass die Zwischenkreisspannung V6 konstant ist.
Zusätzlich regelt die Steuerschaltung die Amplitude des Eingangsstroms –i1. Hierzu erhält die Steuerschaltung 5 ein Eingangsstromreferenzsignal S_REF-i1 In der Wandlerschaltung mit mehreren in Reihe geschalteten Wandlereinheiten kann das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-i1 durch eine Wandlereinheit erzeugt werden, die als Master-Einheit funktioniert, und an die anderen Wandlereinheiten geliefert werden, die als Slave-Einheiten funktionieren. Die Steuerschaltung kann drei Regelschleifen umfassen, nämlich eine erste Regelschleife, die den Eingangsstrom i1 so regelt, dass er in Phase mit der Versorgungsspannung ist, eine zweite Regelschleife, die die Zwischenkreisspannung regelt und eine dritte Regelschleife, die die Amplitude des Eingangsstroms –i1 regelt.
In der Wandlereinheit 2 funktioniert der Hochsetzsteller 6 als Tiefsetzsteller, wenn er mit der Zwischenkreisspannung V6 versorgt wird und einen Ladestrom –I3 an die Gleichspannungsquelle liefert, die an die Eingangsanschlüsse 21, 232 angeschlossen ist. Dieser Tiefsetzsteller wird gesteuert durch die Steuerschaltung 67 derart, dass ein definierter Ladestrom –I3 (–I3 bezeichnet einen in der entgegengesetzten Richtung wie der Eingangsstrom I3 fließenden Strom) an die Eingangsanschlüsse 21, 22 geliefert wird. Der Ladestrom –I3 ist in Übereinstimmung mit einer gewünschten Ladecharakteristik der an die Eingangsanschlüsse 21, 22 angeschlossen Gleichspannungsquelle. Anders als bei den in 12 dargestellten Hochsetzstellern umfasst der Hochsetzsteller gemäß 31 ein weiteres Schaltelement 69, das parallel zu dem Gleichrichterelement 66 geschaltet ist. Das weitere Schaltelement 69 wird durch die Steuerschaltung 67 gesteuert, um den Ausgangsstrom –I3 gemäß dem Ausgangsstromreferenzsignal S_REF-I3 zu regeln. Hierzu stellt die Steuerschaltung 67 den Duty-Cycle eines Ansteuersignals des Schaltelements 69 ein. Über den Duty-Cycle des Schaltelements 65 wird der Ausgangsstrom –I3 geregelt, wenn der Hochsetzsteller 6 im Tiersetzbetrieb arbeitet (als Tiefsetzsteller betrieben wird), während das Schaltelement 65 (das im Hochsetzbetrieb des Hochsetzstellers den Eingangsstrom regelt) nur als Freilaufelement funktioniert, das eingeschaltet wird, wenn das weitere Schaltelement 69 aus ist und das eingeschaltet wird, wenn das weitere Schaltelement 69 ein ist.
Das Ausgangsstromreferenzsignal S_REF-I3 wird beispielsweise durch die Steuerschaltung 7 entsprechend einer gewünschten Ladecharakteristik der Gleichspannungsquelle geliefert. Die Steuerschaltung 7 erhält eine Information über den Ladezustand der Gleichspannungsquelle 3, wie beispielsweise das Versorgungsspannungssignal S_V3, und erzeugt die Ausgangsspannungssignale S_REF-I3 entsprechend.
Ein Ausführungsbeispiel einer Ladecharakteristik (Ladekurve) ist schematisch in 33 dargestellt. Diese Ladekurve zeigt den Ladestrom I3 abhängig von der Spannung V3, der durch die Gleichspannungsquelle geliefert wird, d. h. abhängig von dem Ladezustand. In 33 bezeichnet V3_MAX eine maximale Versorgungsspannung und V3_MIN bezeichnet eine minimale Versorgungsspannung, wobei die Gleichspannungsquelle nicht unter diese minimale Versorgungsspannung entladen werden sollte und nicht über die maximale Versorgungsspannung geladen werden sollte. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 33 wird die Gleichspannungsquelle 3 mit einem konstanten Strom I_MAX geladen, wenn die Versorgungsspannung V3 zwischen der minimalen Spannung V3_MIN und einer Schwelle V3_0' liegt. Wenn die Versorgungsspannung V3 über die Schwelle V_30' ansteigt, nimmt der Ladestrom ab. Der Ladestrom kann linear abnehmen (wie dargestellt) wenn die Versorgungsspannung V3 ansteigt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nimmt der Ladestrom derart ab, dass die Ausgangsleistung der Gleichspannungsquelle (die das Produkt des Entladestroms I3 und der Versorgungsspannung V3 ist) umgekehrt proportional ist zu der Versorgungsspannung. Der Entladestrom I3 wird Null, wenn die Versorgungsspannung V3 auf die maximale Spannung V3_MAX ansteigt. Die Steuerschaltung 7 (vgl. 32) kann das Eingangsstromreferenzsignal S_REF-I3 so erzeugen, dass der Eingangsstrom (Entladestrom) I3 in Übereinstimmung mit der Ladekurve gemäß 33 steht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Ladestrom I3 nicht nur abhängig von dem Ladezustand, sondern auch abhängig von der Temperatur der Gleichspannungsquelle 3, wobei der maximale Ladestrom I3_MAX abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt. In 33 repräsentiert die in durchgezogenen Linien gezeichnete Ladekurve die Ladekurve bei einer ersten Temperatur T3, während eine in gestrichelten Linien gezeichnete Ladekurve die Ladekurve bei einer zweiten Temperatur T4 repräsentiert, die höher ist als die erste Temperatur. Die Steuerschaltung 7 kann also zusätzlich eine Temperaturinformation erhalten, die die Temperatur der Gleichspannungsquelle 3 repräsentiert, um den Ladestrom I3 abhängig von der Temperatur einzustellen.
In der Leistungswandlerschaltung gemäß 31 kann jede der Gleichspannungsquellen 3 mit einem eigenen Ladestrom I3 geladen werden, der abhängig sein kann von einer gewünschten Ladecharakteristik. Damit kann jede Gleichspannungsquelle 3 in effizienter Weise mit Leistung versorgt werden. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Ladeschaltungen, die mehrere in Reihe geschaltete Gleichspannungsquellen laden.
Bezugnehmend auf 34 kann anstelle einer Wechselspannungsquelle, wie beispielsweise die Wechselspannungsquelle ACS gemäß 31, eine Gleichspannungsquelle DCS verwendet werden, um die einzelnen Gleichspannungsquellen 3 zu laden. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen DCS eine Gleichspannungsquelle, die eine konstante Gleichspannung V_DC und einen Gleichstrom I1_IN an die Leistungswandlerschaltung 1 liefert. Die Gleichspannungsquelle ist beispielsweise ein Gleichspannungsnetz.
Die einzelnen Wandlereinheiten 2 können wie zuvor anhand von 32 erläutert realisiert sein, und das Funktionsprinzip der Leistungswandlerschaltung 1 gemäß 34 kann dem der Leistungswandlerschaltung gemäß 31 entsprechen, mit dem Unterschied, dass der DC/AC-Wandler (4 in 32) nur die Zwischenkreisspannung V6 regelt. Der DC/AC-Wandler 4 kann vereinfacht werden durch Weglassen des dritten Schalters 42 ₃ und des induktiven Speicherelements 44 ₂ und durch Ersetzen des vierten Schalters 42 ₄ durch einen Kurzschluss. Der so modifizierte DC/AC-Wandler 4 besetzt die Topologie eines Tiefsetzstellers. Das Funktionsprinzip des DC/DC-Wandlers 6 kann dem Funktionsprinzip des DC/DC-Wandlers 6 gemäß 32 entsprechen. D. h. der DC/DC-Wandler 6 kann den Ladestrom –I3 der Gleichspannungsquelle entsprechend einer Ladekurve, wie beispielsweise einer Ladekurve, wie sie in 33 dargestellt ist, regeln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 35 dargestellt ist, umfasst die Gleichspannungsquelle DCS einen Strang mit wenigstens einem PV-Modul. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 35 umfasst der Strang drei PV-Module. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Die einzelnen Wandlereinheiten 2 können wie anhand von 34 erläutert realisiert sein. Zusätzlich kann die Steuerschaltung 5 (vgl. 32), die den DC/AC-Wandler 4, der als Hochsetzsteller funktioniert, (wenn die Gleichspannungsquellen 3 geladen werden) steuert, eine MPP-Nachführfunktion besitzen, die zusätzlich die Eingangsspannung V2 der Wandlereinheit 2 so steuert, dass der Strang mit den PV-Modulen im MPP betrieben wird. Wenn allerdings die Leistung, die der Strang liefert, wenn er im MPP betrieben wird, höher ist als die Leistung, die den Gleichspannungsquellen zugeführt werden kann, verlässt die Steuerschaltung 5 den MPP-Nachführbetrieb (engl.: MPP tracking mode) und regelt nur die Zwischenkreisspannung V6. Ob die Steuerschaltung im MPP-Nachführbetrieb betrieben werden kann, kann ermittelt werden durch Auswerten der Zwischenkreisspannung 6. Wenn die Steuerschaltung 5 im MPP-Nachführbetrieb betrieben wird und die Zwischenkreisspannung ansteigt, kann die Steuerschaltung den MPP-Nachführbetrieb verlassen. Die Zwischenkreisspannung kann ansteigen, wenn der DC/AC-Wandler 4 mehr Leistung an den Zwischenkreiskondensator 60 liefert als der DC/DC-Wandler der Gleichspannungsquelle zuführt.
Bezugnehmend auf die vorangehende Erläuterung kann dieselbe Leistungswandlerschaltungstopologie für verschiedene Zwecke angewendet werden, wie beispielsweise zum Erzeugen eines Ausgangswechselstroms, der einem Spannungsnetz zugeführt werden soll, Bereitstellen eines Ausgangswechselstroms an eine Wechselspannungslast, Bereitstellen eines Ausgangsgleichstroms an eine Gleichspannungslast zum Laden mehrerer verteilter Gleichspannungsquellen aus einer Wechselspannungsquelle (Wechselspannungsnetz), oder zum Laden mehrerer Gleichspannungsquellen aus einer Gleichspannungsquelle (einem Gleichspannungsnetz). Während die Schaltungstopologie der einzelnen Wandlereinheiten 2, (beispielsweise mit einem DC/DC-Wandler 6 und einem DC/AC-Wandler 4) in jeder der verschiedenen Betriebsarten dieselbe sein kann, können die Steuerschaltungen, wie beispielsweise die Steuerschaltungen 5 und 7 des DC/DC-Wandlers 6 und des DC/AC-Wandlers 4 in den verschiedenen Betriebsarten unterschiedlich sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Steuerschaltungen 5, 7 für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsarten in einem System implementiert, und in jedem der verschiedenen Betriebsarten werden nur die Steuerschaltungen 5, 7, die der jeweiligen Betriebsart zugeordnet sind, betrieben, um den DC/DC-Wandler 6 bzw. den DC/AC-Wandler 4 zu steuern. ”Die Steuerschaltungen 5, 7 für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsarten zu implementieren” bedeutet nicht notwendigerweise, dass eine spezielle Schaltung (Hardware) für jede der unterschiedlichen Betriebsarten vorgesehen ist. Bezugnehmend auf die vorangehende Erläuterung können die Funktionsblöcke der Steuerschaltungen (Controller) 5, 7 als Analogschaltungen oder Digitalschaltungen realisiert sein oder können unter Verwendung von Hardware und Software realisiert sein, wie beispielsweise als Mikrocontroller, auf dem eine spezielle Software läuft. Abhängig von der speziellen Implementierung der Steuerschaltungen kann es ausreichend sein, nur eine Hardware, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, zur Verfügung zu stellen, ein Programm (Software, Firmware) für jede der unterschiedlichen Betriebsarten zur Verfügung zu stellen und das auf der Hardware laufende Programm abhängig von der Betriebsart auszuwählen.
36 veranschaulicht schematisch ein System mit einer Leistungswandlerschaltung 11, die n, mit n ≥ 2, Wandlereinheiten 2, die in Reihe geschaltet sind, und mit Gleichspannungsquellen 3, die an die einzelnen Wandlereinheiten 2 angeschlossen sind. Die Ausgangsanschlüsse 11, 12 sind an eine Schalterschaltung 91 angeschlossen, die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsanschlüsse 11, 12 an eine der wenigstens zwei Lasten oder Versorgungsquellen anzuschließen. Diese wenigstens zwei Lasten oder Versorgungsquellen können ein Wechselspannungsnetz 100, eine Wechselspannungslast ACL, eine Gleichspannungslast DCL, eine Wechselspannungsquelle ACS und eine Gleichspannungsquelle DCS aufweisen ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die Schalterschaltung 91 kann herkömmliche Schalter aufweisen, wie beispielsweise Relais oder Halbleiterschalter, die geeignet sind, die Ausgangsanschlüsse an eine der Lasten/Versorgungsquellen anzuschließen. Ein Betriebsartcontroller 92 definiert die Betriebsart des Systems und steuert die Schalterschaltung 91 dahingehend, dass diese die Ausgangsanschlüsse 11, 12 abhängig von der Betriebsart an eine der Lasten/Versorgungsquellen anschließt. Der Betriebsartcontroller 92 steuert außerdem die einzelnen Wandlereinheiten 2 dahingehend, dass diese in einer der zuvor erläuterten Betriebsart arbeiten, um entweder Leistung an eine Last zu liefern, wie beispielsweise das Spannungsnetz 100, die Wechselspannungslast ACL oder die Gleichspannungslast, oder Leistung von einer Quelle zu erhalten, wie beispielsweise einer Wechselspannungsquelle ACS oder einer Gleichspannungsquelle DCS.
Bei jedem der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele, bei den die Leistungswandlerschaltung 1 einen Ausgangswechselstrom an eine Last liefert oder einen Eingangswechselstrom von einer Leistungsquelle erhält, liefert oder erhält jede Wandlereinheit 2 einen Wechselstrom. Hierzu umfasst jede Wandlereinheit 2 eine H4-Brücke mit zwei Halbbrücken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die H4-Brücke in dem DC/AC-Wandler 4 jeder Wandlereinheit 2 durch einen Tiefsetzsteller oder einen Hochsetzsteller ersetzt und jede Wandlereinheit 2 erzeugt oder erhält einen gleichgerichteten Wechselstrom. In diesem Fall umfasst die Leistungswandlerschaltung zusätzlich eine Auffaltbrücke, die einen Wechselstrom aus einem gleichgerichteten Wechselstrom oder einen gleichgerichteten Wechselstrom aus einem Wechselstrom erzeugt. 37 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer solchen Leistungswandlerschaltung 1. Die Leistungswandlerschaltung gemäß 37 umfasst mehrere Wandlereinheiten 2, die in Reihe geschaltet sind, und eine Auffaltbrücke 200, die an die Ausgangsanschlüsse 11, 12 der Reihenschaltung angeschlossen ist. Die Auffaltbrücke 200 umfasst Ausgangsanschlüsse 1', 12' zum Bereitstellen oder Erhalten einer Wechselspannung und eines Wechselstroms. Diese Anschlüsse 11', 12' können an eine Last/Versorgungsquelle in derselben Weise wie die Ausgangsanschlüsse 11, 12 bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen angeschlossen sein.
38 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer der Wandlereinheiten 2 der Leistungswandlerschaltung gemäß 37. Die Wandlereinheit 38 umfasst einen DC/DC-Wandler 6, der einem der zuvor erläuterten DC/DC-Wandler entspricht, und einen DC/AC-Wandler 4. Der DC/AC-Wandler 4 ist als Tiefsetzsteller ausgebildet, der aus einem der zuvor erläuterten DC/AC-Wandler mit einer H4-Brücke erhalten werde kann durch Weglassen des dritten Schalters 42 ₃ und des induktiven Speicherelements 44 ₂ und durch Ersetzen des vierten Schalters 42 ₄ durch einen Kurzschluss. Der Tiefsetzsteller arbeitet als Tiefsetzsteller, wenn die Leistungswandlerschaltung Leistung an eine Last liefert, und arbeitet als Hochsetzsteller, wenn die Leistungswandlerschaltung die Gleichspannungsquellen lädt.
Da Funktionsprinzip des Tiefsetzstellers 4 und der Steuerschaltung 5 gemäß 38 entspricht dem Funktionsprinzip der DC/AC-Wandler 4 und der zugehörigen Steuerschaltungen 5, die zuvor erläutert wurden, mit dem Unterschied, dass anstelle der Signale, die die Frequenz und die Phase des Wechselspannungssignals repräsentieren, wie beispielsweise das zuvor erläuterte Messsignal S_v1 oder das Laststeuersignal S_MC, die Steuerschaltung ein Signal erhält, das die Frequenz und die Phase eines gleichgerichteten Wechselsignals repräsentiert. Der Strom i, der durch den Tiefsetzsteller 4 bereitgestellt wird oder der von dem Tiefsetzsteller 4 erhalten wird, ist ein gleichgerichtetes Wechselsignal.
Die Auffaltbrücke 200 kann eine herkömmliche Auffaltbrücke sein, die so betrieben werden kann, dass sie eine gleichgerichtete Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen 11, 12 aus einer Wechselspannung erzeugt, die an den Anschlüssen 11, 12 erhalten wird, oder dass sie eine Wechselspannung an den Anschlüssen 11', 12' aus einer gleichgerichteten Wechselspannung an den Anschlüssen 11, 12 erzeugt.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können. Für Fachleute ist ersichtlich, dass andere Komponenten, die dieselben Funktionen durchführen, geeignet substituiert werden können. Es sei erwähnt, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einer speziellen Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in den Fällen, in denen dies nicht explizit erwähnt wurde. Außerdem können die Verfahren der Erfindung entweder durch reine Softwareimplementierungen, unter Verwendung geeigneter Prozessorbefehle, oder durch Hybrid-Anwendungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik verwenden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen, erhalten werden.
Selbstverständlich können Merkmale der verschiedenen zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.

Claims

Schaltungsanordnung, die aufweist: eine Vielzahl von n, mit n ≥ 2, Gleichspannungsquellen (3), die jeweils wenigstens eine wiederaufladbare Batterie aufweisen; eine Vielzahl von n Wandlereinheiten (2), wobei jede Wandlereinheit (2) Eingangsanschlüsse (21, 22) und Ausgangsanschlüsse (23, 24) aufweist und ihre Eingangsanschlüsse (21, 22) an eine der Vielzahl von Gleichspannungsquellen (3) angeschlossen hat, wobei die Wandlereinheiten (2) eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen (11, 12) der Schaltungsanordnung bilden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine der Vielzahl von n Wandlereinheiten (2) dazu ausgebildet ist, ein Spannungsreferenzsignal (Sv_OUT) zu erhalten, und einen Ausgangsstrom (i1) abhängig von dem Spannungsreferenzsignal (Sv_OUT) zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der wenigstens eine der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) dazu ausgebildet ist, den Ausgangsstrom (i1) abhängig von dem Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) so zu erzeugen, dass eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen dem Ausgangsstrom (i1) und dem Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) vorhanden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der die Phasendifferenz im Wesentlichen Null ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der das Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) eine Frequenz repräsentiert, die im Wesentlichen Null ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der jede der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) dazu ausgebildet ist, ein Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) zu erhalten und einen Ausgangsstrom (i1) so zu erzeugen, dass eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen dem Ausgangstrom (i1) und dem Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) vorhanden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der die wenigstens eine der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) aufweist: einen ersten Wandler (4), der an die Ausgangsanschlüsse (23, 24) der wenigstens einen der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) angeschlossen ist, wobei der erste Wandler dazu ausgebildet ist, den Ausgangsstrom auszugeben.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der die wenigstens eine Wandlereinheit (2) weiterhin aufweist: einen zweiten Wandler (6), der zwischen die Eingangsanschlüsse (21, 22) der wenigstens einen der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) und den ersten Wandler (4) gekoppelt ist; und wobei der zweite Wandler (6) dazu ausgebildet ist, einen Eingangsstrom (I3) zu regeln, der von einer Gleichspannungsquelle (3) der Vielzahl von Gleichspannungsquellen, die an die wenigstens eine der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) gekoppelt ist, gezogen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, bei der der zweite Wandler (6) dazu ausgebildet ist, den Eingangsstrom (I3) abhängig von einem Ladezustand der Gleichspannungsquelle (3) der Vielzahl von Gleichspannungsquellen zu regeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, bei der der zweite Wandler (6) außerdem dazu ausgebildet ist, den Eingangstrom (I3) abhängig von einer Temperatur (T) der Gleichspannungsquelle (39) der Vielzahl von Gleichspannungsquellen zu regeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, bei der der erste Wandler (4) dazu ausgebildet ist, den Ausgangsstrom (i1) der wenigstens einen Wandlereinheit der Vielzahl von Wandlereinheiten zu regeln und eine Eingangsspannung (V6) des ersten Wandlers (4) zu regeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die wenigstens eine Wandlereinheit (2) der Vielzahl von Wandlereinheiten dazu ausgebildet ist, ein Spannungsregelsignal (S_VC) zu erhalten und eine Ausgangsspannung (v2) derart auszugeben, dass eine Frequenz, Phase und Amplitude der Ausgangsspannung (v2) abhängig sind von dem Spannungsregelsignal (S_VC).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, die weiterhin aufweist: eine Last (M), die an die Lastanschlüsse (11, 12) der Schaltungsanordnung gekoppelt ist; einen Lastcontroller (MC), der dazu ausgebildet ist, ein Laststeuersignal (S_MC) auszugeben; und eine Steuereinheit (CCU), wobei die Steuereinheit (CCU) dazu ausgebildet ist, das Spannungsregelsignal (S_VC) abhängig von dem Laststeuersignal (S_MC) auszugeben.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, bei der die Last ein Motor (M) ist und der Lastcontroller ein Motorcontroller (MC) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, bei der das Spannungsregelsignal (S_VC) eine Frequenz repräsentiert, die im Wesentlichen Null ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung (v_ACS; V_DC) und einen Versorgungsstrom (i_IN; I_IN) von einer Leistungsquelle (ACS; DCS), die an die Lastanschlüsse (11, 12) gekoppelt ist, zu erhalten und einen Strom (–I3) an die Gleichspannungsquelle auszugeben, die an die wenigstens eine Wandlereinheit (2) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, bei der die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Versorgungswechselspannung (v_ACS) und einen Versorgungswechselstrom (i_IN) zu erhalten.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, bei der die wenigstens eine Wandlereinheit aufweist: einen ersten Wandler (4); und einen zweiten Wandler (6), der zwischen den ersten Wandler (4) und die Gleichspannungsquelle (3) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, bei der der erste Wandler dazu ausgebildet ist, einen Eingangstrom (–i1) zu erhalten und den Eingangstrom (–i1) so zu regeln, dass eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen dem Eingangstrom (–i1) und der Versorgungsspannung (V_ACS) vorhanden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, bei der die Phasendifferenz im Wesentlichen Null ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, bei der der erste Wandler (4) dazu ausgebildet ist, eine Amplitude des Eingangsstroms (–i1) zu regeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, bei der der erste Wandler (4) weiterhin dazu ausgebildet ist, die Spannung (V6) zu regeln, die durch den ersten Wandler (4) ausgegeben wird und durch den zweiten Wandler erhalten wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, bei der der zweite Wandler (6) dazu ausgebildet ist, den Strom (–I3) an die Gleichspannungsquelle (3) zuregeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 23, bei der der zweite Wandler (6) dazu ausgebildet ist, den Strom (–I3) an die Gleichspannungsquelle (3) in Übereinstimmung mit einer Ladekurve zu regeln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, bei dem die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsgleichspannung (V_DC) und einen Versorgungsgleichstrom (I_IN) zu erhalten.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schaltungsanordnung weiterhin aufweist: eine Auffaltbrücke (200), die zwischen die Reihenschaltung mit der Vielzahl von Wandlereinheiten (2) und die Lastanschlüsse gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der das Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) ein gleichgerichtetes Wechselsignal ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, bei der das Spannungsregelsignal (S_VC) ein gleichgerichtetes Wechselsignal ist.
Verfahren, das aufweist. Erhalten eines Spannungsreferenzsignals (S_vOUT) durch wenigstens eine Wandlereinheit (2) einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen (11, 12) bilden; und Erzeugen eines Ausgangsstroms (i1) durch die wenigstens eine Wandlereinheit (2) abhängig von dem Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) durch die wenigstens eine Wandlereinheit (2) der Vielzahl von Wandlereinheiten.
Verfahren nach Anspruch 29, das weiterhin aufweist: Erzeugen des Ausgangsstroms (i1) durch die wenigstens eine Wandlereinheit (2) abhängig von dem Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) derart, dass eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen dem Ausgangsstrom (i1) und dem Spannungsreferenzsignal (S_vOUT) vorhanden ist.
Verfahren, das aufweist: Erhalten eines Spannungsregelsignals (S_VC) durch wenigstens eine einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die eine Reihenschaltung zwischen Lastanschlüssen (11, 12) bilden; und Ausgeben einer Ausgangsspannung (v2) durch die wenigstens eine Wandlereinheit (2) derart, dass eine Frequenz, Phase und Amplitude der Ausgangsspannung (v2) abhängig sind von dem Spannungsregelsignal (S_VC).
Verfahren nach Anspruch 31, das weiterhin aufweist: Erzeugen des Spannungsregelsignals durch eine Steuereinheit (CCU) (S_VC) abhängig von einem Laststeuersignal (S_MC).