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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit einem ersten Kondensator zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Anschlusses des Wechselrichters, wenigstens zwei jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter und jeweils einen Mittelanschluss aufweisenden Halbbrückenmodulen sowie einem Taktgeber zum Ansteuern und Betreiben der Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule im Schaltbetrieb, wobei die Halbbrückenmodule am ersten Kondensator angeschlossen und dadurch parallel geschaltet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, wobei wenigstens zwei jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter und jeweils einen Mittelanschluss aufweisende Halbbrückenmodule des Wechselrichters mittels eines Taktgebers im Schaltbetrieb betrieben werden, wobei die Halbbrückenmodule in Parallelschaltung an einem ersten Kondensator des Wechselrichters betrieben werden. Schließlich betrifft die Erfindung ein Rechnerprogrammprodukt umfassend ein Programm für eine Rechnereinheit eines Taktgebers eines Wechselrichters.
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Wechselrichter der gattungsgemäßen Art sowie Verfahren zu deren Betrieb sind dem Grunde nach bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Wechselrichter sind eine Form eines Energiewandlers, mittels dem elektrische Energie einer Gleichspannung in elektrische Energie einer Wechselspannung, insbesondere einer einphasigen oder auch dreiphasigen Wechselspannung, gewandelt werden kann. Heutzutage werden Wechselrichter in Form sogenannter statischer Energiewandler eingesetzt, das heißt, dass sie anders als dynamische Energiewandler keine mechanisch bewegbaren, insbesondere rotierbaren Teile aufweisen. Wechselrichter der gattungsgemäßen Art als statische Energiewandler sind in der Regel als getaktete elektronische Energiewandler ausgebildet, und weisen zu diesem Zweck wenigstens ein Halbbrückenmodul mit zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern auf, mittels welchem eine mittels eines Zwischenkreises bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine elektrische Wechselspannung umgewandelt werden kann. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Halbbrückenschaltung genannt. Ein solcher Wechselrichter ist für sogenannten einphasigen Betrieb ausgelegt, das heißt, er stellt eine einzige elektrische Wechselspannung bereit. Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen Wechselrichters weist zwei am Zwischenkreiskondensator parallelgeschaltete Halbbrückenmodule auf, die gegenphasig betrieben werden, wodurch sich die Höhe der erzeugten Wechselspannung im Wesentlichen verdoppeln lässt. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Vollbrückenschaltung genannt.
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Darüber hinaus sind Wechselrichter insbesondere für die Erzeugung eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes im Einsatz, wobei zum Erzeugen für jede der Wechselspannungsphasen ein Halbbrückenmodul für jede Phase vorgesehen ist. Eine solche Schaltungstopologie wird gleichfalls Halbbrückenschaltung genannt. Darüber hinaus kann ein solcher Wechselrichter natürlich für jede Phase auch ein Paar von Halbbrückenmodulen aufweisen, um für jede Phase die Schaltungstopologie einer Vollbrückenschaltung bereitstellen zu können.
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Wechselrichter der vorbeschriebenen Art sind in vielfältiger Weise und in großer Stückzahl im Einsatz. Insbesondere sind sie für einen mittleren Leistungsbereich von etwa 1 kW bis etwa 120 kW oder auch für eine hohe Leistung von größer als 120 kW im Einsatz.
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Die zunehmende Verbreitung von regenerativen Energiequellen und Elektrofahrzeugen führt dazu, dass der Bedarf an Energiewandlern für eine Gleichspannungswandlung, sogenannten DC/DC-Wandlern zunimmt, insbesondere auch bei großen Leistungen. DC/DC-Wandler sind in der Regel – ebenfalls wie Wechselrichter – als getaktete elektronische Energiewandler USGEBILDET: Sie sind grundsätzlich 2-phasige Geräte und deshalb mit absehbarem Hardware-Aufwand realisierbar. Aufgrund der hohen Stückzahlen, insbesondere im mittleren und hohen Leistungsbereich, sind jedoch Wechselrichter relativ kostengünstig und mit hoher Leistungsdichte, vorzugsweise in Form eines sogenannten Motormoduls, verfügbar.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters anzugeben, welches es erlaubt, den Wechselrichter – abweichend von seiner ursprünglichen bestimmungsgemäßen Funktion – auch als Energiewandler für die Gleichspannungswandlung nutzen zu können.
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Als Lösung schlägt die Erfindung wechselrichterseitig einen Wechselrichter gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Verfahrensseitig wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 6 vorgeschlagen. Schließlich schlägt die Erfindung noch ein Rechnerprogrammprodukt gemäß des weiteren unabhängigen Anspruchs 13 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Wechselrichterseitig wird bei einem gattungsgemäßen Wechselrichter insbesondere vorgeschlagen, dass an jedem der Mittelanschlüsse ein Filtermodul angeschlossen ist und der die Halbleiterschalter der Halbbrücken steuernde Taktgeber dazu eingerichtet ist, die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule zum Ausbilden einer vorgebbaren elektrischen Gleichspannung an einem Ausgangsanschluss des Filtermoduls zu steuern.
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Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, dass der Wechselrichter – abweichend von seiner ursprünglichen Bestimmung – nunmehr als Gleichspannungswandler beziehungsweise als DC/DC-Wandler betrieben werden kann. Die Erfindung erlaubt es somit, die kostengünstig im gesamten Leistungsbereich herstellbaren Wechselrichter auch für einen Betrieb als getakteter elektronischer Energiewandler zum Wandeln von einer ersten elektrischen Gleichspannung in eine zweite elektrische Gleichspannung nutzen zu können. Zu diesem Zweck ist an jedem der Mittelanschlüsse ein Filtermodul angeschlossen, welche vorzugsweise einstückig ausgebildet sein können, so dass für alle Mittelanschlüsse ein einziges Filtermodul bereitgestellt wird. Hierdurch können betriebsbedingte Vorteile gegenüber einem einzelnen Filtermodul für jeden der Mittelanschlüsse erreicht werden, wie aus der weiteren Beschreibung noch ersichtlich werden wird. Zugleich wird der Taktgeber ertüchtigt, Steuersignale für die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule zu erzeugen, die es erlauben, mit Hilfe des Filtermoduls beziehungsweise der Filtermodule die zweite elektrische Gleichspannung an einem Ausgangsanschluss des Filtermodule beziehungsweise der Filtermodule bereitzustellen. Durch die Erfindung ist es somit möglich, einen bereits als abgeschlossene und/oder geprüfte Baueinheit vorhandenen Wechselrichter mechanisch im Wesentlichen unverändert für einen DC/DC-Wandler zu nutzen, indem an seine vorhandenen Mittelanschlüsse das Filtermodul angeschlossen und ansonsten lediglich die Steuersignale für die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule angepasst werden. Ein Eingriff in die Hardware des Wechselrichters kann dadurch im Wesentlichen vermieden werden. Der hierdurch gebildete DC/DC-Wandler umfasst bezüglich der Hardware somit neben dem Wechselrichter selbst lediglich das an seine Mittelanschlüsse angeschlossene Filtermodul. Die weitere Anpassung bezüglich der Steuersignale für die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule kann als einfach durchzuführende Softwareadaption realisiert sein.
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Die Erfindung ist natürlich nicht nur bei Schaltungstopologien für Wechselrichter anwendbar, die auf der bekannten Zwei-Stufen-Technologie (2-level-inverter) beruhen, sondern gleichermaßen auch bei Wechselrichtern, deren Schaltungstopologie auf einer Drei-Stufen-Technologie (3-level-inverter, S3L-Inverter) oder Multi-Stufen-Technologie (multiple-level-inverter) beruhen. Bei Wechselrichtern höherer Leistung, beispielsweise ab etwa 10 kW, kann die 3-Stufen-Ausführung eingesetzt werden. Bei solchen Wechselrichtern ist neben den zwei bekannten, durch den ersten Kreiskondensator bestimmten elektrischen Potentialen am Mittelanschluss wenigstens ein weiteres drittes elektrisches Potential bereitstellbar, welches vorzugsweise zwischen den beiden bekannten elektrischen Potentialen liegt. Hierdurch können Vorteile im bestimmungsgemäßen Betreib erreicht werden, beispielsweise geringere Schaltverluste, höhere Taktrate und/oder dergleichen. Diese Ausgestaltung kann natürlich auch mit einer Halbbrücken- oder Vollbrückentopologie kombiniert sein.
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Ein Halbleiterschalter im Sinne dieser Offenbarung ist ein vorzugsweise steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metaloxid Semiconductor Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), vorzugsweise mit integrierten Freilaufdioden, oder dergleichen.
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Der Mittelanschluss eines Halbbrückenmoduls ist ein Anschluss, der mit dem Verbindungspunkt der in Serie geschalteten Halbleiterschalter elektrisch leitend verbunden ist. Im Wechselrichterbetrieb wird an diesem Mittelanschluss üblicherweise die gewandelte Wechselspannung bereitgestellt.
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Der Schaltbetrieb des Halbleiterschalters bedeutet, dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen den die Schaltstrecke bildenden Anschlüssen ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, so dass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschalters hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, so dass auch bei hoher an der Schaltstrecke anliegender Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer insbesondere vernachlässigbarer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich in Linearbetrieb, der aber bei getakteten Energiewandlern nicht zum Einsatz kommt.
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Der erste Kondensator des Wechselrichters wird häufig auch als Zwischenkreiskondensator bezeichnet, wenn der Wechselrichter in seinem bestimmungsgemäßen Wechselrichterbetrieb betrieben wird.
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Üblicherweise weist der Wechselrichter bereits einen ersten Kondensator auf, an dem die Halbbrückenmodule angeschlossen sind. Die Halbbrückenmodule sind vorzugsweise als eine Baueinheit ausgebildet, die lediglich zwei Anschlüsse zum Anschluss an den ersten Kondensator, einen oder zwei Steueranschlüsse für die beiden Halbleiterschalter und den Mittelanschluss aufweisen. Natürlich können die Halbbrückenmodule auch separat durch diskrete Einzelbauteile gebildet sein. Auf diese Weise sind die Halbbrückenmodule nicht nur am ersten Kondensator angeschlossen, sondern darüber hinaus auch parallelgeschaltet. Wechselrichter, die für den Einsatz der Erfindung besonders geeignet sind, weisen somit insbesondere zwei, drei oder sechs Halbbrückenmodule auf.
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Die Erfindung verbessert demnach einen Betrieb, bei dem ein Wechselrichter als DC/DC-Wandler genutzt wird, um ein Laden und/oder Entladen von Ultracaps beim Absenken und Anheben von Lasten durch elektrisch angetriebene Kräne ermöglichen zu können, bei dem nur eine von mehreren Halbbrücken zum Zwecke des Energiewandelns genutzt wird.
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Ebenso verbessert die Erfindung eine Ansteuerung von Tragspulen in einem Magnetlagergegenüber einer Realisierung der Gleichspannungswandlung mit einem Wechselrichter, der Gleichstrom durch eine der Halbbrücken herausgeführt und durch eine zweite der Halbbrücken zurückführt. Eine dritte Halbbrücke wäre bei einem solchen Wechselrichter wiederum ungenutzt.
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Die Erfindung verbessert folglich gegenüber dem ersten Fall, dass der Gleichstrom durch die maximale Stromtragfähigkeit des Halbbrückenmoduls begrenzt ist, und es entstehen erhöhte Verluste im Wechselrichter. Darüber hinaus verbessert die Erfindung gegenüber den beiden vorgenannten Realisierungen, dass eine Inbetriebnahme nur durch Experten möglich ist. Bei der Erfindung ist dies nämlich nicht mehr erforderlich.
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Es ist somit ein weiterer Aspekt der Erfindung, dass das Filtermodul für jeden Mittelanschluss jeweils eine Induktivität aufweist, die mit jeweils einem ihrer Anschlüsse an den entsprechenden Mittelanschluss angeschlossen ist, wobei die jeweils anderen Anschlüsse der Induktivitäten einen gemeinsamen Sternpunkt bildend zusammengeschaltet sind. An jedem Mittelanschluss jedes Halbbrückenmoduls ist somit jeweils eine eigene Induktivität angeschlossen. Vorzugsweise sind die Induktivitäten im Wesentlichen nicht miteinander magnetisch gekoppelt, so dass ein im Wesentlichen unabhängiger Betrieb der jeweils hierdurch gebildeten, parallelgeschalteten durch die Halbbrückenmodule gebildeten Wandlerstufen erreicht werden kann. Die Induktivitäten sind demnach im Wesentlichen magnetisch autark. Unerwünschte Rückwirkungen zwischen den Mittelanschlüssen können auf diese Weise weitgehend vermieden werden.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass – im Unterschied zum Stand der Technik – sämtliche Halbbrückenmodule des Wechselrichters während des Betriebs als Gleichspannungsenergiewandler aktiv sind und somit eine hohe Leistungsdichte beim Energiewandeln erreicht werden kann.
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Durch die Zusammenfassung der jeweils anderen Anschlüsse der Induktivitäten zu einem gemeinsamen Sternpunkt, wird erreicht, dass neben einer am ersten Kondensator anliegenden Gleichspannung mittels des Filtermoduls eine zweite Gleichspannung bereitgestellt werden kann.
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Um den Tiefsetzbetrieb realisieren zu können, braucht lediglich ein einziger der Halbleiterschalter des jeweiligen Halbbrückenmoduls betrieben zu werden. Der jeweils andere Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule braucht während des Tiefsetzbetriebs nicht betätigt zu werden, das heißt, er kann während dieses Betriebs ständig ausgeschaltet bleiben. Natürlich können auch komplexere Steuerungssignale für die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule vorgesehen sein.
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Bei einem derartigen Tiefsetzbetrieb werden lediglich die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule getaktet, die eine Energieentnahme aus dem ersten Kondensator zur Folge haben. Bei Energiewandlung vom ersten Kondensator in den zweiten Kondensator arbeitet der Wechselrichter somit als getakteter elektronischer Energiewandler im Tiefsetzbetrieb, das heißt, die elektrische Gleichspannung am Ausgangsanschluss des Filtermoduls ist hinsichtlich ihres Wertes kleiner als die elektrische Gleichspannung am ersten Kondensator.
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Dem Grunde nach ist natürlich in dualer Weise auch ein Hochsetzbetrieb möglich. Ein Energiefluss kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung vom Ausgangsanschluss des Filtermoduls, der bei diesem Betrieb als Energiezuführung dient, in den ersten Kondensator erfolgen. Grundsätzlich besteht natürlich die Möglichkeit, einen Energiefluss sowohl vom ersten Kondensator zum Filtermodul als auch umgekehrt zu erreichen.
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Im Unterschied zum Betrieb als Tiefsetzsteller brauchen bei umgekehrten Energiefluss als Hochsetzsteller jedoch nur die jeweils komplementären Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule angesteuert zu werden, wohingegen die übrigen Halbleiterschalter permanent ausgeschaltet bleiben können. Der Energiefluss erfolgt in dieser Ausgestaltung also entgegengesetzt zur ersten Ausgestaltung.
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Ein Hochsetzbetrieb ist jedoch auch in die gleiche Energieflussrichtung wie beim zuvor genannten Tiefsetzbetrieb möglich. Gegebenenfalls können zu diesem Zweck geeignete Anpassungen am Filtermodul vorgesehen werden. Ebenso kann ein Tiefsetzbetrieb mit einer Energieflussrichtung vom Filtermodul zum ersten Kondensator vorgesehen sein. Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler geeignet, sowohl ein Hochsetzstellen als auch ein Tiefsetzstellen mit beliebiger Energieflussrichtung zu ermöglichen.
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Der Taktgeber kann durch eine elektronische Schaltung aber auch durch eine Rechnereinheit oder eine Kombination hiervon gebildet sein. Vorzugsweise ist er Bestandteil des Wechselrichters und liefert für jedes Halbbrückenmodul, insbesondere für jeden Halbleiterschalter, ein, insbesondere individuelles Steuersignal. Diese Ausgestaltung ermöglicht den bestimmungsgemäßen Betrieb als Wechselrichter.
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Die Erfindung macht sich diese Schaltungstopologie des Wechselrichters zunutze, indem der Taktgeber dahingehend angepasst wird, dass er zum Hochsetzstellen beziehungsweise Tiefsetzstellen geeignete Steuersignale für die Halbleiterschalter beziehungsweise die Halbbrückenmodule erzeugen kann. Entsprechend ist verfahrensseitig insbesondere vorgesehen, dass der Wechselrichter genutzt wird, um elektrische Energie einer ersten Gleichspannung in elektrische Energie einer zweiten elektrischen Gleichspannung zu wandeln, zu welchem Zweck die Mittelanschlüsse der Halbbrückenmodule an ein Filtermodul angeschlossen sind und der die Halbleiterschalter der Halbbrücken steuernde Taktgeber die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule zum Ausbilden einer vorgebbaren elektrischen Gleichspannung an einem Ausgangsanschluss des Filtermoduls steuert. Damit können die vorgenannten Vorteile und Eigenschaften erreicht werden.
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Insbesondere kann mittels des Filtermoduls die Mittelanschlüsse des Wechselrichters jeweils über eine eigene, vorzugsweise magnetisch autarke Induktivität zu einem an einem zweiten Kondensator des Filtermoduls angeschlossenen Sternpunkt zusammengeführt werden, wobei der Taktgeber jeweils ausschließlich nur einen ersten der Halbleiterschalter der Halbleiterbrückenmodule im Schaltbetrieb zu steuern braucht und der jeweils zweite Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule während dieses Betriebs ausgeschaltet bleiben kann. Im Betrieb als DC/DC-Wandler kann demnach vorgesehen sein, dass die Halbbrückenmodule lediglich hälftig benutzt werden, nämlich lediglich einer der durch sie bereitgestellten Halbleiterschalter. Ansonsten werden die Halbbrückenmodule wie auch im Wechselrichterbetrieb parallelgeschaltet zugleich betrieben, so dass alle Halbbrückenmodule des Wechselrichters im Wandlungsbetrieb aktiv sind.
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Das erfindungsgemäße erlaubt es also, einen Wechselrichter als DC/DC-Wandler zu betreiben, insbesondere um ein Tiefsetzstellen erreichen zu können, aber auch um ein Hochsetzstellen erreichen zu können. Je nach vorgenannter Betriebsart kann die Richtung des Energieflusses wechseln oder auch beibehalten werden. Bei einem Tiefsetzstellbetrieb erfolgt der Energiefluss beispielsweise vom ersten Kondensator zum Ausgangsanschluss des Filtermoduls. Bei einem Hochsetzbetrieb kann der Energiefluss beispielsweise umgekehrt sein.
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Vorzugsweise werden sämtliche Halbbrückenmodule des Wechselrichters zum Zwecke der Energiewandlung genutzt. Bei einem dreiphasigen Wechselrichter werden demnach alle Halbrücken sämtlicher Phasen zugleich für die DC/DC-Wandlung verwendet.
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Entsprechend umfasst die Erfindung auch ein gattungsgemäßes Rechnerprogrammprodukt, wobei das Produkt Programmcodeabschnitte eines Programms zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wenn das Programm durch die Rechnereinheit des Taktgebers ausgeführt wird, so dass der Wechselrichter elektrische Energie einer ersten elektrischen Gleichspannung in elektrische Energie einer zweiten elektrischen Gleichspannung wandelt. Das vorgenannte Rechnerprogrammprodukt kann als rechnerlesbares Speichermedium ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Programm direkt in einen internen Speicher der Rechnereinheit ladbar sein. So ist es beispielsweise möglich, das Programm aus einem Netzwerk von einer Quelle, beispielsweise einem Server, herunterzuladen und in einen internen Speicher der Rechnereinheit zu laden, so dass der Rechner das Programm ausführen kann.
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Vorzugsweise umfasst das Rechnerprogrammprodukt ein rechnerlesbares Medium, auf welchem die Programmcodeabschnitte gespeichert sind. Ein solches rechnerlesbares Medium kann beispielsweise ein Speicherbaustein, eine Compact Disc, ein USB-Stick, oder dergleichen sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Filtermodul einen zweiten Kondensator aufweist, der am Sternpunkt angeschlossen ist. Zugleich ist der die Halbleiterschalter der Halbbrücken steuernde Taktgeber vorzugsweise dazu eingerichtet ist, die Halbleiterschalter der Halbrücken zum Ausbilden einer vorgebbaren Gleichspannung am zweiten Kondensator zu steuern. Entsprechend braucht jeweils lediglich nur einer der beiden Halbleiterschalter des jeweiligen Halbbrückenmoduls angesteuert zu werden, wohingegen der zweite der beiden Halbleiterschalter während dieses Betriebs ausgeschaltet bleiben kann, und zwar ständig ausgeschaltet bleiben kann. Dadurch kann bei einem Tiefsetzbetrieb beispielsweise ein Energiefluss vom ersten Kondensator zum Ausgangsanschluss des Filtermoduls erreicht werden. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass der Taktgeber die am Ausgangsanschluss des Filtermoduls entstehende zweite elektrische Gleichspannung erfasst und mit einem Spannungsvergleichswert vergleicht und mittels einer Regelungsfunktion auf diesen Vergleichswert regelt. So kann eine vorgebbare elektrische Gleichspannung am Ausgangsanschluss des Filtermoduls erreicht werden, die, unabhängig von einer elektrischen Belastung, weitgehend konstant gehalten werden kann. Vorzugsweise ist die Vergleichsspannung einstellbar ausgebildet, so dass die Gleichspannung am Ausgangsanschluss des Filtermoduls für die gewünschte Anwendung angepasst gewählt werden kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Sternpunkt über eine Sternpunktinduktivität an den zweiten Kondensator angeschlossen ist. Die Sternpunktinduktivität ist eine Induktivität, die vorzugsweise im Vergleich zu den bereits zuvor genannten an die Mittelanschlüsse angeschlossenen Induktivitäten klein gewählt ist. Die Sternpunktinduktivität kann dazu dienen, eine verbesserte Glättung sowie eine Störunterdrückung, insbesondere in Bezug auf Oberschwingungen der zweiten elektrischen Gleichspannung zu verbessern.
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Darüber hinaus kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung am zweiten Kondensator eine elektrische Drossel angeschlossen sein. Diese erlaubt es, Störeffekte weiter zu dämpfen und insbesondere die Spannung am zweiten Kondensator weiter zu stabilisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in den Halbbrückenmodulen für jeden Halbleiterschalter eine Freilaufdiode vorgesehen ist, die zu diesem parallelgeschaltet ist. Durch die Freilaufdioden kann der gewünschte Wandlungseffekt weiter unterstützt werden. Vorzugsweise sind die Freilaufdioden in die Halbleiterschalter integriert. Sie können aber auch durch separate Bauelemente gebildet sein, die jeweils zu jedem Halbleiterschalter parallelgeschaltet sind. Bei einem unidirektional betreibbaren Halbleiterschalter, das heißt, ein Halbleiterschalter, dessen Schaltstrecke Strom nur in eine einzige Richtung im eingeschalteten Zustand durchlässt, ist die Freilaufdiode folglich so zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters parallelgeschaltet, dass sie einen entgegengesetzten Stromfluss erlaubt. Hierdurch kann eine automatische Kommutierung auch bei lediglich unidirektional leitfähigen Halbleiterschaltern erreicht werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beiden Kondensatoren und jeweils ein Anschluss der Halbbrückenmodule ein gemeinsames Bezugspotential bilden und der Taktgeber eingerichtet ist, die an das Bezugspotential angeschlossenen Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule ausgeschaltet zu halten. Das Bezugspotential kann durch ein elektrisches Potential des ersten Kondensators gebildet sein. Es kann aber auch durch ein anderes Potential des Wechselrichters gebildet sein. Auf diese Weise kann eine einfache Realisierung der Gleichspannungswandlung erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird verfahrensseitig vorgeschlagen, dass die Mittelanschlüsse jeweils über eine Induktivität des Filtermoduls (84, 96) zu einem Sternpunkt zusammengeführt werden und der Taktgeber jeweils ausschließlich nur einen ersten der Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule im Schaltbetrieb steuert und der jeweils zweite Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule während dieses Betriebs ausgeschaltet bleibt. Auf diese Weise lässt sich mit minimalem Aufwand ein Betreib des Wechselrichters als DC/CD-Wandler erreichen. Alternativ können natürlich auch komplexere Betriebsmodi für die Halbleiterschalter vorgesehen sein, bei denen sämtliche Halbleiterschalter sämtlicher Halbbrückenmodule einbezogen sind.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Filtermodul durch die drei an den Mittelanschlüssen der Halbbrückenmodule angeschlossenen Induktivitäten gebildet, die auch zum Sternpunkt zusammengeschaltet sind. Eine zweite Ausgestaltung des Filtermoduls sieht vor, dass die Induktivitäten lediglich einen kleinen Induktivitätswert aufweisen, und mit einer Sternpunktinduktivität zusammengeschaltet sind, die einen hohen Wert für eine Induktivität aufweist. Hierdurch kann der bestimmungsgemäße Betrieb des Wechselrichters als DC/DC-Wandler weiter verbessert werden.
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Mit dem Filtermodul kann beispielsweise eine Glättung eines Gleichstromes erreicht werden, der dem zweiten Kondensator entnommen wird.
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Verfahrensseitig wird ferner vorgeschlagen, dass die erste Gleichspannung mittels des ersten Kondensators und die zweite Gleichspannung mittels des zweiten Kondensators bereitgestellt wird. Die beiden Kondensatoren können also dazu dienen, gewünschte Spannungen für die Gleichspannungswandlung bereitzustellen. Insbesondere können die Kondensatoren dazu dienen, Momentanwerte der Gleichspannung bereitzustellen, die für eine Spannungswandlung beziehungsweise Spannungsregelung sowie zur Steuerung der Energiewandlung genutzt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Taktgeber die Halbleiterschalter derart steuert, dass der Wechselrichter als Tiefsetzsteller wirkt. Der Taktgeber ist dazu eingerichtet, entsprechende Steuersignale, insbesondere pulsweitenmodulierte (PWM)-Signale oder dergleichen bereitzustellen, mittels denen die Halbleiterschalter in gewünschter Weise geschaltet werden können. Vorzugsweise sind die Steuersignale entsprechend der zu wandelnden Energie und den an den Kondensatoren bereitstehenden Spannungen beziehungsweise bereitgestellten Spannungen einzustellen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Taktgeber die Halbleiterschalter derart steuert, dass der Wechselrichter als Hochsetzsteller wirkt. Wie bereits zuvor angedeutet, erfolgt in dieser Ausgestaltung ein Energiefluss vom zweiten Kondensator zum ersten Kondensator. Darüber hinaus brauchen in einer Ausgestaltung lediglich die komplementären Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule gegenüber dem Tiefsetzbetrieb betrieben zu werden. Halbbrückenmodulseitig würde somit die Belastung auf dem jeweiligen komplementären Halbleiterschalter liegen. Entsprechend kann der Taktgeber die Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule ansteuern. Auch hier kann eine Regelung vorgesehen sein, die die zu wandelnde Energiemenge beziehungsweise Leistung sowie die an den Kondensatoren anliegenden beziehungsweise bereitzustellenden Spannungen berücksichtigt.
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Eine Energieflussrichtung kann in beiden Fällen, das heißt, Hochsetzstellen beziehungsweise Tiefsetzsetzstellen, bedarfsgerecht gewählt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mittels vom Taktgeber erzeugter Steuersignale für die Halbleiterschalter die Halbbrückenmodule zeitgleich betrieben werden. In dieser Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass sämtliche Halbleiterschalter der Halbbrückenmodule synchron angesteuert werden. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache Steuerung erreichen.
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Alternativ kann jedoch auch vorgesehen, dass mittels vom Taktgeber erzeugter Steuersignale für die Halbleiterschalter die Halbbrückenmodule im Zeitversatz betrieben werden. Dies erlaubt es, eine Strombelastung insbesondere der beiden Kondensatoren, zu reduzieren. Vorzugsweise wird eine möglichst kontinuierliche Strombeanspruchung der beiden Kondensatoren eingestellt. Hierdurch kann nicht nur der Wirkungsgrad der Glättung durch die beiden Kondensatoren, sondern auch entstehende Oberschwingungen oder dergleichen reduziert werden. Es können aber auch Erwägungen bezüglich einer Beeinflussung von Oberschwingungen der zweiten elektrischen Gleichspannung berücksichtigt werden, um einen Zeitversatz zu ermitteln. m
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die erste und/oder die zweite Gleichspannung geglättet werden. Vorzugsweise kann dies mittels Filtermoduls erreicht werden. Zu diesem Zweck können weitere passive elektronische Bauteile mit Energiespeicherfunktion vorgesehen sein, um einen gewünschten Glättungsgrad der jeweiligen Gleichspannung erreichen zu können.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass mittels einer Detektionseinheit ein an den Wechselrichter angeschlossenes Filtermodul detektiert wird. Das Filtermodul kann beispielsweise die Induktivitäten, die Sternpunktinduktivität, die elektrische Drossel, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise kann der Taktgeber die Steuersignale für die Halbleiterschalter entsprechend des detektierten Filtermoduls automatisch einstellen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Taktgeber mit Hilfe der Detektionseinheit detektieren kann, ob die Induktivitäten bestimmungsgemäß an die Mittelanschlüsse der Halbbrückenmodule angeschlossen sind. So kann zusätzlich eine Sicherheitsfunktion erreicht werden, so dass gefährliche Zustände weitgehend vermieden werden können. Darüber hinaus kann aber auch vorgesehen sein, dass der Wechselrichter Filtermodulbezogene Parameter ermitteln kann, damit der Taktgeber entsprechend der ermittelten Parameter seine Steuersignale erzeugt. So kann eine automatische Adaption des Taktgebers an ein an den Wechselrichter angeschlossenes Filtermodul erreicht werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren sind gleiche Bauteile und Funktionen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Prinzipschaltbild für einen bidirektionalen DC-DC-Wandler, der hier als synchroner getakteter elektronischer Energiewandler ausgebildet ist,
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2 ein schematisches Prinzipschaltbild für einen Wechselrichter betrieben als DC-DC-Wandler in einem Tiefsetzbetrieb mit einer erfindungsgemäßen Induktivitätsschaltung,
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3 schematisch ein Prinzipschaltbild für einen Wechselrichter, der als DC-DC-Wandler betrieben wird mit einer Induktivitätsanordnung gemäß der Erfindung in einer alternativen Ausgestaltung,
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4 eine schematische Darstellung eines Steuersignal-Zeit-Diagramms mit drei Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschalter der drei Halbbrückenmodule der Schaltung gemäß 2 und
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5 eine schematische Darstellung eines Steuersignal-Zeit-Diagramms mit drei Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschalter der drei Halbbrückenmodule der Schaltung gemäß 3.
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1 zeigt in einer schematischen Prinzipschaltdarstellung eine grundlegende Schaltungstopologie für einen bidirektionalen DC-DC-Wandler 10, der als synchroner DC-DC-Wandler ausgebildet ist, das heißt, der sowohl für einen Hochsetzbetrieb als auch für einen Tiefsetzbetrieb geeignet ist. Zu diesem Zweck weist der DC-DC-Wandler eine erste Anschlussseite 22 auf, die zwei nicht bezeichnete Anschlüsse umfasst, an denen ein erster Kondensator 12 angeschlossen ist. Ferner weist der DC-DC-Wandler 10 eine zweite Anschlussseite 24 auf, deren beide Anschlüsse an einen zweiten Kondensator 14 angeschlossen sind. Vorliegend ist der DC-DC-Wandler 10 ohne galvanische Trennung ausgebildet. Aus diesem Grund bilden jeweils einer der beiden Anschlüsse der Anschlussseiten 22, 24 ein gemeinsames Bezugspotential.
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Zwischen den beiden Kondensatoren sind ferner zwei Wandlungszweige mit Induktivitäten 16, 18 angeordnet, die jeweils mittels zweier IGBT’s 20 an die jeweils beiden Kondensatoren 12, 14 angeschlossen sind. Nicht dargestellt ist eine Steuereinheit, die die Transistoren 20 entsprechend des gewählten Betriebs ansteuern, um den gewünschten Wandlungseffekt erreichen zu können. Ferner sind in Serie zu den Induktivitäten 16, 18 Stromsensoren 26 geschaltet, mittels denen der jeweilige aktuelle Strom durch die jeweilige Induktivität 16, 18 erfasst werden kann. Dieser erfasste Stromwert wird an die Steuereinheit übermittelt und dient neben weiteren Parametern zur Erzeugung der geeigneten Steuersignale für die IGBT’s 20.
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2 zeigt in schematischer Schaltbilddarstellung einen Wechselrichter 30, der für die Bereitstellung einer dreiphasigen Wechselspannung ausgelegt ist. Zu diesem Zweck weist der Wechselrichter 30 einen ersten Kondensator 32 auf, der als Zwischenkreiskondensator dient und an dem Halbbrückenmodule 130, 132, 134 mit jeweils seriell verschalteten IGBT’s 40, 42, 44, 46, 48, 50 als Halbleiterschalter angeschlossen sind. Hierdurch sind Halbbrückenmodule 130, 132, 134 parallelgeschaltet. Jedes der Halbbrückenmodule 130, 132, 134 weist einen Mittelanschluss 34, 36, 38 auf, an denen beim gewöhnlichen Wechselrichterbetrieb drei um jeweils 120 Grad phasenverschobene Wechselspannungen bereitgestellt werden.
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Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass der Wechselrichter 30 um ein an die Mittelanschlüsse 34, 36, 38 angeschlossenes Filtermodul 84 ergänzt ist, welches drei Induktivitäten 62, 66, 68 aufweist, die jeweils mit einem Anschluss an jeweils einen Mittelanschluss 34, 36, 38 des Wechselrichters 30 angeschlossen sind und mit ihren gegenüberliegenden anderen Anschlüssen zu einem gemeinsamen Sternpunkt 60 elektrisch leitend zusammengefasst sind.
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Der Sternpunkt 60 ist über eine Sternpunktdrossel 76 an einen zweiten Kondensator 74 angeschlossen. Jeweils ein Anschluss der Kondensatoren 32, 74 sowie die Emmitoren der IGBT’s 42, 46, 50 bilden ein gemeinsames Bezugspotential 86 des Wechselrichters 30.
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Am ersten Kondensator 32 ist – nicht dargestellt – eine elektrische Energiequelle angeschlossen, die am ersten Kondensator 32 eine Eingangsspannung 82 in Form einer elektrischen Gleichspannung bewirkt.
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Eine Ausgangsspannung 80 ist über den zweiten Kondensator 74 und über eine elektrische Drossel 78 des Filtermoduls 84 gegenüber dem Bezugspotential 86 bereitgestellt.
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Ferner weist jeder der IGBT’s 40, 42, 44, 46, 48, 50 eine Freilaufdiode 58 auf, die in den jeweiligen IGBT 40, 42, 44, 46, 48, 50 integriert ist.
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Die Kombination aus dem Wechselrichter 30 und dem Filtermodul 84 dient vorliegend dazu, die Eingangsspannung 82 in eine Ausgangsspannung 80 zu wandeln, die kleiner ist als die Eingangsspannung 82. Entsprechend erfolgt ein Energiefluss vom ersten Kondensator 32 zum zweiten Kondensator 74.
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Zur Erreichung dieses Tiefsetzbetriebs des Wechselrichters 30 werden die IGBT’s 40, 44, 48 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung von einem nicht dargestellten Taktgeber entsprechend geeignet angesteuert. Zugleich sind die IGBT’s 42, 46, 50 während dieses Betriebszustands in dieser Ausgestaltung permanent ausgeschaltet. Alternativ können natürlich auch Betriebsmodi mit anderen Steuersignalen vorgesehen sein, die sämtliche IGBT’s während des DC/DC-Wandlungsbetriebs betätigen.
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Die IGBT’s 40, 44, 48 werden mit Steuersignalen 52, 54, 56 entsprechend angesteuert. 4 zeigt in einem Signalzeitdiagramm Zeitverläufe der Steuersignale 52, 54, 56.
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Danach ist zu ersehen, dass die IGBT’s 40, 44, 48 jeweils zeitlich versetzt eingeschaltet werden. Die entsprechenden Steuersignale 52, 54, 56 sind durch Rechtecksignale gebildet, die entsprechend des Energieflusses PWM-moduliert sind. Es handelt sich hierbei um Rechtecksignale, mittels denen die IGBT’s 40, 44, 48 jeweils entweder ganz eingeschaltet oder ganz ausgeschaltet werden können. Diese Signale liegen an den nicht bezeichneten Gate-Anschlüssen der IGBT’s 40, 44, 48 an.
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Aus 4 ist ersichtlich, dass die entsprechenden Steuersignale 52, 54, 56 jeweils gegeneinander um eine Drittel Periode verschoben sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Strombelastung des ersten Kondensators 32 möglichst gleichmäßig gehalten wird.
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Mittels der Induktivitäten 62, 66, 68 wird die elektrische Energie des ersten Kondensators 32 über die Sternpunktinduktivität 76 in den zweiten Kondensator 74 überführt und hat dort eine entsprechende Spannungsbereitstellung zur Folge. Über die Drossel 78 wird die Ausgangsspannung 80 bereitgestellt.
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Der Wechselrichter 30 umfasst die drei Halbbrückenmodule 130, 132, 134, die jeweils aus einem seriell verschalteten Paar der IGBT’s gebildet sind. So ist ein erstes Halbbrückenmodul 130 gebildet durch die IGBT’s 40, 42. Ein zweites Halbbrückenmodul 132 ist gebildet durch die IGBT’s 44, 46. Ein drittes Halbbrückenmodul 134 ist gebildet durch die IGBT’s 48, 50.
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Wie aus 2 unter Berücksichtigung der Steuersignale gemäß 4 ersichtlich ist, sind alle drei Halbbrückenmodule 130, 132, 134 zum Zwecke der Energiewandlung im Einsatz.
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Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass das Filtermodul 84 die Sternpunktdrossel 76 als ergänzendes Filterelement 72 umfasst. Darüber hinaus umfasst das Filtermodul 84 ferner den zweiten Kondensator 74 und die Drossel 78 als zweites Filterelement 70. Diese beiden Filterelemente 70, 72 können bei alternativen Ausführungsbeispielen auch weggelassen oder jeweils nur einzeln vorgesehen sein.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung mit einem Wechselrichter 30 wie zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemäß 2 beschrieben in Verbindung mit einem Filtermodul 96 gemäß der Erfindung, um, wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel, den Wechselrichter 30 in einem Tiefsetzbetrieb betreiben zu können. Bezüglich der grundsätzlichen Funktionen wird deshalb auf das vorhergehende Ausführungsbeispiel zu den 2 und 4 verwiesen. Im Folgenden sollen lediglich die Unterschiede weiter diskutiert werden.
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Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß der 2 und 4 werden die IGBT’s 40, 44, 48 des Wechselrichters 30 nunmehr mittels Steuersignalen 90, 92, 94 angesteuert. 5 zeigt die entsprechenden Steuersignale 90, 92, 94 in einem Signal-Zeit-Diagramm. Zu erkennen ist, dass die IGBT’s 40, 44, 48 zeitlich synchron geschaltet werden.
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Der unterschiedliche Betrieb des Wechselrichters 30 als Tiefsetzsteller gegenüber dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 4 führt zu Änderungen am Filtermodul, weshalb bei dieser Ausgestaltung gemäß der Erfindung das Filtermodul 96 vorgesehen ist. Im Unterschied zum Filtermodul 84 gemäß des vorhergehenden Ausführungsbeispiels zu den 2 und 4 sind bei dem Filtermodul 96 anstelle der Induktivitäten 60, 66, 68 nunmehr Induktivitäten 100, 102 und 104 vorgesehen, die zum Sternpunkt 60 zusammengeführt sind und die jeweils an einem der Mittelanschlüsse 34, 36, 38 angeschlossen sind. Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind aufgrund des Steuerungsverfahrens die Induktivitätswerte der Induktivitäten 100, 102 und 104 erheblich kleiner gewählt als im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Darüber hinaus ist ferner ebenfalls wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Sternpunkt 60 mittels einer Sternpunktdrossel 76 an den zweiten Kondensator 74 angeschlossen ist, mittels dem über eine Drossel 78 wieder die Ausgangsspannung 80 bereitgestellt wird. Bezüglich der Wirkungsweise wird auf die vorhergehenden Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 4 verwiesen.
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Die Erfindung ermöglicht es somit, einen konventionellen Wechselrichter, insbesondere einen 3-Phasen-Wechselrichter dazu zu ertüchtigen, als DC/DC-Wandler eingesetzt werden zu können. Zu diesem Zweck wird lediglich an die Mittelanschlüsse das Filtermodul, das die entsprechenden Induktivitäten aufweist, angeschlossen. Eine ergänzende einfache Änderung der Steuerung des Taktgebers ermöglicht es dann, den Wechselrichter als DC/DC-Wandler zu betreiben. Weitere Hardwareänderungen sind nicht erforderlich, wodurch insbesondere entwicklungstechnische Maßnahmen sowie auch zulassungstechnische und sicherheitstechnische Maßnahmen eingespart werden können.
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Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele soll die Erfindung lediglich erläutern und diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können natürlich anstelle der IGBT’s auch beliebige andere Halbleiterschalter zum Einsatz kommen, beispielsweise auch Halbleiterschalter, die einen bidirektionalen Stromfluss im eingeschalteten Zustand erlauben und demnach ein Vorsehen von Freilaufdioden nicht zwingend erfordern. Solche Halbleiterschalter können beispielsweise durch spezielle MOSFET’s gebildet sein. Darüber hinaus kann natürlich die Erfindung sowohl zum Tiefsetzstellen als auch zum Hochsetzstellen benutzt werden. Die Energieflussrichtung kann dabei bedarfsweise gewählt werden. Zu diesem Zweck ist der Taktgeber mit entsprechenden Steuersignalen zu versorgen. Gegebenenfalls ist das Filtermodul anzupassen. Beispielsweise können anstelle der IGBT’s 40, 44, 48, die bei einem Betriebsmodus im Tiefsetzbetrieb aktiv sein können, dann statt dessen die Halbleiterschalter 42, 46, 50 aktiv im Taktbetrieb sein, wohingegen die Halbleiterschalter 40, 44, 48 während dieses Betriebs des Hochsetzstellens deaktiviert sein können, das heißt, ausgeschaltet sein können.
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Natürlich können auch einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, insbesondere Merkmale der abhängigen Ansprüche. Darüber hinaus können natürlich Vorrichtungsmerkmale auch durch entsprechende Verfahrensschritte und umgekehrt angegeben sein.
