DE102014109048A1

DE102014109048A1 - Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung, Spannungswandler und Schaltungsanordnung mit einer derartigen Halbbrückenanordnung und Verfahren zum Betrieb eines Spannungswandlers

Info

Publication number: DE102014109048A1
Application number: DE102014109048.9A
Authority: DE
Inventors: Burkard Müller; Klaus Rigbers; Carsten Althof; Artjom Gruber; Ioannis Kompougias
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-06-28
Also published as: DE102014109048B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung (20) eines Spannungswandlers (10), aufweisend – eine Reihenschaltung (23) mindestens eines ersten Schaltorgans (231), eines zweiten Schaltorgans (232), eines dritten Schaltorgans (233) und eines vierten Schaltorgans (234), – Niederspannungsanschlüsse (21, 22), die mit einem Endpunkt der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) und einem Mittelabgriff zwischen dem zweiten Schaltorgan (232) und dem dritten Schaltorgan (233) der Reihenschaltung (23) verbunden sind, – Hochspannungsanschlüsse (25, 26), wobei die Hochspannungsanschlüsse (25, 26) mit den beiden Endpunkten der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) verbunden sind, und – einen Speicherkondensator (24), der mit einem Abgriff zwischen dem ersten Schaltorgan (231) und dem zweiten Schaltorgan (232) der Reihenschaltung (23) und mit einem weiteren Abgriff zwischen dem dritten schaltorgan (233) und dem vierten Schaltorgan (234) der Reihenschaltung (23) verbunden ist. Die Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung (20) zeichnet sich durch mindestens eine Schutzschaltung (27, 28) aus, die einen bedingten Strompfad zwischen einem der Anschlüsse des Speicherkondensators (24) und einem der Endpunkte der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Spannungswandler mit einer derartigen Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Spannungswandlers, sowie eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei Spannungswandlern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung eines Spannungswandlers, die eine Reihenschaltung mindestens eines ersten, eines zweiten, eines dritten und eines vierten Schaltorgans aufweist, wobei Niederspannungsanschlüsse vorgesehen sind, die mit einem Endpunkt der Reihenschaltung der Schaltorgane und einem Mittelabgriff zwischen dem zweiten Schaltorgan und dem dritten Schaltorgan der Reihenschaltung verbunden sind. Weiter weist die Halbbrückenanordnung Hochspannungsanschlüsse auf, an denen eine Hochspannung der Halbbrückenanordnung bereitgestellt wird, wobei die Hochspannungsanschlüsse mit den beiden Endpunkten der Reihenschaltung der Schaltorgane verbunden sind. Ferner ist ein Speicherkondensator vorgesehen, der mit einem Abgriff zwischen dem ersten Schaltorgan und dem zweiten Schaltorgan der Reihenschaltung und mit einem weiteren Abgriff zwischen dem dritten Schaltorgan und dem vierten Schaltorgan der Reihenschaltung verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Spannungswandler mit einer derartigen Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Spannungswandlers, sowie eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei Spannungswandlern.
Derartige Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnungen können beispielsweise in einem Gleichspannungswandler, auch DC (direct current)/DC-Wandler genannt, eingesetzt werden, wobei die an den Niederspannungsanschlüssen und Hochspannungsanschlüssen anliegenden Spannungen sich im Bereich einiger zehn bis einiger hundert Volt bewegen und um einen Faktor zwischen eins und etwa zehn unterscheiden können. Da der Speicherkondensator mit beiden Anschlüssen jeweils an einem Abgriff zwischen zwei Schaltorganen der Reihenschaltung der Schaltorgane verbunden ist, liegt keiner der Anschlüsse des Speicherkondensators auf einem festgelegten Potential der Schaltungsanordnung. Aus diesem Grund wird der Speicherkondensator auch als "flying capacitor" bezeichnet. Die Verwendung einer solchen Halbbrückenanordnung in einem DC/DC-Wandler erlaubt den Einsatz von Speicherdrosseln mit geringerer Induktivität und damit Baugröße, als dieses bei gleicher übertragener Leistung mit einer konventionellen Zwei-Niveau-Halbbrücke, insbesondere mit einem Hoch- oder Tiefsetzsteller möglich ist.
Problematisch kann sich bei einer derartigen Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung ein Aufstart-Vorgang darstellen. Beim Starten der Halbbrückenanordnung werden die Schaltorgane zunächst nicht getaktet und der Speicherkondensator ist entladen. Es fällt dann die gesamte an der Niederspannungsseite oder an der Hochspannungsseite des Spannungswandlers anliegende Spannung über einem der Schaltorgane, konkret über dem ersten bzw. dem vierten Schaltorgan ab. Aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen werden jedoch häufig Schaltorgane verwendet, deren Spannungsfestigkeit nur wenig mehr als die Hälfte der maximal im Betrieb des Spannungswandlers anliegenden Spannung beträgt. Im Betrieb wird eine höhere Spannungsfestigkeit nicht benötigt.
Aus der Druckschrift US 8,604,757 B2 ist die Verwendung einer derartigen Halbbrückenanordnung in einem DC/DC-Wandler bekannt, der an seiner Niederspannungsseite oder an seiner Hochspannungsseite einen geteilten Zwischenkreis aufweist. Ein solcher geteilter Zwischenkreis besteht aus einer Reihenschaltung von mindestens zwei Zwischenkreiskondensatoren. Gemäß der genannten Druckschrift wird ein Anschluss des Speicherkondensators über eine Diode oder einen zeitweise betätigten Schalter mit einem Mittelabgriff des geteilten Zwischenkreises verbunden. Durch diese Verbindung wird der Speicherkondensator beim Aufstartvorgang des Spannungswandlers von der Niederspannungsseite her auf etwa die halbe niederspannungsseitig anliegende Spannung vorgeladen. Entsprechend fällt über dem ersten Schaltorgan nicht mehr die gesamte anliegende Spannung, sondern nur noch maximal die Hälfte der anliegenden Spannung ab, wodurch die Schaltorgane auch bei einer geringen Spannungsfestigkeit vor einer Überspannung geschützt sind. Das beschriebene Verfahren setzt jedoch das Vorliegen eines geteilten Zwischenkreises voraus, wobei die Kapazität des Zwischenkreises zudem gesichert wesentlich größer als, d.h. mehr als doppelt so groß wie die Kapazität des Speicherkondensators sein muss.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung eines Spannungswandlers zu schaffen, bei der die Schaltorgane vor einer Überspannung bei einem Aufstartvorgang geschützt sind, auch wenn kein geteilter Zwischenkreis mit einem entsprechenden Mittenabgriff vorgesehen ist. Es ist eine weitere Aufgabe, einen Spannungswandler mit einer derartigen Halbbrückenanordnung zu schaffen, ein Betriebsverfahren für einen derartigen Spannungswandler, sowie eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei Spannungswandlern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbbrückenanordnung bzw. einen Spannungswandler, ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers sowie eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei Spannungswandlern mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen zu finden.
Eine erfindungsgemäße Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass sie mindestens eine Schutzschaltung aufweist, die einen bedingten Strompfad zwischen einem der Anschlüsse des Speicherkondensators und einem der Endpunkte der Reihenschaltung der Schaltorgane umfasst. Durch den bedingten Strompfad wird der Speicherkondensator beim Anlegen einer Spannung an den Nieder- oder Hochspannungsanschlüssen der Halbbrückenanordnung vorgeladen und so die Spannung über dem ersten bzw. vierten Schaltorgan verringert bzw. begrenzt. Eine dauerhafte Verbindung über den genannten Strompfad würde jedoch unter Umständen zu einer zu hohen Spannung an dem Speicherkondensator und damit auch an der Reihenschaltung des zweiten und des dritten Schaltorgans führen. Dadurch, dass der Strompfad bedingt ist, also seine stromführende Eigenschaft bestimmten Bedingungen unterworfen ist, kann die sich an dem Speicherkondensator aufbauende Spannung derart eingestellt werden, dass keines der Schaltorgane beim Aufstartvorgang einer Überspannung ausgesetzt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Halbbrückenanordnung ist der bedingte Strompfad dazu eingerichtet, das erste Schaltorgan und/oder das vierte Schaltorgan während eines Aufstartvorgangs, in dem das erste bis vierte Schaltorgan nicht aktiv leitend sind, nach dem Anlegen einer Niederspannung oder einer Hochspannung zu überbrücken, um eine Aufladung des Speicherkondensators zu bewirken und eine über dem ersten Schaltorgan und/oder über dem vierten Schaltorgan abfallende Spannung zu begrenzen. Auf diese Weise wird in einem Aufstartvorgang, bei dem die Schaltorgane noch nicht aktiv geschaltet (getaktet) werden, durch den bedingten Strompfad der Schutz des ersten bzw. vierten Schaltorgans erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Halbbrückenanordnung umfasst der bedingte Strompfad eine Reihenschaltung einer Diode und eines spannungsbegrenzenden Elements. Die Diode verhindert Rückströme beim Betrieb der Halbbrückenanordnung, also in einem Zustand, in dem die Schaltorgane getaktet werden. Durch das spannungsbegrenzende Element kann ein Aufladen des Speicherkondensators auf eine zu hohe Spannung verhindert werden. Bevorzugt ist das spannungsbegrenzende Element eine Z-Diode oder eine Suppressordiode. Im Rahmen der Anmeldung ist dabei unter einer Z-Diode sowohl eine Zenerdiode als auch eine Avalanche-Diode zu verstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Halbbrückenanordnung umfasst der bedingte Strompfad eine Reihenschaltung einer Diode und eines Kondensators. Der Kondensator kann bei gegebenen Spannungen aufgrund seiner Kapazität eine bestimmte Ladungsmenge aufnehmen. Er stellt somit einen passiven bedingten Strompfad dar, wobei das Verhältnis der Kapazitäten des Speicherkondensators und des genannten Kondensators die Spannung bestimmen, auf die sich der Speicherkondensator auflädt. Es ist auch möglich, eine Reihenschaltung einer Diode und einer Parallelschaltung aus Kondensator und einem spannungsbegrenzenden Element einzusetzen.
Bevorzugt weist der Kondensator des bedingten Strompfads eine Kapazität auf, die kleiner oder gleich der 2-fachen und insbesondere kleiner oder gleich der 1,5-fachen Kapazität des Speicherkondensators ist. Auf diese Weise wird ein geeignetes Spannungsniveau beim Aufladen des Speicherkondensators erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Halbbrückenanordnung zwei Schutzschaltungen auf, die jeweils einen bedingten Strompfad zwischen den Anschlüsse des Speicherkondensators und den Endpunkten der Reihenschaltung der Schaltorgane umfassen, wobei die bedingten Strompfade dazu eingerichtet sind, das erste Schaltorgan und das vierte Schaltorgan während eines Aufstartvorgangs, in dem das erste bis vierte Schaltorgan nicht leitend sind, nach dem Anlegen einer Hochspannung an die Hochspannungsanschlüsse oder einer Niederspannung an die Niederspannungsanschlüsse zu überbrücken, um eine Aufladung des Speicherkondensators zu bewirken und eine über dem ersten Schaltorgan und über dem vierten Schaltorgan abfallende Spannung zu begrenzen. Bei einem Aufstartvorgang der Halbbrückenanordnung von der Niederspannungsseite her besteht insbesondere die Gefahr einer Überspannung an dem ersten Schaltorgan. Bei einem Aufstartvorgang der Halbbrückenanordnung von der Hochspannungsseite her besteht insbesondere die Gefahr einer Überspannung an dem vierten Schaltorgan. Durch das Anordnen von zwei Schutzschaltungen können unabhängig von der Art des Aufstartvorgangs beide Schaltorgane geschützt werden. Bevorzugt weisen dabei die jeweiligen Kondensatoren der beiden Schutzschaltungen nominell eine gleiche Kapazität auf, die jeweils in etwa die Hälfte der Kapazität des Speicherkondensators beträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der bedingte Strompfad einen ansteuerbaren Schalter. Bevorzugt ist der ansteuerbare Schalter mit einer Diode reihenverschaltet. Weiter bevorzugt ist eine Ansteuerschaltung für den ansteuerbaren Schalter vorhanden, die den Schalter abhängig von der Höhe einer Spannung zwischen einem der Anschlüsse des Speicherkondensators und einem der Endpunkte der Reihenschaltung der Schaltorgane steuert. Bei dieser Ausgestaltung ist der bedingte Strompfad durch einen aktiv angesteuerten Schalter umgesetzt, der abhängig von der Spannung an dem Speicherkondensator den Strompfad leitend oder nicht-leitend schaltet.
Die Erfindung lässt sich vorteilhaft sowohl bei Halbbrückenanordnung einsetzten, bei denen das erste und das zweite Schaltorgan Transistoren und das dritte und das vierte Schaltorgan Dioden sind, als auch bei Halbbrückenanordnung, bei denen alle vier Schaltorgane aktiv ansteuerbar, also Transistoren, sind.
Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler weist eine Induktivität und eine Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung mit einem Speicherkondensator auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrückenanordnung mindestens eine Schutzschaltung aufweist und wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der Halbbrückenanordnung beschriebenen Vorteile.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst mindestens zwei ausgangsseitig parallel geschaltete Spannungswandler, die jeweils eine Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung mit einem Speicherkondensator aufweisen. Mindestens ein erster der Spannungswandler weist eine Halbbrückenanordnung mit einer Schutzschaltung auf, wie sie zuvor beschrieben ist. Mindestens ein weiterer der Spannungswandler weist eine Koppeldiode auf, über die ein Anschluss des Speicherkondensators dieses weiteren Spannungswandlers mit dem bedingten Strompfad der Schutzschaltung des ersten Spannungswandlers verbunden ist. Auf diese Weise kann die Schutzschaltung der Halbbrückenanordnung des ersten Spannungswandlers auch für die Halbbrückenanordnung(en) des oder der weiteren Spannungswandler verwendet werden. Gegenüber einer Nutzung der vollständigen bedingten Strompfade für nur einen Spannungswandler können durch das gemeinsame Nutzen eines Teils des jeweiligen bedingten Strompfads entsprechend Bauelemente eingespart werden. Bevorzugt weist dabei der bedingte Strompfad der Schutzschaltung eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem Kondensator oder einem ansteuerbaren Schalter auf, wobei die Koppeldiode des mindestens einen weiteren Spannungswandlers mit einem Mittelabgriff zwischen der Diode und dem Kondensator oder dem ansteuerbaren Schalter verbunden ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Spannungswandlers umfasst ein Aufstartvorgang des Spannungswandlers folgende Schritte: Es wird eine Niederspannung an Niederspannungsanschlüsse des Spannungswandlers oder eine Hochspannung an Hochspannungsanschlüsse des Spannungswandlers angelegt. Der Speicherkondensator wird über den bedingten Strompfad bei geöffnetem ersten Schaltorgan und geöffnetem zweiten Schaltorgan aufgeladen und mindestens das erste und zweite Schaltorgan getaktet, wenn eine Spannung an dem Speicherkondensator einen Schwellenwert überschreitet. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der Halbbrückenanordnung bzw. dem Spannungswandler zuvor beschriebenen Vorteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens beträgt der Schwellenwert zwischen 1/3 der Niederspannung und 2/3 einer maximalen Hochspannung. Bei Vorladung des Speicherkondensators in diesem Spannungsbereich sind die Schaltorgane der Halbbrückenanordnungbei einer typischen Auslegung ihrer Spannungsfestigkeit vor Überspannungen geschützt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist der bedingte Strompfad mindestens einen ansteuerbaren Schalter auf, der zum Aufladen des Speicherkondensators geschlossen wird und der geöffnet wird, sobald die Spannung an dem Speicherkondensator den Schwellenwert überschreitet. Der Schwellwert, der zum Starten des Taktvorgangs eingesetzt wird, kann so auch zur Steuerung des bedingte Strompfads verwendet werden, wodurch sich ein relativ einfacher Aufbau der Ansteuerung des bedingte Strompfads ergibt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit einer Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit einer Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung, verbunden mit einem PV-Generator;
3 eine Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von Spannungswandlern mit Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung, die mit einem gemeinsamen Zwischenkreis verbunden sind und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit mehreren Spannungswandlern mit Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung, die mit einem gemeinsamen Zwischenkreis verbunden sind.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Spannungswandlers 10, hier eines DC/DC-Spannungswandlers, mit einer Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung 20. Der Spannungswandler 10 weist Niederspannungsanschlüsse 11, 12 auf, die mit einer Niederspannung U_E beaufschlagbar sind. Im vorliegenden Beispiel ist der Niederspannungsanschluss 12 für ein positives und der Niederspannungsanschluss 11 für ein negatives Potential ausgelegt.
Parallel zu den Niederspannungsanschlüssen 11, 12 ist ein niederspannungsseitiger Zwischenkreiskondensator 13 zur Glättung der Niederspannung U_E an den Niederspannungsanschlüssen 11, 12 vorgesehen. Zwischen den Niederspannungsanschlüssen 11, 12 ist eine als Speicherdrossel eingesetzte Induktivität 14 angeordnet.
Die Halbbrückenanordnung 20 ist mit Hochspannungsanschlüssen 25, 26 mit einem hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 verbunden. Der Hochspannungsanschluss 25 ist unmittelbar mit dem negativen Niederspannungsanschluss 11 verbunden. Das Potential an diesen Anschlüssen wird nachfolgend auch als Referenzpotential GND (ground) bezeichnet. Es ist alternativ auch eine Ausgestaltung der Halbbrückenanordnung 20 möglich, bei der die positiven Niederspannungs- bzw. Hochspannungsanschlüsse unmittelbar miteinander verbunden sind und das Referenzpotential bilden.
An den Hochspannungsanschlüssen 25, 26 liegt eine Hochspannung U_A des Spannungswandlers 10 an. Der Spannungswandler 10 der 1 kann als ein Hochsetzsteller betrieben werden, bei dem elektrische Leistung von den Niederspannungsanschlüssen 11, 12 zu den Hochspannungsanschlüssen 25, 26 fließt, wobei die Hochspannung U_A größer als oder gleich der Niederspannung U_E ist. Grundsätzlich kann der dargestellte Spannungswandler 10 auch bidirektional betrieben werden, derart, dass ein Leistungsfluss auch von der Hochspannungsseite zur Niederspannungsseite erfolgt, so dass der Spannungswandler 10 insofern als Tiefsetzsteller betrieben werden kann.
Die Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung 20 umfasst eine Reihenschaltung 23 aus vier Schaltorganen 231–234. Dabei ist die Reihenschaltung 23 an ihren Endanschlüssen mit der Hochspannung U_A beaufschlagt. Beispielsweise im Betrieb des Spannungswandlers 10 als Hochsetzsteller kann ein Eingangsstrom zwischen einem der Endanschlüsse, hier dem Endanschluss der Reihenschaltung 23 an dem ersten Schaltorgan 231, und einem Mittelabgriff zwischen dem zweiten Schaltorgan 232 und dem dritten Schaltorgan 233 zugeführt werden. Dieser Mittelabgriff ist entsprechend mit einem Anschluss der Induktivität 14 verbunden.
Alternativ zu der Ausführung des Spannungswandlers 10 als DC/DC-Wandler kann der Spannungswandler 10 als DC/AC-Wandler ausgeführt sein, indem der Niederspannungsanschluss 11 statt mit einem Endpunkt der Reihenschaltung 23 mit einem Mittelpunkt eines hochspannungsseitigen geteilten Zwischenkreises verbunden ist, so dass zwischen den Niederspannungsanschlüssen 11, 12 eine Wechselspannung anliegen kann, wobei diese in einem DC/AC-Betrieb des Spannungswandlers 10 aus der am hochspannungsseitigen geteilten Zwischenkreis anliegenden Gleichspannung erzeugt wird oder in einem AC/DC-Betrieb gleichgerichtet und in den hochspannungsseitigen geteilten Zwischenkreis gespeist wird.
Es ist ein Speicherkondensator 24 vorgesehen, der mit einem Anschluss an einem Abgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltorgan 231, 232 und mit einem anderen Anschluss an einem Abgriff zwischen dem dritten und dem vierten Schaltorgan 233, 234 verbunden ist. Im Betrieb des Spannungswandlers 10 werden die Schaltorgane 231 bis 234 der Reihenschaltung 23 getaktet betrieben, wobei elektrische Energie in verschiedenen, periodisch durchlaufenen Betriebsphasen in der Induktivität 14 und dem Speicherkondensator 24 gespeichert und von der Niederspannungs- zur Hochspannungsseite (bzw. umgekehrt) transferiert wird. Verglichen mit einem reinen Hoch- oder Tiefsetzsteller, bei dem eine Energiespeicherung nur in einer Induktivität (analog zur Induktivität 14) gespeichert wird, führt die Verwendung der Induktivität 14 und des Speicherkondensators 24 dazu, dass bei Übertragung gleicher Leistung eine kleinere Induktivität verwendet werden kann.
In einer Aufstartphase des Spannungswandlers 10 ist die Induktivität 24 zunächst entladen und die Schaltorgane 231–234 sind geöffnet. Eine entweder niederspannungsseitig oder hochspannungsseitig am Spannungswandler 10 anliegende Spannung fällt dann nur über dem ersten Schaltorgan 231 bzw. dem vierten Schaltorgan 234 ab, wohingegen das zweite und das dritte Schaltorgan 232, 233 spannungsfrei sind. Die an dem ersten bzw. vierten Schaltorgan 231, 234 anliegende Spannung kann unter Umständen größer sein als die Spannungsfestigkeit der verwendeten Schaltorgane, die aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen üblicherweise nur wenig höher als die halbe zu verarbeitende Spannung gewählt wird. Um eine solche Betriebssituation zu verhindern, sind bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispielen die Schutzschaltungen 27 und 28 vorgesehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Schutzschaltung 27 insbesondere eine zu hohe Spannung an dem ersten Schaltorgan 231 verhindert, die durch Anlegen einer Niederspannung U_E hervorgerufen wird. Analog verhindert die Schutzschaltung 28 ein Vorliegen einer zu hohen Spannung an dem vierten Schaltorgan 234, die insbesondere bei Anlegen einer Hochspannung U_A auftritt. Die Schutzschaltungen 27 und 28 sind spiegelbildlich zueinander aufgebaut, wobei eine Polung verwendeter Bauelemente sich aus der unterschiedlichen Anordnung der Schutzschaltung 27, 28 am positiven bzw. negativen Hochspannungsanschluss 25, 26 orientiert.
Jede der anmeldungsgemäßen Schutzschaltungen 27, 28 stellt einen bedingten Strompfad zwischen einem der Anschlüsse des Speicherkondensators 24 und einem der Endpunkte der Reihenschaltung 23 der Schaltorgane 231–234 dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 ist der bedingte Strompfad bei der Schutzschaltung 27 durch eine Reihenschaltung einer Diode 271 mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 272 und einer Z-Diode 273 gebildet. Als Z-Diode wird im Rahmen der Anmeldung sowohl eine Zenerdiode als auch eine Avalanche-Diode verstanden. Bei der Schutzschaltung 28 ist der bedingte Strompfad durch eine Reihenschaltung aus einer Diode 281 und einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 282 und einer Z-Diode 283 gebildet.
In einer bidirektionalen Ausführung des Spannungswandlers 10, beispielsweise gemäß 1, sind die Schaltorgane 231 bis 234 üblicherweise aktiv schaltbare Halbleiter-Leistungsschalter, beispielsweise IGBT(insulated-gate bipolar transistor)-Transistoren oder MOS-FET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)-Transistoren, die eine parallel geschaltete externe oder integrierte Bypass-Diode aufweisen. Bei einem unidirektional arbeitenden Spannungswandler 10 ist es denkbar, dass nur das erste und zweite Schaltorgan 231, 232 aktiv schaltbare Halbleiterschalter sind, wohingegen das dritte und das vierte Schaltorgan 233, 234 von jeweils einer Diode gebildet werden (vgl. auch die Ausführungsbeispiele der 2 bis 4), so dass der Spannungswandler 10 als Hochsetzsteller ausgebildet ist. Alternativ können das erste und zweite Schaltorgan 231, 232 als Diode sowie das dritte und das vierte Schaltorgan 233, 234 als aktiv schaltbare Halbleiterschalter ausgeführt werden, so dass der Spannungswandler 10 als Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Das Anlegen einer Niederspannung U_E an den Niederspannungsanschlüssen 11, 12 führt in jedem der Fälle dazu, dass das am positiven Niederspannungsanschluss 12 anliegende Potential auch an dem Abgriff zwischen dem dritten und dem vierten Schaltorgan 233, 234 und, insbesondere wenn der Speicherkondensator 24 entladen ist, an dem Abgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltorgan 231, 232. Damit würde die gesamte Niederspannung U_E an dem ersten Schaltorgan 231 abfallen.
Durch den bedingten Strompfad der Schutzschaltung 27 fließt jedoch unmittelbar nach Anlegen der Niederspannung U_E ein Strom durch die Diode 271 und den Kondensator 272. Durch diesen Stromfluss wird der Speicherkondensator 24 aufgeladen, wobei das erste Schaltorgan 231 überbrückt ist und die darüber abfallende Spannung stark verringert ist. Die Höhe der über dem ersten Schaltorgan 231 maximal abfallenden Spannung ergibt sich aus dem Kapazitätsverhältnis der Kapazität des Speicherkondensators 24 verglichen mit der Kapazität des Kondensators 272. Es ist dabei bevorzugt, die Kapazität des Kondensators 272 kleiner als das zweifache und insbesondere kleiner als das eineinhalbfache der Kapazität des Speicherkondensators 24 zu wählen. Darüber hinaus begrenzt die parallel zum Kondensator 272 angeordnete Z-Diode 273 den Spannungsabfall über dem Kondensator 272 und damit auch über dem ersten Schaltorgan 231. Auf diese Weise kann zusätzlich zum Kondensator 272 eine Kontrolle der Spannung am ersten Schaltorgan 231 erfolgen.
Es ist auch möglich, nur eines der beiden Elemente, entweder den Kondensator 272 oder die Z-Diode 273, als spannungsbegrenzendes Element zu verwenden. Die Benutzung nur der Z-Diode 273 führt jedoch unter Umständen zu einer hohen thermischen Belastung der Z-Diode 273. Der Kondensator 272 kann Ladung aufnehmen und damit einen zeitlich begrenzten Stromfluss zulassen, ohne dass dieser Stromfluss bei gegebener Spannung über dem Kondensator 272 in Wärmeenergie umgesetzt wird. Die alleinige Nutzung des Kondensators 272 als spannungsbegrenzendes Element ist vorteilhaft, wenn definierte Bedingungen für einen Aufstartvorgang vorliegen. Definierte Bedingungen heißt in diesem Zusammenhang, dass das Aufstarten immer von ein und derselben Seite aus erfolgt. In einem solchen Fall kann eine optimale Kapazität für den Kondensator 272 angegeben werden. Wenn Aufstartvorgänge von beiden Seiten her vorliegen können, würden für die unterschiedlichen Situationen unterschiedliche Kapazitäten optimal sein. Dann ist es vorteilhaft, eine Kapazität als Kompromisslösung vorzusehen, wobei ggf. vorhandene Restenergie, die von dem Kondensator 272 nicht aufgenommen werden kann, von der Z-Diode 273 aufgefangen wird.
Analog würde ohne die Schutzschaltung 28 bei Anlegen einer Hochspannung U_A an die Hochspannungsanschlüsse 25, 26 der Halbbrückenanordnung 20 zum Aufstarten des Spanungswandlers 10 insbesondere bei noch entladenem niederspannungsseitigem Zwischenkreiskondensator 13 die Hochspannung U_A über dem vierten Schaltorgan 234 abfallen. Durch den bedingten Strompfad, gebildet durch die Diode 281 und die Parallelschaltung des Kondensators 282 und der Z-Diode 283, wird der Speicherkondensator 24 vorgeladen und so die Spannung über dem vierten Schaltorgan 234 verringert bzw. begrenzt.
2 zeigt einen anmeldungsgemäßen Spannungswandler in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser wie in den nächsten Figuren gleiche oder gleich wirkende Elemente wie beim Ausführungsbeispiel der 1.
Der Spannungswandler 10 ist hier mit einem Photovoltaikgenerator 1 als Niederspannungsquelle verbunden, der die Niederspannung U_E an den Niederspannungsanschlüssen 11 und 12 bereitstellt. Als Photovoltaikgenerator 1 kann beispielsweise eine Reihenschaltung mehrerer Photovoltaikmodule, ein sogenannter String, eingesetzt werden. Es kann jedoch auch eine andere Verschaltung (Serien- und/oder Parallelverschaltung) beliebig vieler Photovoltaikmodule als Photovoltaikgenerator 1 eingesetzt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Photovoltaikgenerator 1 über einen DC-Trennschalter 2 mit dem Spannungswandler 10 verbunden. Der Spannungswandler 10 ist vorliegend als Hochsetzsteller ausgebildet, der an seinen Hochspannungsanschlüssen 25 und 26 und einem hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 eine Hochspannung U_A bereitstellt, die größer gleich der Niederspannung U_E ist.
Wiederum ist eine Reihenschaltung (entsprechend der Reihenschaltung mit Bezugszeichen 23 aus 1) von Schaltorganen 231 bis 234 vorgesehen, die anders als beim schematischen Schaltbild der 1 hier mit konkreten Schaltsymbolen dargestellt sind. Dabei werden als erstes Schaltorgan 231 und als zweites Schaltorgan 232 aktiv schaltbare IGBT-Transistoren verwendet. Als drittes Schaltorgan 233 und viertes Schaltorgan 234 kommen vorliegend Dioden zum Einsatz, da der Spannungswandler in dieser Ausgestaltung nur unidirektional arbeitet mit einem Leistungsfluss von der links dargestellten Niederspannungsseite zur rechts dargestellten Hochspannungsseite.
Es sind wiederum zwei Schutzschaltungen 27, 28 vorgesehen, die insbesondere das vierte Schaltorgan 234 und das erste Schaltorgan 231 vor zu hohen Spannungen im Aufstartvorgang des Spannungswandlers 10 schützen, bei dem das erste und zweite Schaltorgan 231, 232 noch nicht getaktet werden und der Speicherkondensator 24 entladen ist. Wenn in einem derartigen Zustand der PV-Generator 1 eine Photovoltaikspannung bereitstellt und der DC-Trennschalter 2 geschlossen wird, fällt bei entladenem Speicherkondensator 24 diese Spannung im Wesentlichen über dem ersten Schaltorgan 231 ab. Wenn in einem derartigen Zustand eine Spannung am hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 angelegt wird, fällt bei entladenem Speicherkondensator 24 diese Spannung im Wesentlichen über dem vierten Schaltorgan 234 ab.
Die Schutzschaltungen 27 und 28 stellen wie beim Ausführungsbeispiel der 1 bedingte Strompfade bereit, die vorliegend jeweils eine Diode 271, 281 und einen mit der Diode 271, 281 reihenverschalteten Schalter 274 bzw. 284 umfassen. Über die bedingten Strompfade ist jeweils ein Anschluss des Speicherkondensators 24 mit einem Endpunkt der Reihenschaltung der Schaltorgane 231 bis 234 verbunden. Zwischen den Anschlüssen des Speicherkondensators 24 und dem negativen Niederspannungsanschluss 11 bzw. Hochspannungsanschluss 25, der das Referenzpotential GND darstellt, sind Messwiderstände 275 und 285 eingezeichnet, die Messschaltungen symbolisieren, mit denen das Potential an dem jeweiligen Anschluss des Speicherkondensators 24 gemessen werden kann. Abhängig von den an diesen Anschlüssen gemessenen Potentialen werden bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Schalter 274 bzw. 284 derart betätigt, dass das erste Schaltorgan 231 und das vierte Schaltorgan 234 im Normalbetrieb vor Überspannung geschützt sind.
Wird beispielsweise in einem Aufstartvorgang der DC-Trennschalter 2 geschlossen, baut sich am niederspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 13 eine Niederspannung U_E auf. Die Schalter 274 und 284 sind in diesem Fall zunächst geschlossen, so dass die Spannung am Speicherkondensator 24 von kleinen Spannungsabfällen in den Dioden 271 und 281 abgesehen der Niederspannung U_E entspricht. Sobald die Spannung am Speicherkondensator 24 einen Schwellenwert erreicht hat, der zwischen 1/3 der Niederspannung U_E und 2/3 einer maximalen Hochspannung U_max am hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 liegt, öffnen die Schalter 274 und 284. Die Spannung am Speicherkondensator 24 steigt dann auch bei weiter steigender Niederspannung U_E nicht weiter an.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Schwellenwert beispielsweise bei der halben maximalen Niederspannung U_E oder bei der halben zu erwartenden Hochspannung U_E am hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 liegen. Wenn sich nachfolgend der niederspannungsseitige Zwischenkreiskondensator 13 dann auf die maximale Niederspannung auflädt, liegt an der Reihenschaltung des zweiten Schaltorgans 232 und des dritten Schaltorgans 233 eine ebenso hohe Spannung an wie an dem ersten Schaltorgan 231 und dem vierten Schaltorgan 234 zusammengenommen. Alle Schaltorgane sind im Hinblick auf die angelegte Spannung somit gleich belastet. Nach Überschreiten des genannten Schwellenwertes kann zudem vorgesehen sein, das erste und das zweite Schaltorgan 231, 232 zu takten, also periodisch zu schalten, um den Betrieb des Spannungswandlers 10 aufzunehmen.
Die Schalter 274 und 284 werden im dargestellten Ausführungsbeispiel von einer hier nicht näher dargestellten Steuereinrichtung angesteuert, die die Potentiale an den Anschlüssen des Speicherkondensators 24 mithilfe der Messwiderstände 275 und 285 bestimmt und abhängig von diesen Potentialen die Schalter 274 und 284 betätigt.
Die 3 und 4 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung, bei der mehrere Spannungswandler 10a, 10b, 10c hochspannungsseitig parallel geschaltet und mit einem gemeinsamen hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 verbunden sind. Elemente, die den einzelnen Spannungswandlern 10a bis 10c zugeordnet sind, sind jeweils mit einem entsprechenden Zusatz a bzw. b bzw. c in ihren Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Spannungswandler 10a bis 10c weisen jeweils unabhängig voneinander einzelne niederspannungsseitige Zwischenkreiskondensatoren 13a, 13b, 13c auf, die mit jeweils einem Photovoltaikgenerator 1a, 1b, 1c über einen entsprechenden DC-Trennschalter 2a, 2b, 2c verbunden sind. Wie durch die gestrichelte Linie zwischen den DC-Trennschaltern 2a bis 2c angedeutet ist, können diese gemeinsam betätigt werden. Es kann jedoch auch eine unabhängige Betätigung der DC-Trennschalter 2a–2c voneinander vorgesehen sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind insbesondere die Schaltorgane (vergleiche Bezugszeichen 231–234 von 2) in den 3 und 4 nicht mit individuellen Bezugszeichen versehen. Wie beim Ausführungsbeispiel der 2 werden in den Spannungswandlern 10a bis 10c jeweils zwei aktiv ansteuerbare IGBT-Transistoren als erstes Schaltorgan 231 und zweites Schaltorgan 232 sowie zwei Dioden als nicht aktiv ansteuerbares drittes Schaltorgan 233 und viertes Schaltorgan 234 verwendet.
Um insbesondere bei einem Aufstartvorgang, bei dem die Schaltorgane der Spannungswandler 10a–10c noch nicht aktiv angesteuert werden und die Speicherkondensator 24a–24c noch entladen sind, eine Überspannung am jeweiligen ersten Schaltorgan 231 bzw. jeweiligen vierten Schaltorgan 234 zu verhindern, sind Schutzschaltungen mit bedingten Strompfaden vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel der 3 weist der jeweilige bedingte Strompfad eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 272, 282 und einer Z-Diode 273, 283 als Überspannungsschutzelement auf. Die bedingten Strompfade arbeiten beim Ausführungsbeispiel der 3 somit ebenso wie beim Ausführungsbeispiel der 1.
Insbesondere wenn die DC-Trennschalter 2a–2c unabhängig voneinander betätigt werden, kann während eines Aufstartvorganges die Situation auftreten, dass einer der Spannungswandler 10a–10c durch Betätigung des ihm zugeordneten DC-Trennschalters gestartet wird, so dass sich in der Folge der hochspannungsseitige Zwischenkreiskondensator 15 auflädt. Die Hochspannung U_A des hochspannungsseitigen Zwischenkreiskondensator 15 liegt so auch dann an den anderen Spannungswandlern an, wenn deren DC-Trennschalter noch nicht betätigt sind, und gefährdet deren jeweilige vierte Schaltorgane 234. Daher ist es für eine Schaltungsanordnung mit mehreren hochspannungsseitig parallel geschalteten Spannungswandlern 10a, 10b, 10c besonders vorteilhaft, zum Schutz der ersten und vierten Schaltorgane 231 und 234 einen symmetrischen Aufbau der Schutzschaltungen vorzusehen. Alternativ kann auf eine Schutzschaltung für die ersten Schaltorgane 231 verzichtet werden, wenn sichergestellt ist, das die Schaltungsanordnung gemäß 3 exklusiv durch Anlegen einer Hochspannung U_A an die Hochspannungsanschlüsse gestartet wird.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 ist jeweils ein Schalter 274 bzw. 284 im bedingten Strompfad angeordnet. Damit entspricht diese Ausgestaltung der in 2 gezeigten. Weiterhin ist jeweils eine mit den Anschlüssen des Speicherkondensators 24a des Spannungswandlers 10a verbundene Diode 271a, 281a Teil des jeweiligen bedingten Strompfads. Es wäre grundsätzlich möglich, bedingte Strompfade analog zur 1 und 2 für jeden der drei Spannungswandler 10a bis 10c bei den Ausführungsbeispielen der 3 oder 4 vorzusehen. Die 3 und 4 zeigen jedoch besonders vorteilhafte Ausgestaltungen, bei denen ein Teil des jeweiligen bedingten Strompfads (Kondensator 272, 282 und/oder Z-Diode 273, 283 bzw. Schalter 274, 284) gemeinsam für die Spannungswandler 10a bis 10c verwendet wird. Zu diesem Zweck sind Koppeldioden 271b, 271c, 281b, 281c vorgesehen, über die die Speicherkondensatoren 24b, 24c der weiteren Spannungswandler 24b, 24c sternförmig in den bedingten Strompfad einbinden.
Gegenüber einer Nutzung der vollständigen bedingten Strompfade für nur einen Spannungswandler können durch das gemeinsame Nutzen eines Teils des jeweiligen bedingten Strompfads entsprechend Bauelemente eingespart werden. In jedem Fall wird der bedingte Strompfad zwischen einem der Anschlüsse eines der Speicherkondensatoren 24a bis 24c und einem Endanschluss der Reihenschaltung der Schaltorgane 231 bis 234 gebildet. Gemeinsam genutzte stromführende Bauelemente (Z-Dioden 273, 283) bzw. ladungsaufnehmende Bauelemente (Kondensatoren 272, 282) sind ggf. an den mehrfachen Strom bzw. die mehrfache Ladung, die sich aus dem Vorladen der mehrerer Speicherkondensatoren 24a bis 24c ergibt, anzupassen.
Es versteht sich, dass die dargestellte Schaltungsanordnung, bei der Teile des bedingten Strompfads gemeinsam für mehrere Spannungswandler 10a bis 10c verwendet werden, nicht auf eine Anzahl von drei Spannungswandlern beschränkt ist. Die dargestellte Sternschaltung kann für jede Parallelschaltung von mehr als zwei Spannungswandlern in der dargestellten Art eingesetzt werden.
Die Halbbrückenanordnung ist nicht auf eine Reihenschaltung von vier Schaltorganen und einem Speicherkondensator (Drei-Niveau-Wandler) begrenzt, sondern kann weitere Schaltorgane und/oder Speicherkondensatoren in einer ggf. geschachtelten Anordnung umfassen. Ein Beispiel ist ein Fünf-Niveau-Wandler mit sechs Schaltorganen mit einem ersten „äußeren“ Speicherkondensator, der mit den Mittelpunkten zwischen dem ersten und zweiten Schaltorgan und zwischen dem fünften und sechsten Schaltorgan verbunden ist, sowie einem zweiten „inneren“ Speicherkondensator parallel zum dritten und vierten Schaltorgan. Derartig erweiterte Anordnungen weisen grundsätzlich die gleichen Probleme wie die hier beschriebene Anordnung mit vier Schaltorganen auf, wobei die Überspannungen in der Regel an den äußeren Schaltorganen der Reihenschaltung auftreten können. Zum Schutz können auch dabei die anmeldungsgemäßen Schutzschaltungen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikgenerator
1a–c: Photovoltaikgenerator
2: DC-Trennschalter
2a–c: DC-Trennschalter
10: Spannungswandler
10a–c: Spannungswandler
11, 12: Niederspannungsanschluss
13: niederspannungsseitiger Zwischenkreiskondensator
13a–c: niederspannungsseitiger Zwischenkreiskondensator
14: Induktivität
15: hochspannungsseitiger Zwischenkreiskondensator
20: Halbbrückenanordnung
21, 22: Niederspannungsanschluss
23: Reihenschaltung
231: erstes Schaltorgan
232: zweites Schaltorgan
233: drittes Schaltorgan
234: viertes Schaltorgan
24: Speicherkondensator
24a–c: Speicherkondensator
25, 26: Hochspannungsanschluss
27, 28: Schutzschaltung
271, 281: Diode
272, 282: Kondensator
273, 283: Z-Diode
U_E: Niederspannung
U_max: maximale Hochspannung
U_A: Hochspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8604757 B2 [0004]

Claims

Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung (20) eines Spannungswandlers (10), aufweisend – eine Reihenschaltung (23) mindestens eines ersten Schaltorgans (231), eines zweiten Schaltorgans (232), eines dritten Schaltorgans (233) und eines vierten Schaltorgans (234), – Niederspannungsanschlüsse (21, 22), die mit einem Endpunkt der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) und einem Mittelabgriff zwischen dem zweiten Schaltorgan (232) und dem dritten Schaltorgan (233) der Reihenschaltung (23) verbunden sind, – Hochspannungsanschlüsse (25, 26), wobei die Hochspannungsanschlüsse (25, 26) mit den beiden Endpunkten der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) verbunden sind, und – einen Speicherkondensator (24), der mit einem Abgriff zwischen dem ersten Schaltorgan (231) und dem zweiten Schaltorgan (232) der Reihenschaltung (23) und mit einem weiteren Abgriff zwischen dem dritten schaltorgan (233) und dem vierten Schaltorgan (234) der Reihenschaltung (23) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrückenanordnung (20) mindestens eine Schutzschaltung (27, 28) aufweist, die einen bedingten Strompfad zwischen einem der Anschlüsse des Speicherkondensators (24) und einem der Endpunkte der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) umfasst.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 1, bei der der bedingte Strompfad dazu eingerichtet ist, das erste Schaltorgan (231) und/oder das vierte Schaltorgan (234) während eines Aufstartvorgangs, in dem das erste bis vierte Schaltorgan (231–234) nicht aktiv leitend sind, nach dem Anlegen einer Niederspannung oder einer Hochspannung zu überbrücken, um eine Aufladung des Speicherkondensators (24) zu bewirken und eine über dem ersten Schaltorgan (231) und/oder über dem vierten Schaltorgan (234) abfallende Spannung zu begrenzen.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der bedingte Strompfad eine Reihenschaltung einer Diode (271, 271a, 281, 281a) und eines spannungsbegrenzenden Elements umfasst
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 3, bei der das spannungsbegrenzende Element eine Z-Diode (273) oder eine Suppressordiode ist.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 3 oder 4, bei der dem spannungsbegrenzenden Element ein Kondensator (272, 282) parallel geschaltet ist.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 5, bei der der Kondensator (272, 282) des bedingten Strompfads eine Kapazität aufweist, die kleiner oder gleich der 2-fachen und insbesondere kleiner oder gleich der 1,5-fachen Kapazität des Speicherkondensators (24) ist.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 1, bei der der bedingte Strompfad eine Reihenschaltung einer Diode (271, 271a, 281, 281a) und eines Kondensators (272, 282) umfasst.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 7, die zwei Schutzschaltungen (27, 28) aufweist, die jeweils einen bedingten Strompfad zwischen den Anschlüsse des Speicherkondensators (24) und den Endpunkten der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) umfassen, wobei die bedingten Strompfade dazu eingerichtet sind, das erste Schaltorgan (231) und das vierte Schaltorgan (234) während eines Aufstartvorgangs, in dem das erste bis vierte Schaltorgan (231–234) nicht leitend sind, nach dem Anlegen einer Hochspannung U_A an die Hochspannungsanschlüsse (25, 26) oder einer Niederspannung U_E an die Niederspannungsanschlüsse (21, 22) zu überbrücken, um eine Aufladung des Speicherkondensators (24) zu bewirken und eine über dem ersten Schaltorgan (231) und über dem vierten Schaltorgan (234) abfallende Spannung zu begrenzen.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 8, bei der die jeweiligen Kondensatoren (272, 282) der beiden Schutzschaltungen (27, 28) nominell eine gleiche Kapazität aufweisen, die jeweils in etwa die Hälfte der Kapazität des Speicherkondensators (24) beträgt.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der bedingte Strompfad einen ansteuerbaren Schalter (274, 284) umfasst.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 10, bei der der ansteuerbare Schalter (274, 284) mit einer Diode (271, 271a, 281, 281a) reihenverschaltet ist.
Halbbrückenanordnung (20) nach Anspruch 10 oder 11, bei der eine Ansteuerschaltung für den ansteuerbaren Schalter (274, 284) vorhanden ist, die den Schalter (274, 284) abhängig von der Höhe einer Spannung zwischen einem der Anschlüsse des Speicherkondensators (24) und einem der Endpunkte der Reihenschaltung (23) der Schaltorgane (231–234) steuert.
Halbbrückenanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das erste und das zweite Schaltorgan (231, 232) Transistoren und das dritte und das vierte Schaltorgan (233, 234) Dioden sind.
Spannungswandler (10) mit einer Induktivität (14) und einer Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung (20) mit einem Speicherkondensator (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrückenanordnung (20) mindestens eine Schutzschaltung (27, 28) aufweist und gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung mit mindestens zwei ausgangsseitig parallel geschalteten Spannungswandlern (10), die jeweils eine Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung (20) mit einem Speicherkondensator (24) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein erster der Spannungswandler (10a) eine Halbbrückenanordnung (20a) mit mindestens einer Schutzschaltung (27, 28) aufweist, wobei die Halbbrückenanordnung (20a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, und – mindestens ein weiterer der Spannungswandler (10b, 10c) eine Koppeldiode (271b, 272c, 281b, 282c) aufweist, über die ein Anschluss des Speicherkondensators (24) dieses weiteren Spannungswandlers (10b, 10c) mit dem bedingten Strompfad der Schutzschaltung (27, 28) des ersten Spannungswandlers (20) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, bei der der bedingte Strompfad der Schutzschaltung (27, 28) eine Reihenschaltung aus einer Diode (271a, 281b) und einem Kondensator (272, 282) oder einem ansteuerbaren Schalter (274, 284) aufweist, wobei die Koppeldiode (271b, 272c, 281b, 282c) des mindestens einen weiteren Spannungswandlers (10b, 10c) mit einem Mittelabgriff zwischen der Diode (271a, 281b) und dem Kondensator (272, 282) oder dem ansteuerbaren Schalter (274, 284) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Spannungswandlers (10) gemäß Anspruch 14, wobei ein Aufstartvorgang des Spannungswandlers folgende Schritte umfasst – Anlegen einer Niederspannung (U_E) an Niederspannungsanschlüsse (11, 12) des Spannungswandlers (10) oder Anlegen einer Hochspannung an Hochspannungsanschlüsse (25, 26) des Spannungswandlers (10); – Aufladen des Speicherkondensators (24) über den bedingten Strompfad bei geöffnetem ersten Schaltorgan (231) und geöffnetem zweiten Schaltorgan (232), und – Takten mindestens des ersten und zweiten Schaltorgans (231, 232), wenn eine Spannung an dem Speicherkondensator (24) einen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schwellenwert zwischen 1/3 der Niederspannung (U_E) und 2/3 einer maximalen Hochspannung (U_max) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der der bedingte Strompfad mindestens einen ansteuerbaren Schalter (274, 284) aufweist, der zum Aufladen des Speicherkondensators (24) geschlossen wird und der geöffnet wird, sobald die Spannung an dem Speicherkondensator (24) den Schwellenwert überschreitet.