DE102014110490A1

DE102014110490A1 - Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit Entlastungsnetzwerk

Info

Publication number: DE102014110490A1
Application number: DE102014110490.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Stala; Adam Penczek; Andrzej Mondzik; Slawomir Szot; Milosz Szarek; Marek Rylko
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: DE102014110490B4

Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) für einen Mehrpunktwechselrichter weist einen Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einen Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung (uin), einen Mittelabgriff (3) für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung (uin), einen Ausgangsanschluss (4) zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms (iload), zwei äußere Leistungsschalter (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (11, 21) verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter (14, 24), die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Mittelabgriff (3) und andererseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Ausgangsanschluss (4) verbunden sind, und ein Entlastungsnetzwerk auf, das zwei Kondensatoren (15, 25) und vier unidirektionale Schaltelemente (17, 18, 27, 28) umfasst. Für jeden der beiden Kondensatoren (15, 25) des Entlastungsnetzwerks verläuft ein Aufladepfad zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und dem Mittelabgriff (3), wobei der jeweilige Kondensator (15, 25) in dem Aufladepfad mit einem der Schaltelemente (17, 27) und einer Drossel (16, 26) in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Ausgangsanschluss und jedem der Eingangsanschlüsse (11, 21) verläuft ein Entladepfad (20, 30) für jeweils einen der beiden Kondensatoren (15, 25), wobei der Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator (15, 25) und vor der Drossel (16, 26) in einer Abzweigung (35) von dem jeweiligen Aufladepfad (19, 29) abzweigt und wobei ein weiteres der Schaltelemente (18, 28) zwischen der Abzweigung (35) und dem Eingangsanschluss (21, 11) in dem Entladepfad (20, 30) angeordnet ist. Das eine der unidirektionalen Schaltelemente (17, 27) in jedem Aufladepfad (19, 29) ist ein aktiv ansteuerbares Schaltelement (17, 27). In jedem der beiden Aufladepfade (19, 29) kann eine separate Drossel (16, 26) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter der Abzweigung (38) des Entladepfads (20, 30) und vor einem Anschluss des jeweiligen Aufladepfads (19, 29) an eine Verbindung (38) der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Mittelabgriff (3) angeordnet sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit einem Entlastungsnetzwerk. Genauer bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
Unter einem Mehrpunktwechselrichter wird hier insbesondere ein Dreipunktwechselrichter verstanden, bei dem ein Ausgangsanschluss, über den ein Ausgangswechselstrom ausgegeben wird, neben einem positiven elektrischen Potential und einem negativen elektrischen Potential wechselweise auch mit einem neutralen elektrischen Potential verbunden wird, um den Ausgangswechselstrom zu formen. Bei dem Mehrpunktwechselrichter mit dem Entlastungsnetzwerk kann es sich auch um einen Fünfpunktwechselrichter oder gar einen Siebenpunktwechselrichter handeln.
STAND DER TECHNIK
Ein als NPC (Neutral Point Clamped) bezeichneter Dreipunktwechselrichter ist aus Akira Nabae et al., A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, No. 5, September/October 1981, Seiten 518 bis 523 bekannt. Hier sind zwischen Eingangsanschlüsse für eine Eingangsgleichspannung vier Leistungsschalter in Reihe geschaltet. Der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung führt zu einem Ausgangsanschluss, über den ein Ausgangswechselstrom ausgegeben wird. Die Zwischenpunkte der Reihenschaltung auf beiden Seiten des Mittelpunkts sind jeweils über in Sperrrichtung ausgerichtete Dioden mit einem Mittelabgriff einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsgleichspannung verbunden. Zur Formung eines an dem Ausgangsanschluss ausgegebenen Ausgangswechselstroms wird während jeder Halbwelle einer an dem Ausgangsanschluss anliegenden Ausgangswechselspannung einer der an einen der Eingangsanschlüsse angeschlossenen äußeren Schalter der Reihenschaltung komplementär zu dem auf der anderen Seite des Ausgangsanschlusses liegenden inneren Leistungsschalter getaktet. Der auf derselben Seite des Ausgangsanschlusses liegende innere Schalter ist dabei dauerhaft geschlossen und der auf der anderen Seite des Ausgangsanschlusses liegende äußere Schalter dauerhaft geöffnet.
Es sind verschiedene Varianten des NPC Dreipunktwechselrichters entwickelt worden. Hierzu zählt der sogenannte BSNPC(Bidirectional Switch Neutral Point Clamped)-Wechselrichter, siehe A. Nabae et al.: A New Neutral-Point Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, No. 5, September/October 1981, 10. Bei dem BSNPC-Wechselrichter sind die äußeren Leistungsschalter, die mit ihrem einen Ende mit den Eingangsanschlüssen verbunden sind, mit ihrem anderen Ende direkt auch mit dem Ausgangsanschluss verbunden, während die inneren Leistungsschalter zwischen dem Mittelabgriff der Eingangsgleichspannung und dem Ausgangsanschluss so in Reihe oder parallel geschaltet sind, dass mit dem einen inneren Leistungsschalter der Stromfluss in der einen und mit dem anderen inneren Leistungsschalter der Stromfluss in der anderen Richtung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss abgeschaltet werden kann. So wird eine in beiden Richtungen separat schaltbare Schaltungsvorrichtung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss realisiert. Das Schaltschema bei einem BSNPC-Wechselrichter entspricht grundsätzlich demjenigen, das oben für einen NPC-Wechselrichter beschrieben wurde.
Eine als ARCP(Auxiliary Resonant Commutation Pole)-Wechselrichter bekannte Variante des BSNPC-Wechselrichters ist aus der US 2004/0246756 A1 bekannt. Hier ist mit den beiden inneren Leistungsschaltern eine Drossel zwischen dem Mittelabgriff der Eingangsgleichspannung und dem Ausgangsanschluss in Reihe geschaltet. Zudem wird ein durch die Drossel fließender Strom erfasst. Erst wenn bei dieser Erfassung ein Nullstrom gemessen wird, wird der jeweils getaktete innere Leistungsschalter geöffnet. Das Auftreten des Nullstroms wird durch einen Resonanzkreis sichergestellt, in dem die Drossel als Resonanzinduktivität angeordnet ist, und der sich über den Mittelabgriff zu Zwischenkreiskondensatoren eines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises des ARCP-Wechselrichters erstreckt. Für die äußeren Leistungsschalter des bekannten ARCP-Wechselrichters ist zur Schaltentlastung jeweils ein parallel geschalteter Kondensator vorgesehen.
Aus der DE 10 2010 008 426 B4 ist eine Schaltungsanordnung für einen Dreipunktwechselrichter mit einem Entlastungsnetzwerk bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Das Entlastungsnetzwerk ist aus wenigstens einer Spule, zwei Kondensatoren und einer Reihenschaltung aus vier in gleicher Richtung gepolten Dioden gebildet, von denen die beiden äußeren Dioden jeweils direkt mit den Eingangsanschlüssen für den positiven und den negativen Pol einer Eingangsgleichspannung verbunden sind. Der Mittelpunkt zwischen den beiden inneren Dioden ist einerseits über die Spule mit einem Mittelabgriff der Eingangsgleichspannung und andererseits mit einem mittleren Brückenzweig des Dreipunktwechselrichters verbunden. Die beiden Kondensatoren sind jeweils einerseits mit einem Zwischenpunkt zwischen einer der inneren und einer der äußeren Dioden und andererseits mit dem Ausgangsanschluss verbunden. Zusammen mit der Spule bilden die Kondensatoren jeweils einen Resonanzkreis aus. Dieser Resonanzkreis wird zum Laden des jeweiligen Kondensators auf die Eingangsgleichspannung genutzt, wenn der ihm gegenüberliegende äußere Leistungsschalter geöffnet ist. Beim Schließen dieses äußeren Leistungsschalters entlädt sich der zuvor geladene Kondensator und übernimmt damit den bis dahin durch den Leistungsschalter fließenden Strom und stellt so eine Schaltentlastung für diesen Leistungsschalter bereit. Zur vollständigen Entladung des Kondensators wird ein anderer, über den Ausgangsanschluss hinweg mit der Drossel gebildeter Resonanzkreis genutzt. Bei diesem bekannten, auch als S3L(Soft Switching Three Level)-Wechselrichter bezeichneten Mehrpunktwechselrichter können die Pulse beim komplementären Takten eines der äußeren Leistungsschalter mit einem der inneren Leistungsschalter anders als bei anderen NPC-Wechselrichtern, die eine Totzeit zwischen diesen Pulsen erfordern, einander auch überlappen. Allerdings fließt jeder Strom von dem Mittelabgriff zu dem Ausgangsanschluss zwangsweise durch die Drossel. Entsprechend muss diese Drossel für die maximale Stromstärke dieses Stroms dimensioniert sein.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit Entlastungsnetzwerk aufzuzeigen, der zusätzliche Funktionalitäten aufweist, durch die er z. B. zur besonders kostengünstigen Ausbildung eines mehrphasigen Mehrpunktwechselrichters geeignet ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter weist einen Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einen Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung, einen Mittelabgriff für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung, einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms, zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter, die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode mit dem Mittelabgriff und andererseits direkt oder über eine Diode mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind, und ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungsschalter auf. Das Entlastungsnetzwerk umfasst zwei Kondensatoren und vier unidirektionale Schaltelemente. Für jeden der beiden Kondensatoren des Entlastungsnetzwerks verläuft ein Aufladepfad zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Mittelabgriff, wobei der jeweilige Kondensator in dem Aufladepfad mit einem der unidirektionalen Schaltelemente und einer Drossel in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Ausgangsanschluss und jedem der Eingangsanschlüsse verläuft zudem ein Entladepfad für jeweils einen der beiden Kondensatoren, wobei dieser Entladepfad von dem Ausgangsanschluss aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator und vor der Drossel in einer Abzweigung von dem jeweiligen Aufladepfad abzweigt und wobei ein weiteres der unidirektionalen Schaltelemente zwischen der Abzweigung und dem Eingangsanschluss in diesem Entladepfad und damit nicht in dem Aufladepfad angeordnet ist. Das in dem jeweiligen Aufladepfad vorgesehene eine unidirektionale Schaltelement ist ein aktiv ansteuerbares Schaltelement. Mit Hilfe dieser aktiven Ansteuerbarkeit kann z. B. auch ein in der Durchlassrichtung des unidirektionalen Schaltelements fließender Strom verhindert werden, um ein unerwünschtes Aufladen des jeweils nicht zur Schaltentlastung dienenden Kondensators zu unterbinden oder auch ein Aufladen des jeweils zur Schaltentlastung dienenden Kondensators zu begrenzen.
Dass die inneren Leistungsschalter direkt oder über eine Diode mit dem Mittelabgriff bzw. dem Ausgangsanschluss verbunden sind, bedeutet, dass sie für jeden Gleichstrom oder zumindest für einen Gleichstrom einer durch die Durchlassrichtung der jeweiligen Diode vorgegebenen Richtung permanent elektrisch leitend mit dem Mittelabgriff bzw. dem Ausgangsanschluss verbunden sind. Dies schließt nicht aus, dass in der jeweiligen Verbindung zusätzlich ein induktives oder resistives Bauteil angeordnet ist. Mit der Diode können auch noch weitere Dioden gleicher Durchlassrichtung parallel oder in Reihe geschaltet sein.
Zwischen den Eingangsanschlüssen für die Eingangsgleichspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in der Regel einen geteilter Gleichspannungszwischenkreis angeordnet sein, dessen Mittelpunkt den Mittelabgriff für den Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung bildet. Der geteilte Gleichspannungszwischenkreis kann aus zwei oder mehr Kondensatoren aufgebaut sein.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann in jedem der beiden Aufladepfade eine separate Drossel von dem Ausgangsanschluss aus gesehen einerseits hinter der Abzweigung des Entladepfads und damit nicht in dem Entladepfad und andererseits vor der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff angeordnet sein. Keine dieser beiden separaten Drosseln in den Aufladepfaden liegt dann in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff, und die Drosseln müssen daher nicht den zwischen dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss über die inneren Leistungsschalter fließenden Strom führen. Entsprechend müssen sie nur für den über den Aufladepfad fließenden Strom ausgelegt werden.
Beim Aufladen der Kondensatoren haben die ihnen einzeln zugeordneten Drosseln grundsätzlich dieselbe Funktion wie die eine Drossel der Schaltungsanordnung gemäß der DE 10 2010 008 426 B4 . Am Entladen der Kondensatoren bei der Schaltentlastung sind die separaten Drosseln jedoch nicht beteiligt. Die Entladung der Kondensatoren erfolgt weder über einen Resonanzkreis, in dem die separaten Drosseln angeordnet sind, noch wird ein Strom von den Kondensatoren zu dem Mittelabgriff durch die separaten Drosseln gedämpft. Dies ist bei der getakteten Ansteuerung der mittleren Leistungsschalter zu berücksichtigen.
Verglichen mit dem Aufwand für die große Drossel der aus der DE 10 2010 008 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung ist der Aufwand für die kleinen separaten Drosseln dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nur klein. Dieser Vorteil bei der Herstellung eines Mehrpunktwechselrichters mit Entlastungsnetzwerk in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung geht auch nicht dadurch verloren, dass bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung das in dem jeweiligen Aufladepfad vorgesehene eine unidirektionale Schaltelement ein aktiv ansteuerbares Schaltelement ist. Mit Hilfe dieser aktiven Ansteuerbarkeit kann auch ein in der Durchlassrichtung des unidirektionalen Schaltelements fließender Strom verhindert werden, um ein unerwünschtes Aufladen des jeweils nicht zur Schaltentlastung dienenden Kondensators zu unterbinden.
Konkret kann das in jedem Aufladepfad vorhandene eine aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement, d. h. eine Diode, und ein damit in Reihe geschaltetes aktiv ansteuerbares bidirektionales Schaltelement umfassen. Das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement darf dabei nicht zugleich in dem zugehörigen Entladepfad liegen. Das gilt auch für ein einteiliges aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement oder allgemeiner für den Teil des aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelements, der es unidirektional macht. Jeder andere Teil des aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelements kann auch dort angeordnet sein, wo der Aufladepfad und der zugehörige Entladepfad zusammenfallen. So kann das aktiv ansteuerbare Schaltelement auch zwischen dem Ausgangsanschluss und der Abzweigung des Entladepfads von dem Aufladepfad angeordnet sein. Dann muss es jedoch zum Zeitpunkt der mit dem jeweiligen Kondensator bereitzustellenden Schaltentlastung geschlossen sein, sofern es im geöffneten Zustand auch einen Stromfluss in der Entladerichtung des Kondensators abschaltet. Bei dem aktiv ansteuerbaren Schaltelement bedeutet "bidirektional", dass es einen Stromfluss in beiden Richtungen ermöglicht, diesen aber nicht unbedingt auch in beiden Richtungen abschalten kann. Konkret kann es sich bei dem aktiv ansteuerbaren bidirektionalen Schaltelement um einen Transistor mit einer antiparallelen Diode handeln, deren Durchlassrichtung dann entgegengesetzt zu der Durchlassrichtung der Diode ausgerichtet ist, die das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement ausbildet. Die antiparallele Diode kann beispielsweise eine Bodydiode des Transistors sein.
Das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement und das aktiv ansteuerbare bidirektionale Schaltelement des aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelements können bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Zwischenordnung des Kondensators und/oder der Drossel in dem Aufladepfad in Reihe geschaltet sein. Sie können ebenso auf derselben Seite des Kondensators und/oder der Drossel angeordnet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann jeder Entladepfad direkt an den jeweiligen Eingangsanschluss angeschlossen sein. Das in dem Entladepfad zwischen dem Eingangsanschluss und der Verzweigung von dem Aufladepfad vorgesehene weitere unidirektionale Schaltelement ist vorzugsweise ein passives unidirektionales Schaltelement, d. h. eine Diode.
Jeder Aufladepfad und damit auch jeder Entladepfad ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorzugsweise direkt an den Ausgangsanschluss angeschlossen, um sein Aufladen und auch sein Entladen zur Schaltentlastung unabhängig von der Schaltstellung der inneren Leistungsschalter zu realisieren.
An seinem anderen Ende kann jeder Aufladepfad direkt oder über die Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff zu dem Mittelabgriff verlaufen. Dabei kann eine gemeinsame Drossel für beide Aufladepfade in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff angeordnet sein. Wenn separate Drosseln in den beiden Aufladepfaden vorhanden sind, kann in dieser Verbindung eine zusätzliche Hilfsdrossel vorgesehen sein, um Ströme zu dämpfen, die von dem jeweils zur Schaltentlastung dienenden, aber nicht vollständig entladenen Kondensator fließen können, wenn der komplementär zu dem schaltentlasteten äußeren Leistungsschalter getaktete innere Leistungsschalter geschlossen wird. Die Hilfsdrossel kann dabei nicht nur in dem Bereich der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff angeordnet sein, über den auch beide Aufladepfade verlaufen, sondern auch außerhalb dieses Bereichs. Zudem kann die Hilfsdrossel auch in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Ausgangsanschluss, dann von den inneren Leistungsschaltern aus gesehen vor dem Anschluss der Aufladepfade und Entladepfade an den Ausgangsanschluss, oder – bei in Reihe geschalteten inneren Leistungsschaltern – zwischen den inneren Leistungsschaltern angeordnet sein. Selbst mit einer solchen zusätzlichen Hilfsdrossel ist der Aufwand für alle Drosseln der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit separaten Drosseln in beiden Aufladepfaden klein gegenüber dem Aufwand für die große Drossel der aus der DE 10 2010 008 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Induktivitäten der separaten Drosseln in den einzelnen Aufladepfaden typischerweise mindestens so groß sind wie eine Induktivität dieser Hilfsdrossel. Die Induktivitäten der separaten Drosseln in den einzelnen Aufladepfaden können auch mindestens doppelt, fünfmal oder zehnmal so groß sein wie eine Induktivität dieser Hilfsdrossel. Je kleiner die relative Induktivität der Hilfsdrossel ist, desto weniger wirkt sie sich auf die Gesamtinduktivität in den Aufladepfaden und damit auf die Resonanzkreise aus, die von den Kondensatoren und den separaten Drosseln gebildet werden, selbst dann, wenn die Hilfsdrossel ebenfalls in den Aufladepfaden angeordnet ist. Konkret kann die Hilfsdrossel als Luftdrossel ausgeführt sein.
Auch wenn dies nicht unter den Patentanspruch 1 fällt, ist es bei der hier offenbarten Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter grundsätzlich auch möglich, statt der aktiv ansteuerbaren Ausbildung des in dem jeweiligen Aufladepfad vorgesehenen einen unidirektionalen Schaltelements nur die oben beschriebene Hilfsdrossel zu verwenden, um die beiden Aufladepfade zu entkoppeln.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind die Durchlassrichtungen des einen und des weiteren der unidirektionalen Schaltelemente in dem Aufladepfad und dem Entladepfad für jeden Kondensator von dem Ausgangsausschluss aus gesehen einander entgegengerichtet. Dabei sind die weiteren der unidirektionalen Schaltelemente bezogen auf den Pol der Eingangsspannung an demjenigen der Eingangsanschlüsse, mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Bezug auf den Pol der Eingangsgleichspannung, der an dem Eingangsanschluss anliegt, in Sperrrichtung ausgerichtet. Die weiteren unidirektionalen Schaltelemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entsprechen damit weitgehend den äußeren Dioden der aus der DE 10 2010 08 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung, während die dortigen inneren Dioden bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelemente ersetzt sind, die zu Teilen auch an anderer Stelle in dem jeweiligen Aufladepfad angeordnet sein können.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auf eine Vielzahl von Dreipunkt- und Mehrpunktwechselrichtern angewandt werden. Hierzu zählen NPC-Wechselrichter, BSNPC-Wechselrichter, ARCP- und S3L-Wechselrichter.
Zur Taktung der Leistungsschalter und auch der aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine Steuerung vorgesehen. Wenn im Folgenden beschrieben wird, welche Aktionen diese Steuerung ausführen kann, so impliziert dies insbesondere, dass die Steuerung in geeigneter Weise zur Ausführung eben dieser Aktionen eingerichtet ist. Diese Steuerung kann das aktiv ansteuerbare Schaltelement in dem Aufladepfad, von dem der Entladepfad zu dem einen Eingangsanschluss führt, innerhalb eines Zeitraums schließen, über den hinweg sie den äußeren Leistungsschalter, der mit dem anderen Eingangsanschluss verbunden ist, in Pulsen schließt. Für diesen äußeren Leistungsschalter dient der Kondensator, für den der Aufladepfad vorgesehen ist, als Schaltentlastung. Der jeweils andere Kondensator, der als Schaltentlastung für den anderen äußeren Leistungsschalter vorgesehen ist, sollte, solange der andere äußere Leistungsschalter nicht getaktet wird, auch nicht aufgeladen werden, um insbesondere keine unerwünschten Entladeströme hervorzurufen. Daher hält die Steuerung das aktiv ansteuerbare Schaltelement in dessen Aufladepfad solange geöffnet, wie der andere äußere Leistungsschalter nicht getaktet wird.
Vorzugsweise schließt die Steuerung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung das aktiv ansteuerbare Schaltelement nur innerhalb eines Teilzeitraums des Zeitraums, über den hinweg sie den jeweiligen äußeren Leistungsschalter taktet, d. h. in Pulsen schließt. Dieser Teilzeitraum zeichnet sich dadurch aus, dass der Betrag eines Momentanwerts des über den Ausgangsanschluss ausgegebenen Ausgangswechselstroms einen unteren Grenzwert einhält und dass der Momentanwerts des Ausgangswechselstroms und ein Momentanwert der Ausgangswechselspannung gleiche Vorzeichen aufweisen. Der Grenzwert ist so zu bemessen, dass der zur Schaltentlastung dienende Kondensator bei jedem Entlastungsvorgang zumindest im Wesentlichen vollständig entladen wird, und zwar binnen kurzer Zeit. Diese Zeit muss als Totzeit zwischen den Pulsen verbleiben, in denen der äußere Leistungsschalter und der dazu komplementär getaktete innere Leistungsschalter geschlossen werden.
Die Steuerung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann das aktiv ansteuerbare Schaltelement nicht nur einmal pro Halbwelle des ausgegebenen Ausgangswechselstroms, sondern auch in Pulsen schließen, die dieselbe Frequenz aufweisen wie die Pulse, in denen sie den jeweiligen Leistungsschalter schließt. Dabei liegen diese Pulse vorzugsweise vollständig innerhalb der Pulse, in denen die Steuerung den äußeren Leistungsschalter schließt. Idealerweise werden die Pulse, für die das aktiv ansteuerbare Schaltelement geschlossen wird, mit den Pulsen, in denen die Steuerung den äußeren Leistungsschalter schließt, synchronisiert. Durch die Breite dieser Pulse, für die das aktiv ansteuerbare Schaltelement geschlossen wird, kann auch Einfluss auf das Maß der Aufladung des den äußeren Leistungsschalter schaltentlastenden Kondensators genommen werden. Die Breite der Pulse, für die das aktiv ansteuerbare Schaltelement geschlossen wird, kann aber auch konstant sein.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen mehrphasigen Mehrpunktwechselrichter weist für jede Phase einen Ausgangsanschluss, zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter und ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungsschalter mit zwei Kondensatoren und einem Aufladepfad für jeden der beiden Kondensatoren auf. Dabei können die Aufladepfade für alle Kondensatoren, die zur Schaltentlastung für diejenigen der Leistungsschalter vorgesehen sind, die mit demselben der beiden Eingangsanschlüsse verbunden sind, über jeweils eine gemeinsame Drossel führen, oder auch alle Aufladepfade über eine einzige gemeinsame Drossel führen, die direkt mit dem Mittelabgriff verbunden ist. Dann weist der mehrphasige Mehrpunktwechselrichter nur eine oder zwei Drosseln auf, die von allen Entlastungsnetzwerken der verschiedenen Phasen gemeinsam genutzt werden. Dabei kommt es zumindest dann zu keinen wechselseitigen Störungen beim Aufladen der einzelnen Kondensatoren, wenn von den aktiv ansteuerbaren Schaltelementen in den Aufladepfaden zu jedem Zeitpunkt nur eines geschlossen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der relativen Anordnung und den Wirkverbindungen mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer ersten Ausführungsform basierend auf einem BSNPC-Wechselrichter.
2 illustriert die Ansteuerung von aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelementen der Schaltungsanordnung gemäß 1 in einer Ausführungsform mit einem Phasenwinkel von null zwischen ausgegebenem Ausgangswechselstrom und Ausgangswechselspannung.
3 illustriert die Ansteuerung der aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelemente der Schaltungsanordnung gemäß 1 in einer Ausführungsform mit einem der Ausgangswechselspannung nacheilenden Ausgangswechselstrom.
4 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform basierend auf einem NPC-Wechselrichter.
5 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform basierend auf einem BSNPC-Wechselrichter.
6 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform basierend auf einem BSNPC-Wechselrichter.
7 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform basierend auf einem 3-phasigen BSNPC-Wechselrichter.
8 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform, ebenfalls basierend auf einem 3-phasigen BSNPC-Wechselrichter; und
9 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem 3-phasigen S3L-Wechselrichter.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 basiert auf einem BSNPC-Wechselrichter. Sie weist zwei Eingangsanschlüsse 11 und 21 für eine positiven und einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung u_in auf. Die Eingangsgleichspannung u_in liegt über einem Gleichspannungszwischenkreis 2 mit zwei Zwischenkreiskondensatoren 12 und 22 und einem Mittelabgriff 3 an. Zwischen die Eingangsanschlüsse 11 und 21 sind zwei äußere Leistungsschalter 13 und 23 in Reihe geschaltet. Zwischen den Leistungsschaltern 13 und 23 liegt ein Ausgangsanschluss 4, über den ein Ausgangswechselstrom i_load ausgegeben wird. Der Ausgangsanschluss 4 ist über miteinander in Reihe geschaltete innere Leistungsschalter 14 und 24 mit dem Mittelabgriff 3 verbunden. Die Leistungsschalter 13, 14, 23 und 24 sind hier jeweils als IGBT mit antiparallelen Dioden 5 ausgebildet. Die antiparallelen Dioden 5 der äußeren Leistungsschalter 13 und 23 sind dabei bezüglich der Eingangsgleichspannung u_in in Sperrrichtung ausgerichtet. Die antiparallelen Dioden 5 der inneren Leistungsschalter 14 und 24 weisen einander entgegengerichtete Sperrrichtungen auf.
Die Leistungsschalter 13, 14, 23 und 24 werden in der Schaltungsanordnung 1 genauso angesteuert wie bei einem herkömmlichen BSNPC-Wechselrichter. Zur Schaltentlastung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23 ist ein Entlastungsnetzwerk 6 vorgesehen, das zwei Kondensatoren 15 und 25, zwei Drosseln 16 und 26 und vier unidirektionale Schaltelemente 17, 18, 27, 28 aufweist. Dabei ist jeweils einer der Kondensatoren 15 und 25 mit einer der Drosseln 16 und 26 und einem der unidirektionalen Schaltelemente 17 und 27 in einem Aufladepfad 19 bzw. 29 in Reihe geschaltet. Dieser Aufladepfad 19 bzw. 29 ist mit einem kondensatorseitigem Ende mit dem Ausgangsanschluss 4 verbunden und mit einem drosselseitigen Ende mit einer Verbindung 38 zwischen dem Mittelabgriff 3 und der Reihenschaltung der inneren Leistungsschalter 14 und 24. Von jedem der Entladepfade 19 und 29 zweigt zwischen dem jeweiligen Kondensator 15 bzw. 25 und der jeweiligen Drossel 16 bzw. 26 ein Entladepfad 20 bzw. 30 in einer Abzweigung 35 ab. Von dem Ausgangsanschluss 4 bis zu den Abzweigungen 35 sind die Entladepfade 20 und 30 identisch mit den Aufladepfaden 19 und 29. Jenseits der Abzweigungen 35 sind die Entladepfade 20 und 30 über die weiteren unidirektionalen Schaltelemente 18 und 28 an die Eingangsanschlüsse 21 bzw. 11 angeschlossen. Bei den weiteren unidirektionalen Schaltelementen 18 und 28 handelt es sich hier um Dioden 7. Die unidirektionalen Schaltelemente 17 und 27 sind aktiv ansteuerbar und hier aus Reihenschaltungen von Bodydioden 8 aufweisenden MOSFET 9 mit Dioden 10 ausgebildet, die die Durchlassrichtung der unidirektionalen Schaltelemente 17, 27 vorgeben. Von dem Ausgangsanschluss 4 über die Aufladepfade 19 und 29 und die Entladepfade 20 und 30 aus gesehen, sind die Durchlassrichtungen der Dioden 7 und 10 einander entgegengerichtet. Hier sind alle Dioden 7 und 10 zwischen den Eingangsanschlüssen 11 und 21 in Reihe geschaltet, wobei ihr Mittelpunkt auf die Verbindung 38 fällt und ihre Zwischenpunkte auf jeder Seite des Mittelpunkts auf die Abzweigungen 35 und wobei alle Dioden 7 und 10 bezüglich der Eingangsgleichspannung u_in in Sperrrichtung ausgerichtet sind.
In dem Entlastungsnetzwerk 6 ist der Kondensator 15 zur Schaltentlastung des äußeren Leistungsschalters 13 und der Kondensator 25 zur Schaltentlastung des äußeren Leistungsschalters 23 vorgesehen. Im Folgenden wird als Beispiel das Aufladen und Entladen des Kondensators 15 beschrieben. Das Aufladen und Entladen des Kondensators 25 erfolgt entsprechend. Bei geschlossenem Leistungsschalter 13 und zugleich geschlossenem MOSFET 9 des Schaltelements 17 fließt ein Strom i₁₃ durch den Leistungsschalter 13 nicht nur als an dem Ausgangsanschluss 4 ausgegebener Ausgangswechselstrom i_load zu einer angeschlossenen, hier aber nicht dargestellten Last, sondern vorübergehend zum Teil auch durch den Aufladepfad 19 zu dem Kondensator 15 und von dort über das Schaltelement 17 und durch die Drossel 16 zu dem Mittelabgriff 3. Dass hier vorübergehend ein Strom fließen muss, ergibt sich daraus, dass die über dem Zwischenkreiskondensator 12 abfallende halbe Eingangsgleichspannung u_in/2 über der Masche, die sich durch den Leistungsschalter 13 und über den Aufladepfad 19 zu dem Mittelabgriff 3 erstreckt, vollständig abfallen muss. Tatsächlich wird der Kondensator 15 aber nicht nur auf die halbe Eingangsgleichspannung u_in/2 aufgeladen, weil die Drossel 16 den anfangs durch sie fließenden Strom weiter aufrechterhält, bis eine Aufladung des Kondensators auf die volle Eingangsgleichspannung u_in erreicht ist. Eine nachfolgende Entladung des Kondensators 15 wird durch die in dem Aufladepfad 19 liegende Diode 10 verhindert.
Anders gesagt bildet der Kondensator 15 mit der Drossel 16 einen Serienresonanzkreis, in dem der durch den Aufladepfad 19 bis zum Aufladen des Kondensators 15 auf u_in/2 während eines ersten Viertels einer Resonanzperiode fließende Strom auch die Drossel 16 energetisiert, die ihre Energie anschließend während eines zweiten Viertels der Resonanzperiode des Serienresonanzkreises unter weiterer Aufladung des Kondensators 15 auf u_in wieder abgibt. Durch die Diode 10 in dem Serienresonanzkreis wird die Resonanzschwingung jedoch anschließend beendet, so dass sich der Kondensator 15 nicht unter neuerlicher Energetisierung der Drossel 16 entladen kann. Die Entladung des Kondensators 15 erfolgt vielmehr dann, wenn der Leistungsschalter 13 geöffnet wird, so dass der Strom i₁₃ nicht mehr fließen kann. Indem der Kondensator 15 durch seine Entladung den Ausgangswechselstrom i_load übernimmt, wobei die Diode 7 in seinem Entladepfad 20 leitend wird, verhindert er ein schlagartiges Ansteigen der über dem Leistungsschalter 13 abfallenden Spannung u₁₃. Diese Spannung u₁₃ ist die Summe der Eingangsgleichspannung u_in und der über dem Kondensator 15 abfallenden Spannung u₁₅. Da der Kondensator 15 auf u_in aufgeladen wurde, ist die Spannung u₁₃ über dem Leistungsschalter 13 daher Anfangs null und steigt erst mit der unter u_in fallenden Spannung u₁₅ des Kondensators 15 an. Auf diese Weise wird eine Schaltentlastung durch spannungsloses Schalten des Leistungsschalters 13 realisiert.
Damit der Kondensator 15 anschließend die Funktion des BSNPC-Wechselrichters nicht stört, muss er sich bei der Schaltentlastung möglichst vollständig entladen. Einer unerwünschten Aufladung in falscher Richtung steht die antiparallele Diode 5 des Leistungsschalters 23 entgegen. Eine vollständige Entladung des Kondensators 15 bei der Schaltentlastung des Leistungsschalters 13 wird erreicht, wenn zum Zeitpunkt des Öffnens des Leistungsschalters 13 zumindest ein Ausgangswechselstrom i_load fließt, der von dem Kondensator 15 übernommen wird und diesen entlädt. In 2 sind für einen Phasenwinkel null zwischen einer Ausgangswechselspannung u_out an dem Ausgangsanschluss 4 gemäß 1 und dem Ausgangswechselstrom i_load Teilzeiträume 31 und 32 eingezeichnet, in denen der Betrag eines Momentanwerts des Ausgangswechselstroms i_load einen Grenzwert i_min überschreitet. Hierbei handelt es sich um Teilzeiträume 31 und 32 der beiden Halbwellen der Ausgangswechselspannung u_out, über die hinweg jeweils einer der Leistungsschalter 13, 23 getaktet wird, und zwar der Leistungsschalter 13 bei der positiven Halbwelle und der Leistungsschalter 23 bei der negativen Halbwelle. Über den Teilzeitraum 31 der positiven Halbwelle wird das aktiv ansteuerbare Schaltelement 17 gemäß 1 geschlossen, über den Teilzeitraum 32 der negativen Halbwelle das aktiv ansteuerbare Schaltelement 27. Durch das Offenhalten des jeweils anderen aktiv ansteuerbaren Schaltelements 27 bzw. 17 während der Teilzeiträume 31 und 32 wird sichergestellt, dass sich der zuvor aufgeladene Kondensator 15 oder 25 beim Öffnen des jeweils zu entlastenden Leistungsschalters 13 bzw. 23 nicht teilweise auch über den anderen Kondensator 25 bzw. 15 entlädt. Ein derart unerwünscht aufgeladener Kondensator 25 bzw. 15 würde beim anschließenden Ansteuern des komplementär zu dem äußeren Leistungsschalter 13 oder 23 getakteten inneren Leistungsschalters 24 bzw. 14 ebenso kurzgeschlossen wie ein bei der Schaltentlastung noch nicht vollständig entladener Kondensator 15 bzw. 25. Ein offenes Schaltelement 17 oder 27 in dem jeweiligen Aufladepfad 19 bzw. 29 verhindert das unerwünschte Aufladen des in dem Aufladepfad angeordneten Kondensators 15 bzw. 25.
3 illustriert, dass bei einem der Ausgangswechselspannung u_out nacheilendem Ausgangswechselstrom i_load die Teilzeiträume 31 und 32, in denen die Schaltelemente 17 und 27 geschlossen werden, innerhalb der Halbwellen der Ausgangswechselspannung u_out erst beginnen, wenn der Betrag des Momentanwerts des Ausgangswechselstroms i_load bei jeweils gleichem Vorzeichen der Momentanwerte der Ausgangswechselspannung u_out und des Ausgangswechselstroms i_load den Grenzwert i_min überschritten hat. Die Teilzeiträume 31 und 32 enden aber spätestens mit dem Vorzeichenwechsel der Ausgangswechselspannung u_out, bei dem beim Takten zwischen den äußeren Leistungshalbleiterschaltern 13 und 23 gewechselt wird. Weiter zeigt 3 auf, dass es auch möglich ist, die Schaltelemente 17 und 27 nicht für die gesamten Teilbereiche 31 und 32 dauerhaft geschlossen zu halten, sondern nur für Pulse, die mit den Pulsen synchronisiert sind, für die der jeweilige äußere Leistungsschalter 13 und 23 beim Takten geschlossen wird. Durch die relative Lage der Pulse, für die die Schaltelemente 17 und 27 geschlossen werden, innerhalb der Pulse, für die der jeweilige äußere Leistungsschalter 13 und 23 geschlossen wird, kann der Verlauf des über das jeweilige Schaltelemente 17 bzw. 27 zu dem jeweiligen Kondensator 15 bzw. 25 fließenden Ladestroms beeinflusst werden. Vorzugsweise sind die Pulse, für die die Schaltelemente 17 und 27 geschlossen werden, mindestens so lang wie die halbe Resonanzperiode des Serienresonanzkreises aus dem Kondensator 15 bzw. 25 und der Drossel 16 bzw. 26. Durch kürzere Pulse als die halbe Resonanzperiode des Serienresonanzkreises kann die Aufladung des jeweiligen Kondensators 15 bzw. 25 auch auf weniger als u_in begrenzt werden, um seine Entladung auch bei kleinem Ausgangswechselstrom i_load sicherzustellen. Allerdings erfolgt dann keine vollständige Schaltentlastung, d. h. kein vollständig spannungsloses Schalten des jeweiligen Leistungsschalters 13 bzw. 23.
Zu den 2 und 3 ist noch anzumerken, dass hier nicht die tatsächlich ausgegebene Ausgangswechselspannung u_out dargestellt ist, die ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal ist. Vielmehr handelt es sich um die gewünschte Ausgangswechselspannung u_out, d. h. eine Vorgabe für die Pulsweitenmodulation bei der Ansteuerung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23, die mit der Grundwelle der Spannung am Ausgangsanschluss 4 in Phase ist.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die von einem NPC-Wechselrichter ausgeht, bei dem die äußeren Leistungsschalter 13 und 23 und die inneren Leistungsschalter 14 und 24 in Reihe geschaltet sind, wobei der Mittelpunkt der Reihenschaltung den Ausgangsanschluss 4 bildet. Dabei führen von Zwischenpunkten 33 zwischen den äußeren Leistungsschaltern 13 und 23 und den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 Dioden 34, die in Bezug auf die Eingangsgleichspannung u_in in Sperrrichtung ausgerichtet sind, zu dem Mittelabgriff 3. Über diese Dioden 34 sind auch hier die inneren Leistungsschalter 14 und 24 einerseits an den Mittelabgriff 3 angeschlossen, während sie andererseits direkt an den Ausgangsanschluss 4 angeschlossen sind. Das Entlastungsnetzwerk 6 ist hier grundsätzlich genauso ausgebildet wie in 1, auch wenn die aktiv ansteuerbaren Schaltelemente 17 und 27 hier nur schematisch wiedergegeben sind. Dabei ist es unerheblich, dass die Reihenfolge der aktiv ansteuerbaren Schaltelemente 17 und 27 einerseits und der Drosseln 16 und 26 andererseits in den Aufladepfaden 19 und 29 gegenüber 1 vertauscht ist. Hierdurch ergibt sich keine grundsätzliche Änderung der Funktion des Entlastungsnetzwerks 6 für die Schaltentlastung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23. Die Leistungsschalter 13, 14, 23 und 24 werden in der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 genauso angesteuert wie bei einem herkömmlichen NPC-Wechselrichter.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß 5 basiert wieder auf einem BSNPC-Wechselrichter. Dabei sind die folgenden Variationsmöglichkeiten gegenüber 1 illustriert, die auch unabhängig voneinander umgesetzt werden können. Statt die inneren Schaltelemente 14 und 24 aus in Reihe geschalteten Transistoren mit antiparallelen Dioden 5 auszubilden, wobei die antiparallele Diode 5 des einen Transistors jeweils für einen unidirektionalen Stromfluss durch den anderen Transistor sorgt, sind hier zwei in Umkehrrichtung blockierende Transistoren 36, d. h. direkt unidirektional ausgebildete Schaltelemente, parallel geschaltet. Weiterhin sind die aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelemente 17 und 27 jeweils als Thyristoren ausgebildet, die ebenfalls ohne zusätzliche Dioden 10 wie in 1 auskommen. Darüber hinaus ist eine Hilfsdrossel 39 in der Verbindung 38 zwischen den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 und dem Mittelabgriff 3 vorgesehen. Mit dieser Hilfsdrossel 39 können Ströme begrenzt werden, die aufgrund des Kurzschließens der gegebenenfalls nicht vollständig entladenen Kondensatoren 15 und 25 zu dem Mittelabgriff 3 fließen. Die Hilfsdrossel 39 kann auch zwischen den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 oder zwischen den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 und dem Ausgangsanschluss 4 vorgesehen sein, dann aber von den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 aus gesehen vor dem gemeinsamen Anschluss der Aufladepfade 19, 29 und Entladepfade 20, 30 an den Ausgangsanschluss 4. Darüber hinaus ist die Hilfsdrossel 39 so klein dimensioniert, dass sie auch dann, wenn sie in dem Serienresonanzkreis mit dem jeweiligen Kondensator 15 oder 25 und der jeweiligen Drossel 16 oder 26 liegt, dessen Resonanzinduktivität nicht maßgeblich beeinflusst.
Die in 6 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 weicht von derjenigen gemäß 1 dadurch ab, dass die aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelemente 17 und 27 nicht nur in Dioden 10 und weitere nicht unidirektional ausgebildete und hier nur schematisch dargestellte Schaltelemente 40 aufgeteilt sind, sondern dass diese Teile 10 und 40 sich auch auf unterschiedlichen Seiten der Kondensatoren 15 und 25 befinden. Auch hierdurch wird die Funktion des Entlastungsnetzwerks 6 nicht grundsätzlich verändert.
7 illustriert eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 für einen 3-phasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei der Aufbau jeder Phase 1 entspricht. Als einziger Unterschied zu 1 sind hier die aktiv ansteuerbaren bidirektionalen Schaltelemente 17 und 27 jeweils nur schematisch wiedergegeben. Sie können auch anders als in 1 dargestellt realisiert sein, wie dies auch für alle anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gilt. Die Schaltungsanordnung gemäß 7 weist drei Ausgangsanschlüsse 4 auf, an denen sie jeweils eine Phase des hier 3-phasigen Ausgangswechselstroms ausgibt.
8 illustriert eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 für einen weiteren 3-phasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei der Aufbau 7 entspricht, außer, dass alle Aufladepfade 19 über eine gemeinsame Drossel 16 führen und alle Aufladepfade 29 über eine gemeinsame Drossel 26 führen. Das heißt, die Drosseln 16 und 26 werden von den Entlastungsnetzwerken 6 für alle drei Phasen gemeinsam genutzt. Wenn von den aktiv ansteuerbaren Schaltelementen 17, 27 in den Aufladepfaden 19, 29 zu jedem Zeitpunkt nur eines geschlossen ist, kommt es dennoch zu keinen wechselseitigen Störungen beim resonanten Aufladen der einzelnen Kondensatoren 15 und 25.
9 illustriert eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 für einen weiteren 3-phasigen S3L-Wechselrichter, wobei der Aufbau 7 entspricht, außer, dass alle Aufladepfade 19, 29 über eine gemeinsame Drossel 16 führen. Die Drossel 16 ist hier in den Verbindungen 38 zwischen dem Mittelabgriff 3 und den jeweiligen inneren Leistungsschaltern 14 und 24 für die einzelnen Phasen angeordnet. Dieser Ort der Drossel 16 entspricht grundsätzlich demjenigen bei der aus der DE 10 2010 008 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung. Abweichend von der DE 10 2010 008 426 B4 ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 in jedem der Aufladepfade 19 und 29 ein aktiv ansteuerbares Schaltelement 17 oder 27 angeordnet, um die Aufladepfade selektiv zu aktivieren, und in der hier gezeigten Ausführungsform ist nur die eine Drossel 16 für alle drei Phasen vorhanden. Dabei kommt es auch bei Verwendung nur der einen Drossel 16 zu keinen wechselseitigen Störungen beim resonanten Aufladen der einzelnen Kondensatoren 15 und 25, wenn von den in den Aufladepfaden 19, 29 angeordneten aktiv ansteuerbaren Schaltelementen 17 oder 27 zu jedem Zeitpunkt nur eines geschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Gleichspannungszwischenkreis
3: Mittelabgriff
4: Ausgangsanschluss
5: Antiparallele Diode
6: Entlastungsnetzwerk
7: Diode
8: Bodydiode
9: MOSFET
10: Diode
11: Eingangsanschluss
12: Zwischenkreiskondensator
13: Leistungsschalter
14: Leistungsschalter
15: Kondensator
16: Drossel
17: Schaltelement
18: Schaltelement
19: Aufladepfad
20: Entladepfad
21: Eingangsanschluss
22: Zwischenkreiskondensator
23: Leistungsschalter
24: Leistungsschalter
25: Kondensator
26: Drossel
27: Schaltelement
28: Schaltelement
29: Aufladepfad
30: Entladepfad
31: Teilbereich
32: Teilbereich
33: Zwischenpunkt
34: Diode
35: Abzweigung
36: Transistor
37: Thyristor
38: Verbindung
39: Hilfsdrossel
40: Schaltelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0246756 A1 [0005]
DE 102010008426 B4 [0006, 0013, 0014, 0019, 0052, 0052]
DE 10201008426 B4 [0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Akira Nabae et al., A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, No. 5, September/October 1981, Seiten 518 bis 523 [0003]
A. Nabae et al.: A New Neutral-Point Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, No. 5, September/October 1981 [0004]

Claims

Schaltungsanordnung (1) für einen Mehrpunktwechselrichter, – mit einem Eingangsanschluss (11) für einen positiven Pol und einem Eingangsanschluss (21) für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung (u_in), – mit einem Mittelabgriff (3) für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung (u_in), – mit einem Ausgangsanschluss (4) zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms (i_load), – mit zwei äußeren Leistungsschaltern (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (11, 21) verbunden ist, – mit zwei inneren Leistungsschaltern (14, 24), die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode (5, 34) mit dem Mittelabgriff (3) und andererseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Ausgangsanschluss (4) verbunden sind, und – mit einem Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23), das zwei Kondensatoren (15, 25) und vier unidirektionale Schaltelemente (17, 18, 27, 28) umfasst, – wobei für jeden der beiden Kondensatoren (15, 25) ein Aufladepfad (19, 29) zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und dem Mittelabgriff (3) verläuft, wobei der jeweilige Kondensator (15, 25) in dem Aufladepfad (19, 29) mit einem der Schaltelemente (17, 27) und einer Drossel (16, 26) in Reihe geschaltet ist, und – wobei zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und jedem der Eingangsanschlüsse (11, 21) ein Entladepfad (20, 30) für jeweils einen der beiden Kondensatoren (15, 25) verläuft, – wobei der Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator (15, 25) und vor der Drossel (16, 26) in einer Abzweigung (35) von dem jeweiligen Aufladepfad (19, 29) abzweigt und – wobei ein weiteres der Schaltelemente (18, 28) zwischen der Abzweigung (35) und dem Eingangsanschluss (21, 11) in dem Entladepfad (20, 30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine der unidirektionalen Schaltelemente (17, 27) in jedem Aufladepfad (19, 29) ein aktiv ansteuerbares Schaltelement (17, 27) ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der beiden Aufladepfade (19, 29) eine separate Drossel (16, 26) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter der Abzweigung (35) des Entladepfads (20, 30) und vor einem Anschluss des jeweiligen Aufladepfads (19, 29) an eine Verbindung (38) der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Mittelabgriff (3) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine aktiv ansteuerbare Schaltelement (17, 27) in jedem Aufladepfad (19, 29) ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement und ein damit in Reihe geschaltetes aktiv ansteuerbares bidirektionales Schaltelement (40) umfasst.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement und das aktiv ansteuerbare bidirektionale Schaltelement (40) unter Zwischenordnung des Kondensators (15, 25) und/oder der Drossel (16, 26) in dem Aufladepfad (19, 29) in Reihe geschaltet sind.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere der unidirektionalen Schaltelemente (18, 28) in jedem Entladepfad (20, 30) ein nicht aktiv ansteuerbares Schaltelement ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Entladepfad (20, 30) direkt an den jeweiligen Eingangsanschluss (21, 11) angeschlossen ist und/oder dass jeder Aufladepfad (19, 29) direkt an den Ausgangsanschluss (4) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsdrossel (39) – in einer Verbindung (38) der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Mittelabgriff (3), – in einer Verbindung der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Ausgangsanschluss (4), dann von den inneren Leistungsschaltern (14, 24) aus gesehen vor dem Anschluss der Aufladepfade (19, 29) und Entladepfade (20, 30) an den Ausgangsanschluss (4), oder – bei in Reihe geschalteten inneren Leistungsschaltern (14, 24), zwischen den inneren Leistungsschaltern (14, 24) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Induktivitäten der separaten Drosseln (16, 26) in den einzelnen Aufladepfaden mindestens so groß sind wie eine Induktivität der Hilfsdrossel (39).
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassrichtungen des einen und des weiteren der unidirektionalen Schaltelemente (17, 18, 27, 28) in dem Aufladepfad (19, 29) und dem Entladepfad (20, 30) für jeden Kondensator (15, 25) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen einander entgegen gerichtet sind, wobei die weiteren der unidirektionalen Schaltelemente (18, 28) bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung (u_in) an demjenigen der Eingangsanschlüsse (11, 21), mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet sind.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter (13, 14, 23, 24) nach Art – eines NPC-Wechselrichters, – eines BSNPC-Wechselrichters, – eines ARCP-Wechselrichters oder – eines S3L-Wechslrichters verschaltet sind.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, das aktiv ansteuerbare Schaltelement (17, 27) in dem Aufladepfad (19, 29), von dem der Entladepfad (20, 30) zu dem einen Eingangsanschluss (21, 11) führt, innerhalb eines Zeitraums zu schließen, über den hinweg sie den äußeren Leistungsschalter (13, 23) in Pulsen schließt, der mit dem anderen Eingangsanschluss (11, 21) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung das aktiv ansteuerbare Schaltelement (17, 27) nur innerhalb eines Teilzeitraums (31, 32) des Zeitraums schließt, wobei in dem Teilzeitraum (31, 32) ein Betrag eines Momentanwerts des Ausgangswechselstroms (i_load) einen unteren Grenzwerts (i_min) einhält und wobei der Momentanwert des Ausgangswechselstroms (i_load) und ein Momentanwert der Ausgangswechselspannung (u_out) gleiche Vorzeichen aufweisen.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung das aktiv ansteuerbare Schaltelement (17, 27) in Pulsen schließt, die mit den Pulsen, in denen sie den äußeren Leistungsschalter (13, 23) schließt, synchronisiert sind.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, jeweils einen der inneren Leistungsschalter (14, 24) bezogen auf eine Ausgangswechselspannung an dem Ausgangsanschluss halbwellenweise zu schließen und den anderen der inneren Leistungsschalter (14, 24) zumindest zeitweise komplementär zu dem jeweils gepulsten äußeren Leistungsschalter (13, 23) in Pulsen zu schließen, wobei Totzeiten zwischen den Pulsen des inneren und des äußeren Leistungsschalters (13, 23) verbleiben, in denen sich der bei geschlossenem äußeren Leistungsschalter (13, 23) aufladende Kondensator (15, 25) des Entlastungsnetzwerks (6) entlädt.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen mehrphasigen Mehrpunktwechselrichter, der für jede Phase – einen Ausgangsanschluss (4), – zwei äußere Leistungsschalter (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (11, 21) verbunden ist, – zwei innere Leistungsschalter (14, 24), und – ein Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23) mit zwei Kondensatoren (15, 25) und einem Aufladepfad (19, 29) für jeden der beiden Kondensatoren (15, 25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Aufladepfade (19, 29) für alle Kondensatoren (15, 25), die zur Schaltentlastung für diejenigen der Leistungsschalter (13, 23) vorgesehen sind, die mit demselben der beiden Eingangsanschlüsse (11, 21) verbunden sind, über eine gemeinsame Drossel (16, 26) führen, die direkt mit dem Mittelabgriff (3) verbunden ist.