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Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung mit zwei in Reihe zwischen Eingangsanschlüssen geschalteten Hochsetzstellern mit Entlastungsschaltung.
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Hochsetzsteller werden insbesondere in photovoltaischen Anlagen zur Anpassung der Gleichspannung einzelner Strings an die Gleichspannung eines gemeinsamen Zwischenkreises verwendet. Hierbei ist ein Betrieb mit minimalen Energieverlusten wünschenswert, um den Aufwand zur Kühlung der Komponenten des Hochsetzstellers zu minimieren. Minimale Schaltverluste werden beispielsweise dadurch erreicht, dass die Schalter des Hochsetzstellers zu Zeitpunkten geschaltet werden, in denen die Schalter im Wesentlichen stromfrei oder spannungsfrei sind. Aus der nachveröffentlichten Druckschrift
DE 10 2014 110 758 A1 ist ein Entlastungsnetzwerk bekannt, mit dem der Schalter eines Gleichspannungswandlers derart betrieben werden kann.
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Gleichzeitig besteht in photovoltaischen Anlagen die Anforderung, unter Verwendung kostengünstiger Schaltelemente Hochsetzsteller zu realisieren, die im Bereich von 1500 V Eingangsspannung eingesetzt werden können. Hierzu ist es bevorzugt, so genannte symmetrische Hochsetzsteller einzusetzen, in denen zwei Hochsetzsteller eingangsseitig in Reihe geschaltet werden. Der Mittelpunkt der beiden Hochsetzsteller wird hierbei mit dem Mittelpunkt eines geteilten Eingangs-Zwischenkreises und/oder eines geteilten Ausgangs-Zwischenkreises verbunden, um eine definierte Spannungsaufteilung zwischen den zwei Hochsetzsteller und den darin integrierten Hochsetzstellerschaltern zu realisieren. Hierdurch können Halbleiterschalter (zum Beispiel 900 V) mit einer geringeren Spannungsbelastung Verwendung finden. Wenn Anforderungen an ein maximales Bauvolumen solcher Hochsetzsteller bestehen, die den Platzbedarf durch einen geteilten Zwischenkreis nicht erlauben, müssen einteilige Zwischenkreise verwendet werden. In diesem Fall kann der Mittelpunkt zwischen den Hochsetzstellern nicht mit einem Mittelpunkt eines geteilten Zwischenkreises verbunden werden.
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Aus der Druckschrift
WO 2014 / 177 717 A1 ist eine Wandleranordnung mit zwei zwischen Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen der Wandleranordnung in Reihe über einen Mittelpunkt verbundenen Hochsetzstellern bekannt, die jeweils eine Eingangsdrossel, einen Hochsetzstellerschalter und eine erste Diode aufweisen. Für jeden Hochsetzstellerschalter ist eine Entlastungsschaltung vorgesehen, die als Reihenschaltung aus einer zweiten Diode und einem Entlastungskondensator zu dem jeweiligen Hochsetzstellerschalter parallel geschaltet ist, wobei der Entlastungskondensator beim Öffnen des Hochsetzstellerschalters geladen wird. Über einen Entladepfad, der als Reihenschaltung einer Drossel und einer dritten Diode von einem Kontaktpunkt zwischen Entlastungskondensator und zweiter Diode zu dem dem jeweiligen Hochsetzsteller der Wandleranordnung zugeordneten Ausgangsanschluss verläuft, wobei die Drossel mit der Eingangsdrossel des jeweiligen Hochsetzstellers magnetisch gekoppelt ist, wird der Entlastungskondensator bei geschlossenem Hochsetzstellerschalter entladen. Als Eingangskapazität und Ausgangskapazität der Wandleranordnung sind jeweils Reihenschaltungen zweier Kondensatoren zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlüssen angeordnet, wobei ein Kontaktpunkt zwischen den in Reihe geschalteten Kondensatoren jeweils mit dem Mittelpunkt der Wandleranordnung verbunden ist.
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Die Druckschrift
US 2006 /0 274 558 A1 offenbart einen Hochsetzsteller mit einer Eingangsdrossel, einem Hochsetzstellerschalter und einer erste Diode. Für den Hochsetzstellerschalter ist eine Entlastungsschaltung mit einem Entladepfad vorgesehen, der von einem Verbindungspunkt zwischen der Eingangsdrossel und der ersten Diode über einen Entlastungskondensator und eine zweite Diode zu einem der Ausgangsanschlüsse des Hochsetzstellers verläuft, wobei der Entlastungskondensator beim Öffnen des Hochsetzstellerschalters entladen wird. Bei geschlossenem Hochsetzstellerschalterwird der Entlastungskondensator über einen Ladepfad, der von einem Kontaktpunkt zwischen Entlastungskondensator und zweiter Diode über eine dritte Diode und eine Drossel zu einem der Eingangsanschlüsse verläuft, geladen. Hierzu ist die Drossel mit der Eingangsdrossel des Hochsetzstellers magnetisch gekoppelt.
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In der Druckschrift
AT 414 188 B findet sich die Offenbarung eines Hochsetzstellers mit ähnlicher Anordnung der Schaltungskomponenten des Hochsetzstellers und des Entlastungsnetzwerks wie in der Druckschrift
US 2006 / 0 274 558 A1 Zusätzlich ist hier eine weitere Drossel zur Einschaltentlastung zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Eingangsdrossel und der ersten Diode und dem Hochsetzstellerschalter vorgesehen. Der Ladepfad ist mit seinem einen Ende nicht mit einem der Eingangsanschlüsse, sondern mit einem Kontaktpunkt zwischen einem inneren und äußeren Kondensator, die in Reihe zwischen den Ausgangsanschlüssen des Hochsetzstellers angeordnet sind, verbunden. Weiterhin ist einen Sperrwandler vorhanden, der als Ausgleichschaltung die dem inneren Kondensator zum Aufladen des Entlastungskondensators entnommene Ladung mit Hilfe der am Ausgang oder am Eingang des Hochsetzstellers anliegenden Spannung nachlädt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verlustarme Wandleranordnung für erhöhte Eingangsspannungen bereitzustellen, die insbesondere mit einteiligen Zwischenkreisen und kostengünstigen Schaltelementen verwendet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Wandleranordnung gemäß des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Wandleranordnung umfasst zwei zwischen Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen der Wandleranordnung in Reihe über einen Mittelpunkt verbundenen Hochsetzsteller. Jeder der Hochsetzsteller umfasst eine zwischen einem zugeordneten der Eingangsanschlüsse und einem Verbindungspunkt angeordnete Eingangsdrossel, einen zwischen dem Verbindungspunkt und dem Mittelpunkt angeordneten Hochsetzstellerschalter, sowie eine erste Diode, die den Verbindungspunkt mit einem zugeordneten Ausgangsanschluss der Wandleranordnung verbindet. Weiterhin umfassen die Hochsetzsteller jeweils einen äußeren Kondensator und einen inneren Kondensator, die in Reihe zwischen dem Mittelpunkt und dem zugeordneten Ausgangsanschluss der Wandleranordnung angeordnet sind, sowie eine Entlastungsschaltung mit einem Entladepfad, der vom Verbindungspunkt über einen Entlastungskondensator und eine zweite Diode zum zugeordneten Ausgangsanschluss der Wandleranordnung verläuft, und einem Ladepfad, der von einem ersten Kontaktpunkt zwischen Entlastungskondensator und zweiter Diode über eine dritte Diode und eine Resonanzdrossel zu einem Kontaktpunkt zwischen dem inneren und äußeren Kondensator verläuft. Die Wandleranordnung weist weiterhin eine Ausgleichsschaltung auf, die zur selektiven Einstellung der Spannung der jeweiligen inneren Kondensatoren eingerichtet ist.
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Die Wandleranordnung weist eine einteilige Eingangskapazität und eine einteilige Ausgangskapazität auf. Dennoch kann die Spannungsaufteilung zwischen den zwei Hochsetzstellern, das heißt die Spannung am Mittelpunkt, mithilfe der Ausgleichsschaltung auf einen gewünschten Wert geregelt werden. Da die inneren und äußeren Kondensatoren der Hochsetzsteller lediglich zum Betrieb der Entlastungsschaltung genutzt werden, können die Kapazitäten und damit das Bauvolumen dieser Kondensatoren klein gewählt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedem der Hochsetzsteller eine Teilschaltung der Ausgleichschaltung zugeordnet, über die der zugeordnete innere Kondensator in einen gewünschten Ladezustand gebracht werden kann. Hierbei kann die Ausgleichsschaltung einen Tiefsetzsteller aufweisen, insbesondere kann jede Teilschaltung als Tiefsetzsteller ausgelegt sein. Der Tiefsetzsteller kann als separate Schaltung aufgebaut sein, oder auch die Resonanzdrossel der Entlastungsschaltung mitbenutzen, die dann auch Bestandteil des Tiefsetzstellers ist.
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Die Ausgleichsschaltung ist in einer vorteilhaften Ausführung dazu eingerichtet, im Betrieb die Spannung an dem einem Hochsetzsteller zugeordneten inneren Kondensator jeweils auf die Hälfte der zwischen Mittelpunkt und entsprechendem Ausgangsanschluss abfallenden Spannung einzustellen. Durch den resonanten Ladepfad mit der Resonanzdrossel und der dritten Diode wird der Entlastungskondensator beim Einschalten des Hochsetzstellerschalters auf die doppelte Spannung des inneren Kondensators aufgeladen, wodurch der Hochsetzstellerschalter anschließend spannungsfrei und damit möglichst verlustarm ausgeschaltet werden kann.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wandleranordnung bidirektional ausgelegt, indem der ersten Diode ein weiterer Schalter parallel geschaltet ist. Hierdurch kann die Energieflussrichtung durch die wahlweise Ansteuerung des Hochsetzstellerschalters oder des weiteren Schalters in beide Richtungen gesteuert werden.
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Bei Wahl der Energieflussrichtung von den Ausgangsanschlüssen zu den Eingangsanschlüssen, also bei Ansteuerung des weiteren Schalters, kann die Entlastungsschaltung erweitert werden durch einen zusätzlichen Entlastungskondensator, der an einem Ende mit dem Verbindungspunkt verbunden ist und am anderen Ende an den Verknüpfungspunkt einer Reihenschaltung zweier Dioden angeschlossen ist, die zwischen dem Mittelpunkt und einem Kontaktpunkt zwischen der dritten Diode und der Resonanzdrossel angeordnet ist.
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In einer mitbedachten Variante der Erfindung ist die erste Diode nicht direkt, sondern über die zweite Diode mit dem zugeordneten Ausgangsanschluss der Wandleranordnung verbunden. Weiterhin ist es auch denkbar, die Eingangsdrossel und die Resonanzdrossel magnetisch zu koppeln oder die beiden Eingangsdrosseln der Hochsetzsteller miteinander magnetisch zu koppeln.
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen
- 1 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Wandleranordnung, sowie
- 2 eine bidirektionale Ausführung einer Wandleranordnung zeigt.
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1 zeigt eine Wandleranordnung 1 mit Eingangsanschlüssen 2, 3 und Ausgangsschlüssen 4, 5, die eine symmetrische Anordnung eines ersten Hochsetzstellers 6 und eines zweiten Hochsetzstellers 7 aufweist, die zwischen den Eingangsanschlüssen 2, 3 in Reihe über einen Mittelpunkt 50 miteinander verbunden sind. Weiterhin weist die Wandleranordnung 1 einen einteiligen Kondensator 8 als Eingangskapazität und einen einteiligen Kondensator 9 als Ausgangskapazität auf. Die Bezugszeichen der 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich für den ersten Hochsetzstellers 6 gezeigt, werden im Folgenden aber für den zweiten Hochsetzsteller 7 in analoger Weise verwendet.
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Jeder der Hochsetzsteller weist eine Eingangsdrossel 17 auf, die auf der einen Seite mit einem zugeordneten Eingangsanschluss und auf der anderen Seite mit einem Verbindungspunkt 16 verbunden ist. Eine erste Diode 19 verbindet den Verbindungspunkt 16 weiterhin mit einem zugeordneten Ausgangsanschluss. Außerdem ist zwischen dem Verbindungspunkt 16 und dem Mittelpunkt 50 ein Hochsetzstellerschalter 18 angeordnet. Der Hochsetzstellerschalter 18 weist bevorzugt eine antiparallele Bypassdiode auf. Zwischen dem zugeordneten Ausgangsanschluss und dem Mittelpunkt 50 ist weiterhin eine Reihenschaltung eines äußeren Kondensators 14 und eines inneren Kondensators 15 angeordnet. Beide Hochsetzsteller 6, 7 weisen weiterhin eine Entlastungsschaltung 61 auf, die einen Entlastungskondensator 10 beinhaltet, der Teil eines vom Verbindungspunkt 16 über den Entlastungskondensator 10 und eine zweite Diode 11 zu dem zugeordneten Ausgangsanschluss verlaufenden Entladepfades ist. Im Betrieb entlädt sich nach dem Ausschalten des Hochsetzstellerschalters 18 der Entlastungskondensator 10 über den Entladepfad vollständig, und der durch die Eingangsdrosseln 17 getriebene Strom kommutiert erst danach auf die erste Diode 19. Das erneute Aufladen erfolgt nach dem Einschalten des Hochsetzstellerschalters 18, indem der Entlastungskondensator 10 vom inneren Kondensator 15 über die Resonanzdrossel 13 und die dritte Diode 12 resonant geladen wird. Durch den resonanten Ladevorgang wird der Entlastungskondensator 10 auf die doppelte Spannung des inneren Kondensators 15 aufgeladen. In einer möglichen Variante kann der Ladevorgang des Entlastungskondensators 10 durch eine magnetische Kopplung zwischen der Resonanzdrossel 13 und der Eingangsdrosseln 17 verstärkt oder sogar vollständig auf induktivem Wege durchgeführt werden. Hierdurch ist es grundsätzlich sogar denkbar, die Reihenschaltung des inneren Kondensators 15 und des äußeren Kondensators 14 einzusparen und stattdessen die Resonanzdrossel 13 direkt mit dem Mittelpunkt 50 zu verbinden.
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Um die für den Ladevorgang aus dem inneren Kondensator 15 entnommene Energie wieder dem inneren Kondensator 15 der beiden Hochsetzsteller 6, 7 zuzuführen, ist erfindungsgemäß eine Ausgleichsschaltung vorgesehen. In 1 ist jedem inneren Kondensator 15 ein Tiefsetzsteller 30 zugeordnet, der aus einem Schalter 31, einer Drossel 32 und einer Diode 33 besteht. Der Tiefsetzsteller 30 wird so angesteuert, dass er die durch den Ladevorgang des Entlastungskondensators 10 dem inneren Kondensator 15 entnommene Energie diesem wieder zuführt, sodass dessen Spannung auf einen gewünschten Wert geregelt wird. Der Tiefsetzsteller 30 kann kontinuierlich betrieben werden oder nur dann angesteuert werden, wenn die Spannung des inneren Kondensators 15 einen vorgegebenen Wertebereich verlässt. Die Taktung des Tiefsetzstellers 30 kann unabhängig von der Taktung des Hochsetzstellers 6, 7 durchgeführt werden, insbesondere kann der Schalter 31 des Tiefsetzstellers 30 zur Verringerung der erforderlichen Induktivität der Drossel 32 mit einer höheren Taktfrequenz betrieben werden. Anstelle eines Nachladens des inneren Kondensators 15 durch die Ausgleichsschaltung ist es ebenfalls denkbar, dass die Ausgleichsschaltung stattdessen den äußeren Kondensator 14 geregelt entlädt, um die gewünschte Spannung am inneren Kondensator 15 zu erreichen.
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Die zur Ansteuerung der Tiefsetzsteller 30 erforderlichen Tastgrade I
1 und I
2 für den ersten Hochsetzsteller 6 bzw. den zweiten Hochsetzsteller 7 lassen sich mit den folgenden Formeln aus der über die Reihenschaltung des äußeren und inneren Kondensators 14, 15 des zweiten Hochsetzstellers 7 abfallenden Spannung U
M und der über die Reihenschaltung der beiden inneren Kondensatoren 15 der beiden Hochsetzsteller 6, 7 abfallenden Spannung U
R berechnen:
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Hierbei bezeichnet UDC die Spannung an der Ausgangskapazität 9. Die Tastgrade lassen sich entweder direkt aus den aktuellen Spannungswerten berechnen oder sie werden mithilfe von vorgegebenen Tabellen und gegebenenfalls mit Interpolation zwischen den Tabellenwerten bestimmt.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Resonanzdrossel 13 Bestandteil des Tiefsetzstellers 30. In diesem Fall sind der Schalter 31 und die Diode 33 an einem Verknüpfungspunkt zwischen der Resonanzdrossel 13 und der dritten Diode 12 angeschlossen, wodurch die Drossel 32 entfallen kann.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der die Wandleranordnung 1 sowohl einen Leistungsfluss von den Eingangsanschlüssen 2, 3 zu den Ausgangsanschlüssen 4, 5 als auch in Gegenrichtung erlaubt. Hierzu wird bei beiden Hochsetzstellern in 6, 7 zur ersten Diode 19 ein weiterer Schalter 19' parallel geschaltet. Diese Parallelschaltung schließt den Fall mit ein, dass der weitere Schalter 19' eine intrinsische antiparallele Diode anstelle einer separaten Diode 19 aufweist. Für einen Leistungsfluss von den Eingangsanschlüssen 2, 3 zu den Ausgangsanschlüssen 4, 5 wird die Wandleranordnung so wie in den Ausführungen zu 1 dargestellt angesteuert. Für einen Leistungsfluss in Gegenrichtung wird anstelle des Hochsetzstellerschalters 18 der weitere Schalter 19' angesteuert. Um den weiteren Schalter 19' verlustarm betreiben zu können, wird die Entlastungsschaltung 61 durch einen weiteren Entlastungskondensator 10' und durch eine Reihenschaltung einer weiteren zweiten Diode 11' und einer weiteren dritten Diode 12' ergänzt, die analog zur Entlastung des Hochsetzstellerschalters 18 durch den Entlastungskondensator 10 als Entlastung für den weiteren Schalter 19' wirken. Der weitere Entlastungskondensator 10' ist zwischen dem Verbindungspunkt 16 und einem Mittelpunkt zwischen der zweiten Diode 11' und der dritten Diode 12' angeordnet. Die Reihenschaltung der beiden Dioden verbindet den Mittelpunkt 50 mit einem Verknüpfungspunkt zwischen der dritten Diode 12 und der Resonanzdrossel 13. Da in diesem Fall die Energie zum Laden des Entlastungskondensators 10' aus dem äußeren Kondensator 14 entnommen wird, ist es vorteilhaft, die Ausgleichsschaltung derart vorzusehen, dass sie wahlweise den inneren oder den äußeren Kondensator 14, 15 laden kann. Dies kann so realisiert werden, dass der Diode 33 ein Schalter 33' parallel geschaltet wird, so dass aus dem Tiefsetzsteller 30 eine bidirektionale Ausgleichsschaltung wird.
