DE102015205789A1 - Wechselrichter, Energieversorgungsschaltung und Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung - Google Patents

Wechselrichter, Energieversorgungsschaltung und Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung Download PDF

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Abstract

Ein Wechselrichter (WR) umfasst eine Brückenschaltung (BS), eine Wechselrichtersteuerung (WRS) und eine Vorsteuerung (VS). Die Brückenschaltung (BS) umfasst zwei Halbbrücken (HBa, HBb), die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter (Hi) aufweisen. Die Wechselrichtersteuerung (WRS) ist zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet. Die Vorsteuerung (VS) ist zum Stellen eines Phasenverschiebungswinkels (φ) des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage (PLUV) einer Spannungswelligkeit (SW) einer Versorgungsspannung (UV) der Brückenschaltung (BS) vorbereitet. Außerdem betrifft die Erfindung eine Energieversorgungsschaltung (EVS) und ein Verfahren (100) zum Erzeugen einer Wechselspannung (UA1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, der eine Brückenschaltung und eine Wechselrichtersteuerung umfasst. Die Brückenschaltung umfasst zwei Halbbrücken, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter aufweisen. Die Wechselrichtersteuerung ist zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas (Phasenverschiebung zwischen den Ansteuersignalen der beiden Halbbrücken) vorbereitet. Die Halbleiterschalter sind typischerweise steuerbare Halbleiterschalter wie MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Die Figurenbeschreibung enthält eine Beschreibung des Phase-Shift-Schaltschemas.
  • Außerdem betrifft die Erfindung eine Energieversorgungsschaltung, die so einen Wechselrichter sowie einen Resonanzkreis umfasst, der an einem Ausgang der Brückenschaltung des Wechselrichters angeschlossen ist.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung, das Folgendes aufweist. In einem ersten Schritt wird eine Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter aufweisen, mit Steuersignalen zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas angesteuert.
  • Haldi, R., Schenk K.: A 3.5 kW Wireless Charger for Electric Vehicles with Ultra High Efficiency, IEEE-ECCE 2014, Energy Conversion Congress and Exposition beschreibt ein induktives Energieübertragungssystem zum Laden von Elektrofahrzeugen. Das Energieübertragungssystem umfasst einen Resonanzwandler. Ein ZVS-Schaltschema wird beispielsweise in http://powerelectronics.com/print/regulators/simplifiedphase-shifted-full-bridge-converter-design beschrieben. Im Interesse einer Übersichtlichkeit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und gleichzeitiger Erfüllung des Ausführbarkeitserfordernisses wird hilfsweise auf den Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften verwiesen.
  • Insbesondere bei Resonanzwandlern für kontaktlose Energieübertragung kann es aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen der Versorgungsseite (in der Regel ortsfesten Seite) und der magnetisch angekoppelten (in der Regel mobilen Seite) des Resonanzwandlers dazu kommen, dass schon geringfügige Änderungen der Versorgungsspannung des Resonanzwandlers bereits zu starken Änderungen einer Ausgangscharakteristik des Resonanzwandlers führen. Dies bedeutet, dass in einem ungünstigen Arbeitspunkt die Amplitude einer Ausgangsgröße (Strom, Spannung, Leistung) der Energieversorgungsschaltung äußerst empfindlich von einer Höhe der Versorgungsspannung des Resonanzwandlers abhängig sein kann.
  • Im erwähnten Anwendungsgebiet wird die Brückenschaltung (des Resonanzwandlers) typischerweise an einem AC-DC-Wandler betrieben. Der AC-DC-Wandler weist einen Zwischenkreiskondensator auf, auf dem der AC-DC-Wandler die Versorgungsspannung für die Brückenschaltung bereitstellt. Typischerweise umfasst der AC-DC-Wandler eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC = Power Factor Correction). Bei Betrieb des AC-DC-Wandlers an einem einphasigen Netzanschluss entsteht auf dem Zwischenkreiskondensator prinzipbedingt eine näherungsweise sinusförmige Spannungswelligkeit (Spannungsripple) der Zwischenkreisspannung. Die Grundschwingung der Spannungswelligkeit hat die doppelte Netzfrequenz (also 100 Hz bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beziehungsweise 120 Hz bei einer Netzfrequenz von 60 Hz). Bezogen auf die Zwischenkreisspannung liegt die Amplitude des Wechselanteils der Zwischenkreisspannung im Prozentbereich (beispielsweise 10 V bei einem Gleichanteil von 400 V). Aufgrund der erwähnten Empfindlichkeit des Resonanzwandlers auf Versorgungsspannungsänderungen kann dies zur Folge haben, dass die Ausgangsgröße des Resonanzwandlers (beispielsweise Amplitude seiner Ausgangswechselspannung) stark schwankt, und zwar mit der Frequenz der Spannungswelligkeit auf dem Zwischenkreiskondensator (also mit doppelter Netzfrequenz). Dieses Schwanken der Ausgangsgröße (Strom, Spannung, Leistung) der Energieversorgungsschaltung ist insbesondere dann unerwünscht, wenn mittels einer solchen Energieversorgungsschaltung (die einen AC-DC-Wandler und einen Resonanzwandler umfasst) Batterien (beispielsweise Fahrzeugbatterien) geladen werden sollen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schwankungen der Ausgangsgröße (Strom, Spannung, Leistung) einer Energieversorgungsschaltung zu verringern oder möglichst ganz zu vermeiden, die im Stand der Technik auftreten können, wenn eine elektrische Last mittels einer Energieversorgungsschaltung mit elektrischer Energie versorgt wird, wenn die Energieversorgungsschaltung einen Resonanzwandler aufweist. Auch ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Energieversorgungssystem und ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung bereitzustellen, das diesen Vorteil aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wechselrichter gelöst, der eine Brückenschaltung, eine Wechselrichtersteuerung und eine Vorsteuerung umfasst. Die Brückenschaltung umfasst zwei Halbbrücken, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter aufweisen. Die Wechselrichtersteuerung ist zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet. Die Vorsteuerung ist zum Stellen eines Phasenverschiebungswinkels des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage einer Spannungswelligkeit einer Versorgungsspannung der Brückenschaltung vorbereitet.
  • Eine erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung umfasst einen erfindungsgemäßen Wechselrichter und einen Resonanzkreis, der an einem Ausgang der Brückenschaltung angeschlossen ist. Am Ausgang des Resonanzkreises kann eine Gleichrichterstufe, gefolgt von einer Filterstufe (kapazitiv oder induktiv) angeschlossen sein, um Gleichstromlasten zu bedienen. Für den Resonanzkreis sind verschiedene Topologien möglich, beispielsweise mit Kompensation durch in Serie oder parallel geschaltete Kondensatoren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung umfasst Folgendes. In einem ersten Schritt wird eine Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter aufweisen, mit Steuersignalen zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas angesteuert. In einem zweiten Schritt wird ein Phasenverschiebungswinkel des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage einer Spannungswelligkeit einer Versorgungsspannung der Brückenschaltung vorgesteuert.
  • Ausgehend von bekannten Wechselrichtern kann ein Konzept der Erfindung darin gesehen werden, dass der Wechselrichter eine Vorsteuerung aufweist, die zum Stellen eines Phasenverschiebungswinkels des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage einer Spannungswelligkeit einer Versorgungsspannung der Brückenschaltung vorbereitet ist. Durch diese Maßnahme kann eine Schwankung der Amplitude der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters teilweise oder im Idealfall sogar vollständig ausgeglichen werden. Insbesondere ist bevorzugt, wenn die Vorsteuerung dazu vorbereitet ist, den Phasenverschiebungswinkel zu variieren, um einen Einfluss der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung der Brückenschaltung auf die Amplitude der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung zu verringern. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Vorsteuerung dazu vorbereitet ist, den Phasenverschiebungswinkel synchron mit einem zeitlichen Verlauf der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung um einen Ausgangswert des Phasenverschiebungswinkels zu variieren.
  • Insbesondere ist bevorzugt, wenn die Vorsteuerung zum Stellen des Phasenverschiebungswinkels unter Berücksichtigung einer Amplitude der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung der Brückenschaltung vorbereitet ist. Durch Anpassung des Phasenverschiebungswinkels (nicht nur an die aktuelle Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung sondern auch) an eine Amplitude der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung ist ein verbesserter Ausgleich der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung möglich. Beispielsweise ist eine solche Situation gegeben, wenn die Amplitude der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung von einem oder mehreren variablen Betriebsparametern abhängig ist (beispielsweise von einer aktuellen Höhe der netzseitigen Versorgungsspannung oder von einer aktuellen Netzfrequenz oder von einer der Energieversorgungsschaltung aktuell entnommenen Leistung).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorsteuerung zum Stellen des Phasenverschiebungswinkels unter Berücksichtigung einer Höhe eines Mittelwerts der Versorgungsspannung der Brückenschaltung vorbereitet. Vorzugsweise ist die Vorsteuerung dazu vorbereitet, einen Ausgangswert des Phasenverschiebungswinkels dann zu stellen, wenn die Versorgungsspannung einem Mittelwert der Versorgungsspannung entspricht. Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Phasenverschiebungswinkel (der von der Vorsteuerung gestellt wird) immer positiv (also insbesondere nie kleiner als Null ist), wenn die Versorgungsspannung einem Minimum der Versorgungsspannung (Tal der Spannungswelligkeit) entspricht. Dazu ist der Ausgangswert des Phasenverschiebungswinkels mindestens so hoch zu bemessen, dass jede Änderung des Phasenverschiebungswinkels, die für einen Ausgleich der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung erforderlich ist, einen positiven Phasenverschiebungswinkel ergibt. In einer alternativen Weiterbildung weist die Vorsteuerung und/oder die Brückenschaltung einen Begrenzer (Phasenverschiebungswinkel-Begrenzer) zur Begrenzung eines Betrags der positiven und/oder der negative Variation des Phasenverschiebungswinkels für den Phasenwinkel auf. Mit dieser Weiterbildung erfolgt periodisch zeitweise kein idealer Ausgleich der Spannungswelligkeit.
  • Es hat Vorteile, wenn die Vorsteuerung einen Synchronisationseingang zum Aufnehmen einer Phasenlage einer mittelbaren Versorgungsspannung der Brückenschaltung aufweist. Zur Ermittlung der Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung der Brückenschaltung kann alternativ oder zusätzlich auch eine Information über eine Phasenlage einer mittelbaren Versorgungsspannung genutzt werden. Dies kann beispielsweise eine Versorgungswechselspannung (Netzspannung) für einen AC-DC-Wandler sein, der die Versorgungsspannung für die Brückenschaltung erzeugt. Es ist zweckmäßig, wenn die Vorsteuerung beim Ermitteln der Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung (anhand der Information über die Phasenlage der mittelbaren Versorgungsspannung) eine gegebenenfalls vorhandene Verzögerungszeit (Zeitverschiebung) zwischen der Phasenlage der mittelbaren Versorgungsspannung und der Phasenlage der Spannungswelligkeit der direkten Versorgungsspannung der Brückenschaltung berücksichtigt, indem sie zur Phasenlage der mittelbaren Versorgungsspannung einen Offset-Wert addiert, der der Verzögerungszeit zwischen den beiden Phasenlagen entspricht.
  • Die Energieversorgungsschaltung kann einen ersten Spannungssensor zum Erzeugen eines ersten Signals mit einer ersten Spannungsinformation über eine mittelbare Versorgungsspannung der Brückenschaltung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen zweiten Spannungssensor zum Erzeugen eines zweiten Signals mit einer zweiten Spannungsinformation über eine direkte Versorgungsspannung der Brückenschaltung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen dritten Spannungssensor zum Erzeugen eines dritten Signals mit einer dritten Spannungsinformation über eine Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen vierten Spannungssensor zum Erzeugen eines vierten Signals mit einer vierten Spannungsinformation über eine Ausgangsspannung des Resonanzkreises aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen Stromsensor zum Erzeugen eines fünften Signals mit einer ersten Stromstärkeninformation über einen Ausgangsstrom des Resonanzkreises aufweisen.
  • Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig, wenn der Resonanzkreis ausgangsseitig eine Gleichrichterschaltung zur Ausgabe einer gleichgerichteten Spannung aufweist. Hierdurch kann ein Verbraucher, beispielsweise eine Batterie (insbesondere eine Fahrzeugbatterie) mit einer gleichgerichteten Spannung versorgt werden. Außerdem kann so gewährleistet werden, dass ein am Ausgang der Gleichrichterschaltung angeschlossener vierter Spannungssensor und/oder ein am Ausgang der Gleichrichterschaltung angeschlossener Stromsensor optimal auf eine Bereitstellung einer gleichgerichteten Spannung und/oder optimal für eine Bereitstellung eines gleichgerichteten Stroms für die jeweilige Anwendung angepasst ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Energieversorgungsschaltung einen AC-DC-Wandler zum Bereitstellen der Versorgungsspannung und einen Regler auf, der dazu vorbereitet ist, einen Ausgangsstrom und/oder eine Ausgangsspannung und/oder eine Ausgangsleistung der Energieversorgungsschaltung mittels eines Stellens einer Höhe der Versorgungsspannung zu beeinflussen, wobei der AC-DC-Wandler dazu vorbereitet ist, dem Regler als Stellglied für das Stellen der Höhe der Versorgungsspannung zu dienen und vom Regler einen Sollwert der Versorgungsspannung zu erhalten. Der Regler wirkt typischerweise mit einer Reaktionszeit, die ein Mehrfaches der Reaktionszeit der Vorsteuerung beträgt. So kann (unabhängig von dem Kompensieren einer Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung für die Brückenschaltung) eine Höhe der Versorgungsspannung selbsttätig (d.h. reglergesteuert) verändert werden. Hierdurch kann (beispielsweise für ein Laden einer Batterie) eine Höhe eines Ausgangsstrom und/oder einer Ausgangsspannung und/oder einer Ausgangsleistung der Energieversorgungsschaltung auf einen Sollwert eingeregelt werden. Insbesondere für ein batterieschonendes, zeiteffizientes Laden einer Batterie kann ein Regeln einer Stärke des von der Batterie aufgenommenen Stroms oder einer Stärke der von der Batterie aufgenommenen Leistung zweckmäßiger sein als eine Regelung der an die Batterie angelegten Spannung. Weitere alternative oder zusätzliche Regelgrößen können eine Temperatur der Last und/oder eine Änderungsgeschwindigkeit einer Temperatur der Last und/oder ein räumlicher Temperaturgradient an oder in der Last sein, wobei die Last beispielsweise ein Elektromotor oder eine aufzuladende Batterie ist.
  • Es hat Vorteile, wenn der AC-DC-Wandler eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist. Hiermit kann erreicht werden, dass eine Stromaufnahme des AC-DC-Wandlers aus dem Energieversorgungsnetz, an dem er angeschlossen ist, an die Stromaufnahme eines idealen ohmschen Widerstands angenähert wird. Durch die näherungsweise blindanteilsfreie Stromaufnahme können Störungen im Energieversorgungsnetz und in anderen Geräten vermieden werden, die am Energieversorgungsnetz angeschlossen sind.
  • Außerdem möglich ist, dass der Regler dazu vorbereitet ist, den Ausgangsstrom und/oder die Ausgangsspannung und/oder die Ausgangsleistung der Energieversorgungsschaltung mittels eines Stellens eines Ausgangswerts des Phasenverschiebungswinkels und/oder mittels eines Stellens einer Schaltfrequenz des Wechselrichters zu beeinflussen. Durch ein Regeln eines Ausgangsstroms und/oder einer Ausgangsspannung und/oder einer Ausgangsleistung der Energieversorgungsschaltung mittels eines Stellens der Versorgungsspannung des Wechselrichters und/oder mittels eines Stellens eines Ausgangswerts des Phasenverschiebungswinkels und/oder mittels eines Stellens einer Schaltfrequenz des Wechselrichters kann bei einem vorgegebenen Stellbereich der Versorgungsspannung ein Arbeitsbereich der Energieversorgungsschaltung vergrößert werden. Entsprechendes gilt, wenn als weitere alternative oder zusätzliche Regelgrößen eine Temperatur der Last und/oder eine Änderungsgeschwindigkeit einer Temperatur der Last und/oder ein räumlicher Temperaturgradient an oder in der Last verwendet wird, wobei die Last beispielsweise ein Elektromotor oder eine aufzuladende Batterie ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Resonanzkreis zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung eine Sendespule und eine Empfangsspule aufweist. Hierdurch ist eine verlässliche, komfortable Übertragung von elektrischer Energie von einer elektrischen Energiequelle zu einem elektrischen Energieverbraucher und/oder zu einem elektrischen Energiespeicher möglich. Die Energiequelle kann ortsfest oder mobil sein. Unabhängig davon kann auch der elektrische Energieverbraucher beziehungsweise der elektrische Energiespeicher ortsfest oder mobil sein.
  • Die Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild der Energieversorgungsschaltung,
  • 2 ein schematisches Ersatzschaltbild eines Teils der Energieversorgungsschaltung,
  • 3 schematisch Schaltzustände der vier Halbleiterschalter der Brückenschaltung über eine volle Taktperiode von 360° des Wechselrichters in einem Betrieb mit einem Phasenverschiebungswinkel ungleich Null und einen Verlauf einer Rechteckspannung am Ausgang der Brückenschaltung,
  • 4 im oberen Teil der Figur schematisch einen Verlauf des Phasenverschiebungswinkels bezogen auf einen mittleren Phasenverschiebungswinkel von 15 Grad über eine volle Periode der Grundschwingung des Wechselanteils der Versorgungsspannung des Wechselrichters und im unteren Teil der Figur einen ersten zeitlichen Verlauf einer Grundschwingung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung ohne Vorsteuern des Phasenverschiebungswinkels und einen zweiten zeitlichen Verlauf der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung mit Vorsteuern des Phasenverschiebungswinkels gemäß dem oberen Teil der Figur,
  • 5 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen einer Wechselspannung.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Die in 1 gezeigte Energieversorgungsschaltung EVS für eine elektrische Last LA umfasst einen AC-DC-Wandler ADW (gesteuerten Gleichrichter), einen Regler R, einen Wechselrichter WR und einen Resonanzkreis RK. Der AC-DC-Wandler ADW ist für einen Betrieb an einem einphasigen Wechselstromanschluss NA vorgesehen. Der AC-DC-Wandler ADW weist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung LFKS und eine (in den Figuren nicht dargestellte) Zwischenkreiskapazität auf, an der der AC-DC-Wandler ADW seine Ausgangsgleichspannung UV bereitstellt.
  • Der Wechselrichter WR weist eine Brückenschaltung BS und eine Wechselrichtersteuerung WRS zum Erzeugen und Bereitstellen von Steuersignalen SS für die Brückenschaltung BS auf. Die Brückenschaltung BS ist eine gesteuerte H-Brücke, die zur Wechselrichtung im Wesentlichen vier Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 aufweist (siehe 2). Im Folgenden werden die einzelnen Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4 zur Vereinfachung auch pauschal mit Hi bezeichnet.
  • An dem Wechselrichter WR ist ein Resonanzkreis RK angeschlossen, der induktiv gekoppelte Spulen SPS, SPE aufweist. Ein Primärkreis PK des Resonanzkreises RK weist die Sendespule SPS auf, die von dem Wechselrichter WR direkt oder mittelbar mit einer Wechselspannung UA1 beaufschlagt und mit elektrischer Energie versorgt wird. Ein Sekundärkreis SK des Resonanzkreises RK weist die Empfangsspule SPE auf. Die Sendespule SPS bildet eine Primärwicklung W1 eines Transformators T. Die Empfangsspule SPE bildet eine Sekundärwicklung W2 des Transformators T. Zwischen der Sekundärwicklung W2 und der Primärwicklung W1 besteht also eine induktive Kopplung IK. Aufgrund der induktiven Kopplung der beiden Spulen und damit der primär- und sekundärseitigen Einzelresonanzkreise entsteht bei Annäherung des Fahrzeugs an die Ladestation ein Gesamtresonanzkreis mit entsprechend höherer Ordnung. In einer automotiven Ausführungsform ist der Primärkreis PK des Resonanzkreises RK und der Energieversorgungsschaltung EVS ortsgebunden und der Sekundärteil SK des Resonanzkreises RK fahrzeuggebunden. Hierdurch ist eine verlässliche, komfortable kontaktlose Energieübertragung von einem ortsfesten Energieübertragungsnetzanschluss NA zu einer Fahrzeugbatterie und/oder einem anderen Verbraucher (beispielsweise einer elektrischen Heizung, einem Lüfter, einer Klimaanlage oder einem Infotainmentsystem) möglich.
  • Der Resonanzkreis RK kann einen oder mehrere Serien- und/oder Parallelschwingkreise aufweisen. Für jeden einzelnen der Schwingkreise gilt, dass er vollständig in dem (typischerweise ortsgebundenen) Primärkreis des Resonanzkreises RK oder vollständig in dem (typischerweise fahrzeuggebundenen) Sekundärkreis des Resonanzkreises RK enthalten ist. Alternativ kann der betrachtete einzelne Schwingkreis zugleich teilweise zum Primärkreis als auch teilweise zum Sekundärkreis gehören.
  • Zu dem Resonanzkreis RK gehört hier definitionsgemäß eine (ausgangsseitige) Gleichrichterschaltung GS zur Ausgabe einer gleichgerichteten Spannung UA2. Hierdurch kann einem Verbraucher LA, beispielsweise einer Batterie (insbesondere einer Fahrzeugbatterie) eine gleichgerichtete Spannung UA2 bereitgestellt werden. Außerdem kann so gewährleistet werden, dass ein am Ausgang der Gleichrichterschaltung GS angeschlossener vierter Spannungssensor US4 und/oder ein am Ausgang der Gleichrichterschaltung GS angeschlossener Stromsensor IS optimal auf eine Bereitstellung der gleichgerichteten Spannung UA2 und/oder optimal für eine Bereitstellung eines gleichgerichteten Stroms IA2 für die jeweilige Anwendung angepasst ist.
  • Die Energieversorgungsschaltung EVS weist einen ersten Spannungssensor US1 zum Erzeugen eines ersten Signals S1 mit einer Information über eine Phasenlage PLP einer mittelbaren Versorgungsspannung UP der Brückenschaltung BS. Außerdem weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen zweiten Spannungssensor US2 zum Erzeugen eines zweiten Signals S2 mit einer Information über eine Phasenlage PLUV der Spannungswelligkeit SW der direkten Versorgungsspannung UV der Brückenschaltung BS auf. Darüber hinaus weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen dritten Spannungssensor US3 zum Erzeugen eines dritten Signals S3 mit einer dritten Spannungsinformation über eine Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS auf. Des Weiteren weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen vierten Spannungssensor US4 zum Erzeugen eines vierten Signals S4 mit einer vierten Spannungsinformation über eine Ausgangsspannung UA2 des Resonanzkreises RK auf. Außerdem weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen Stromsensor IS zum Erzeugen eines fünften Signals S5 mit einer Stromstärkeninformation über einen Ausgangsstrom IA2 des Resonanzkreises RK auf.
  • Um einen Regelbereich (Arbeitsbereich der Energieversorgungsschaltung EVS) über ein Maß hinaus zu vergrößern, dass mit einer Änderung Δφ des Phasenverschiebungswinkels φ alleine gerade noch erreichbar ist, kann die Energieversorgungsschaltung EVS einen Regler R aufweisen, der dazu vorbereitet ist, einen Ausgangsstrom IA2 und/oder eine Ausgangsspannung UA2 und/oder eine Ausgangsleistung PA2 der Energieversorgungsschaltung EVS mittels eines Stellens einer Höhe der Versorgungsspannung UV und/oder mittels eines Stellens eines Ausgangswerts φ0 des Phasenverschiebungswinkels φ und/oder mittels eines Stellens einer Schaltfrequenz f des Wechselrichters WR zu beeinflussen.
  • Die 2 zeigt ein schematisches Schaltbild der Brückenschaltung BS und des daran angeschlossenen Resonanzkreises RK (inklusive einer lastseitigen Gleichrichterschaltung GS). Die Brückenschaltung BS umfasst zwei Halbbrücken HBa, HBb mit je zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern H1, H2 bzw. H3, H4. Zwischen den beiden Halbleiterschaltern H1, H2 bzw. H3, H4 befindet sich ein Mittelabgriff Ma bzw. Mb. Jedem Halbleiterschalter Hi kann eine Freilaufdiode Di parallelgeschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann je nach Auslegung und Belastbarkeit eine intrinsische Diode des Halbleiterschalters Hi (insbesondere eine Body-Diode des Halbleiterschalters Hi) als Freilaufdiode Di genutzt werden. Hi steht hier für einen der Halbleiterschalter H1, H2, H3, H4. Den Halbleiterschaltern Hi können zur Entlastung auch Schalterparallelkapazitäten Ci parallelgeschaltet sein.
  • Der Primärkreis PK des Resonanzkreises RK ist zwischen den Mittelabgriffen Ma, MB der beiden Halbbrücken HBa, HBb angeschlossen. Der Primärkreis PK des Resonanzkreises RK weist einen ersten Serienschwingkreis mit einer ersten Resonanzfrequenz auf. Der Sekundärkreis SK des Resonanzkreises RK weist einen zweiten Serienschwingkreis mit derselben oder einer zweiten Resonanzfrequenz auf. In der gezeigten Ausführungsform ist an den Sekundärkreis SK des Resonanzkreises RK eine Gleichrichterschaltung GS mit einem Brückengleichrichter angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung GS dient dazu, die Wechselspannung UA2' gleichzurichten, welche von dem Sekundärkreis SK des Resonanzkreises RK bereitgestellt wird. Zur Glättung der gleichgerichteten Spannung UA2 ist am Ausgang der Gleichrichterschaltung GS ein Ladekondensator CL angeschlossen.
  • Die oberen vier Diagramme der 3 zeigen zeitliche Verläufe von Schaltzuständen der vier Halbleiterschalter Hi. Die Wechselrichtersteuerung S ist dazu vorbereitet, alle Halbleiterschalter Hi mit einem Tastgrad von typischerweise 50 % zu betreiben, wobei die beiden Halbleiterschalter Hi einer jeden Halbbrücke HBa, HBb gegensinnig betrieben werden (womit ein Kurzschluss zwischen beiden Versorgungsleitungen VL+, VL– der Brückenschaltung BS vermieden wird). Unter 'gegensinnig Betreiben' wird verstanden, dass der zweite Halbleiterschalter Hi nichtleitend geschaltet ist, wenn der erste Halbleiterschalter Hi leitend geschaltet ist, und dass der erste Halbleiterschalter H1 bzw. H3 nichtleitend geschaltet ist, wenn der zweite Halbleiterschalter H2 bzw. H4 leitend geschaltet ist. Durch das abwechselnde Verbinden des (ersten) Mittelabgriffs Ma der ersten Halbbrücke HBa mit der ersten V+ beziehungsweise zweiten Versorgungsleitung V– der Brückenschaltung BS ergibt sich am (ersten) Mittelabgriff Ma der ersten Halbbrücke HBa ein erster zeitlicher Spannungsverlauf. Entsprechend ergibt sich durch das abwechselnde Verbinden des (zweiten) Mittelabgriffs Mb der zweiten Halbbrücke HBb mit der ersten beziehungsweise zweiten Versorgungsleitung V– der Brückenschaltung BS am (zweiten) Mittelabgriff Mb der zweiten Halbbrücke HBb ein zweiter zeitlicher Spannungsverlauf.
  • Bei einem Phasenverschiebungswinkel φ = φ0 + Δφ von null Grad erfolgt das abwechselnde Verbinden des (ersten) Mittelabgriffs Ma der ersten Halbbrücke HBa zeitlich gegensinnig zu dem abwechselnden Verbinden des (zweiten) Mittelabgriffs Mb der zweiten Halbbrücke HBb. Der zweite Spannungsverlauf (am zweiten Mittelabgriff Ma) ist dann also um 180° phasenversetzt zu dem ersten Spannungsverlauf (am ersten Mittelabgriff Mb). Bei einem Phasenverschiebungswinkel φ ungleich Null ist der zweite Spannungsverlauf (am zweiten Mittelabgriff Mb) um 180° + φ phasenversetzt zu dem ersten Spannungsverlauf (am ersten Mittelabgriff Ma).
  • Das untere Diagramm der Figur zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung UA1 zwischen den beiden Mittelabgriffen Ma, Mb der Brückenschaltung BS, der sich aus den dargestellten zeitlichen Verläufen der Schaltzustände der steuerbaren Halbleiterschalter Hi ergibt. Der zeitliche Verlauf der Spannung UA1 zwischen den beiden Mittelabgriffen Ma, Mb der Brückenschaltung BS umfasst vier Schaltphasen I, II, III, IV. In der ersten Schaltphase I ist der erste Mittelabgriff Ma mit der ersten Versorgungsleitung V+ und der zweite Mittelabgriff Mb mit der zweiten Versorgungsleitung V– verbunden. In der zweiten Schaltphase II sind beide Mittelabgriffe Ma, Mb mit der zweiten Versorgungsleitung V– verbunden. In der dritten Schaltphase III ist der erste Mittelabgriff Ma mit der zweiten Versorgungsleitung V– und der zweite Mittelabgriff Mb mit der ersten Versorgungsleitung V+ verbunden. In der vierten Schaltphase IV sind beide Mittelabgriffe Ma, Mb mit der ersten Versorgungsleitung V+ verbunden. In der folgenden Schaltperiode werden die vier Schaltphasen I, II, III, IV in gleicher Reihenfolge und Weise wiederholt.
  • Der obere Teil der 4 zeigt aufgetragen über die Zeit t für eine ganze Periode eine Spannungswelligkeit SW der Versorgungsspannung UV (d.h. der doppelten Netzfrequenz) einen zeitlichen Verlauf des Phasenverschiebungswinkels φ bezogen auf einen Ausgangswert φ0 des Phasenverschiebungswinkels φ von 15°.
  • Der untere Teil der 4 zeigt aufgetragen über die Zeit t für eine ganze Periode der Spannungswelligkeit SW der Versorgungsspannung UV (d.h. der doppelten Netzfrequenz) einen ersten zeitlichen Verlauf VZ1 einer Amplitude UA1a der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS ohne Vorsteuern des Phasenverschiebungswinkels φ im Vergleich zu einem zweiten zeitlichen Verlauf VZ2 der Amplitude UA1a der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS mit Vorsteuern 120 des Phasenverschiebungswinkels φ gemäß dem oberen Teil der Figur. Hieran ist erkennbar, dass die Amplitude UA1a der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS durch die vorgeschlagene Maßnahme des Vorsteuerns 120 des Phasenverschiebungswinkels φ nahezu konstant gemacht wird.
  • Das in 5 gezeigte Verfahren 100 zum Erzeugen einer Wechselspannung UA1 umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 110 wird eine Brückenschaltung BS mit zwei Halbbrücken HBa, HBb, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter Hi aufweisen, mit Steuersignalen SS zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas angesteuert. In einem zweiten Schritt 120 wird ein Phasenverschiebungswinkel φ des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage einer Spannungswelligkeit SW einer Versorgungsspannung UV der Brückenschaltung BS vorgesteuert.
  • Zum Verringern von Schwankungen einer Ausgangsspannung UA2, eines Ausgangsstroms IA2 oder einer Ausgangsleistung PA2 eines Resonanzwandlers wird ein Wechselrichter WR vorgeschlagen, der eine Brückenschaltung BS, eine Wechselrichtersteuerung WRS und eine Vorsteuerung VS umfasst. Die Brückenschaltung BS umfasst zwei Halbbrücken HBa, HBb, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter Hi aufweisen. Die Wechselrichtersteuerung WRS ist zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet. Die Vorsteuerung VS ist zum Stellen eines Phasenverschiebungswinkels φ des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage PLUV einer Spannungswelligkeit SW einer Versorgungsspannung UV der Brückenschaltung BS vorbereitet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Haldi, R., Schenk K.: A 3.5 kW Wireless Charger for Electric Vehicles with Ultra High Efficiency, IEEE-ECCE 2014 [0004]
    • http://powerelectronics.com/print/regulators/simplifiedphase-shifted-full-bridge-converter-design [0004]

Claims (10)

  1. Wechselrichter (WR) umfassend: – eine Brückenschaltung (BS) mit zwei Halbbrücken (HBa, HBb), die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter (Hi) aufweisen; – eine Wechselrichtersteuerung (WRS), die zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet ist; und – eine Vorsteuerung (VS), die zum Stellen eines Phasenverschiebungswinkels (φ) des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage (PLUV) einer Spannungswelligkeit (SW) einer Versorgungsspannung (UV) der Brückenschaltung (BS) vorbereitet ist.
  2. Wechselrichter (WR) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (VS) zum Stellen des Phasenverschiebungswinkels (φ) unter Berücksichtigung einer Amplitude (UVSW) der Spannungswelligkeit (SW) der Versorgungsspannung (UV) der Brückenschaltung (BS) vorbereitet ist.
  3. Wechselrichter (WR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (VS) zum Stellen des Phasenverschiebungswinkels (φ) unter Berücksichtigung einer Höhe eines Mittelwerts der Versorgungsspannung (UV) der Brückenschaltung (BS) vorbereitet ist.
  4. Wechselrichter (WR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (VS) einen Synchronisationseingang (SE) zum Aufnehmen einer Phasenlage (PLP) einer mittelbaren Versorgungsspannung (UP) der Brückenschaltung (BS) aufweist.
  5. Energieversorgungsschaltung (EVS) umfassend: – einen Wechselrichter (WR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und – einen Resonanzkreis (RK), der an einem Ausgang (BSA) der Brückenschaltung (BS) angeschlossen ist.
  6. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (RK) ausgangsseitig eine Gleichrichterschaltung (GS) zur Ausgabe einer gleichgerichteten Spannung (UA2) aufweist.
  7. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungsschaltung (EVS) einen AC-DC-Wandler (ADW) zum Bereitstellen der Versorgungsspannung (UV) und einen Regler (R) aufweist, der dazu vorbereitet ist, einen Ausgangsstrom (IA2) und/oder eine Ausgangsspannung (UA2) und/oder eine Ausgangsleistung (PA2) der Energieversorgungsschaltung (EVS) mittels eines Stellens einer Höhe der Versorgungsspannung (UV) zu beeinflussen, wobei der AC-DC-Wandler (ADW) dazu vorbereitet ist, dem Regler (R) als Stellglied für das Stellen der Höhe der Versorgungsspannung (UV) zu dienen und vom Regler (R) einen Sollwert (SUV) der Versorgungsspannung (UV) zu erhalten.
  8. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (R) dazu vorbereitet ist, den Ausgangsstrom (IA2) und/oder die Ausgangsspannung (UA2) und/oder die Ausgangsleistung (PA2) der Energieversorgungsschaltung (EVS) mittels eines Stellens eines Ausgangswerts (φ0) des Phasenverschiebungswinkels (φ) und/oder mittels eines Stellens einer Schaltfrequenz (f) des Wechselrichters (WR) zu beeinflussen.
  9. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (RK) zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung eine Sendespule (SPS) und eine Empfangsspule (SPE) aufweist.
  10. Verfahren (100) zum Erzeugen einer Wechselspannung (UA1), wobei das Verfahren (100) umfasst: – Ansteuern (110) einer Brückenschaltung (BS) mit zwei Halbbrücken (HBa, HBb), die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter (Hi) aufweisen, mit Steuersignalen (SS) zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas; und – Vorsteuern (120) eines Phasenverschiebungswinkels (φ) des Phase-Shift-Schaltschemas unter Berücksichtigung einer Phasenlage (PLUV) einer Spannungswelligkeit (SW) einer Versorgungsspannung (UV) der Brückenschaltung (BS).
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