DE102015205791A1 - Wechselrichter, Energieversorgungsschaltung und Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung - Google Patents

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Abstract

Ein Wechselrichter (WR) umfasst eine Brückenschaltung (BS), eine Wechselrichtersteuerung (WRS) und einen ersten Regler (R1). 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. Der erste Regler (R1) ist zum Ausregeln eines Einflusses einer Spannungswelligkeit (SW) einer Versorgungsspannung (UV) auf eine erste Regelgröße (UA1, UA2, IA2, PA2) mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels (φ) des Phase-Shift-Schaltschemas 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 solch 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 Phase-Shift-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 ist.
  • 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 die übertragene Leistung des Resonanzwandlers stark schwankt, und zwar mit der Frequenz der Spannungswelligkeit auf dem Zwischenkreiskondensator (also mit doppelter Netzfrequenz). Die starke Abhängigkeit der Leistungsübertragung des Resonanzwandlers vom Momentanwert der Versorgungsspannung hat bereits bei Vorhandensein einer geringer Welligkeit der Versorgungsspannung die unerwünschte Folge, dass eine Ausgangsgröße (Strom, Spannung, Leistung) der Energieversorgungsschaltung mit der Frequenz der Spannungswelligkeit schwankt. 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, der aus einer netzseitig erzeugten, mit Restwelligkeit behafteten Eingangsspannung versorgt wird. 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 einen ersten Regler umfasst. Die Brückenschaltung umfasst zwei Halbbrücken, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter aufweisen. Die Wechselrichtersteuerung ist zum Durchführen eines Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet. Der erste Regler ist zum Ausregeln eines Einflusses einer Spannungswelligkeit einer Versorgungsspannung auf eine erste Regelgröße mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels des Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet.
  • Eine erfindungsgemäße Energieversorgungsschaltung umfasst einen erfindungsgemäßen Wechselrichter und einen Resonanzkreis, der an einem Ausgang der Brückenschaltung angeschlossen ist. Für den Resonanzkreis sind verschiedene Topologien möglich, beispielsweise mit Kompensation durch in Serie oder durch 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 Einfluss einer Spannungswelligkeit SW einer Versorgungsspannung UV auf eine erste Regelgröße IA1, UA1, UA2, IA2, PA2 mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels φ des Phase-Shift-Schaltschemas ausgeregelt.
  • Ausgehend von bekannten Wechselrichtern kann ein Konzept der Erfindung darin gesehen werden, dass der Wechselrichter einen ersten Regler aufweist, der zum Ausregeln eines Einflusses einer Spannungswelligkeit einer Versorgungsspannung auf eine erste Regelgröße mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels des Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet ist. Durch diese Maßnahme kann eine Schwankung einer Grundschwingungsamplitude (Amplitude einer Grundschwingung) der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters teilweise oder im Idealfall sogar vollständig ausgeglichen werden. Die Energieversorgungsschaltung kann einen ersten Spannungssensor zum Erzeugen eines ersten Signals mit einer ersten Spannungsinformation über eine Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen zweiten Spannungssensor zum Erzeugen eines zweiten Signals mit einer zweiten Spannungsinformation über eine Ausgangsspannung des Resonanzkreises aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen ersten Stromsensor zum Erzeugen eines dritten Signals mit einer ersten Stromstärkeinformation über einen Ausgangsstrom des Resonanzkreises aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungsschaltung einen zweiten Stromsensor zum Erzeugen eines vierten Signals mit einer zweiten Stromstärkeinformation über einen Eingangsstrom des Resonanzkreises aufweisen.
  • Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass die erste Regelgröße eine Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung ist oder umfasst. Mit "umfasst" ist hier gemeint, dass vorgesehen ist, dass die Regelgröße (beispielsweise eine Leistung) unter Berücksichtigung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung ermittelt wird. Die Brückenschaltung ist dazu vorgesehen, eine Ausgangswechselspannung bereitzustellen, die den Resonanzkreis zum Schwingen anzuregen. Somit kann unterstellt werden, dass die auszuregelnde Spannungswelligkeit in der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung noch voll enthalten ist (mit anderen Worten: der niederfrequente Schwebungsanteil ist in der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung nicht ausgefiltert). Die auszuregelnde Spannungswelligkeit kann daher beispielsweise anhand einer Abweichung der Amplitude der Ausgangswechselspannung von einem entsprechenden Amplituden-Sollwert ermittelt werden. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass die auszuregelnde Spannungswelligkeit anhand einer Abweichung der Amplitude oder eines Effektivwerts eines über eine oder wenige Netzperioden ermittelten Effektivwerts von einem entsprechenden Effektiv-Sollwert ermittelt werden. Eine Regelung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung hat den Vorteil, dass die in den Regelkreis einbezogene Regelstrecke möglich kurz ist, sodass ein Beitrag für eine Instabilität des Regelkreises (des ersten Reglers), den eine Einbeziehung des Resonanzkreises in die Regelstrecke darstellen kann, von vorneherein vermieden wird. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die variable Geometrie der induktiven Kopplung bei einem kontaktlosen Energieübertragungssystem.
  • Eine vorteilhafte Option sieht vor, dass der Wechselrichter eine Vorsteuerung zum Anpassen einer Phasenlage einer Modulation des Phasenverschiebungswinkels an eine Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung der Brückenschaltung aufweist. Diese Option ist insbesondere dann von Vorteil, wenn am Ausgang der Brückenschaltung zwar eine Amplitude der auszuregelnden Welligkeit der Amplitude der Ausgangswechselspannung gut erfasst werden kann, jedoch eine ausreichend genaue Erfassung der Phasenlage der auszuregelnden Spannungswelligkeit kostengünstiger und/oder verlässlicher auf der Versorgungsseite der Brückenschaltung realisiert werden kann. Die Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung der Brückenschaltung kann mittels eines Spannungssensors für die Versorgungsspannung der Brückenschaltung erfasst werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung der Brückenschaltung auch mittels eines ersten Phasenlagesensors für eine mittelbare Versorgungsspannung der Brückenschaltung erfasst werden. Die mittelbare Versorgungsspannung kann eine Netzspannung sein, mit der ein AC-DC-Wandler versorgt wird, der die Versorgungsspannung für die Brückenschaltung erzeugt. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der erste Regler beim Berücksichtigen 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 er zur Phasenlage der mittelbaren Versorgungsspannung einen Offset-Wert addiert, der der Verzögerungszeit zwischen den beiden Phasenlagen entspricht.
  • Um im ersten Regler eine Berücksichtigung der Phasenlage der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung zu ermöglichen, kann der erste Regler einen Synchronisationseingang zum Aufnehmen einer Phasenlage der Versorgungsspannung der Brückenschaltung und/oder der mittelbaren Versorgungsspannung der Brückenschaltung aufweisen. Eine zweckmäßige (in der Figur nicht dargestellte) Alternative sieht vor, dass die Sensorsignale, die die Information über die Phasenlage der direkten oder mittelbaren Versorgungsspannung der Brückenschaltung enthalten, der Wechselrichtersteuerung zugeführt werden und der erste Regler der Wechselrichtersteuerung nur den Phasenverschiebungswinkel nachstellt. Optional kann der erste Regler der Wechselrichtersteuerung zusätzlich auch einen Ausgangswert des Phasenverschiebungswinkels mitteilen, oder dieser Ausgangswert ist in der Wechselrichtersteuerung fest eingestellt oder vorgegeben. Eine entsprechend ausgebildete Wechselrichtersteuerung kann mit der ihr direkt zugeführten Information über die Phasenlage und dem von dem ersten Regler bereitgestellten Phasenverschiebungswinkel die Steuersignale zur Durchführung des Phase-Shift-Schaltschemas erzeugen.
  • Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig, wenn der Resonanzkreis ausgangsseitig eine Gleichrichterschaltung zur Ausgabe einer gleichgerichteten Spannung aufweist. Am Ausgang des Resonanzkreises kann eine Gleichrichterstufe, gefolgt von einer Filterstufe (kapazitiv oder induktiv) angeschlossen sein, um Gleichstromlasten zu bedienen. Hierdurch kann ein Verbraucher, beispielsweise eine Batterie (insbesondere eine Fahrzeugbatterie) mit einem gleichgerichteten Strom versorgt werden. Außerdem kann so gewährleistet werden, dass ein am Ausgang der Gleichrichterschaltung angeschlossener zweiter 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.
  • Eine zweite Weiterbildung sieht vor, dass die erste Regelgröße eine Ausgangsspannung des Resonanzkreises ist oder umfasst. Mit "umfasst" ist hier gemeint, dass vorgesehen ist, dass die Regelgröße (beispielsweise eine Leistung) unter Berücksichtigung der Ausgangsspannung des Resonanzkreises ermittelt wird. Ein Spannungssensor für den ersten Regler, der am Ausgang des Resonanzkreises angeordnet ist, kann er auch als Spannungssensor für den zweiten Regler genutzt werden. Hierdurch können beide Regler mit demselben Spannungssensor betrieben werden und ein zweiter Spannungssensor für den zweiten Regler eingespart werden. Die beiden Regler beeinflussen sich kaum, wenn sie ein unterschiedliches Zeitverhalten aufweisen. Zweckmäßigerweise hat der erste eine Regler eine Reglerdynamik, die um ein Mehrfaches höher ist als eine Reglerdynamik des zweiten Reglers.
  • Eine dritte Weiterbildung sieht vor, dass die erste Regelgröße ein Ausgangsstrom des Resonanzkreises ist oder umfasst. Mit "umfasst" ist hier gemeint, dass vorgesehen ist, dass die Regelgröße (beispielsweise eine Leistung) unter Berücksichtigung des Ausgangsstroms des Resonanzkreises ermittelt wird. Die Verwendung des Ausgangsstroms des Resonanzkreises als Regelgröße bietet sich insbesondere dann an, wenn sich die Energieversorgungsschaltung aus Sicht einer angeschlossenen Last (beispielsweise aus Sicht einer aufzuladenden Batterie) näherungsweise wie eine Konstantstromquelle verhalten soll.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Energieversorgungsschaltung einen AC-DC-Wandler zum Bereitstellen der Versorgungsspannung und einen zweiten 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 zweiten Regler als Stellglied für das Stellen der Höhe der Versorgungsspannung zu dienen und vom zweiten Regler einen Sollwert der Versorgungsspannung zu erhalten. Der zweite Regler wirkt typischerweise mit einer Reaktionszeit, die ein Mehrfaches der Reaktionszeit des ersten Reglers 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 zweite 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 der Restwelligkeit der Versorgungsspannung des Wechselrichters und im unteren Teil der Figur einen ersten zeitlichen Verlauf einer Grundschwingung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung ohne Regeln des Phasenverschiebungswinkels und einen zweiten zeitlichen Verlauf der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung der Brückenschaltung mit Regeln 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 zweiten Regler R2, 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.
  • 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. 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.
  • 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 US2 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 ersten Spannungsinformation über eine Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS auf. Des Weiteren weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen zweiten Spannungssensor US2 zum Erzeugen eines zweiten Signals S2 mit einer zweiten Spannungsinformation über eine Ausgangsspannung UA2 des Resonanzkreises RK auf. Außerdem weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen ersten Stromsensor IS zum Erzeugen eines dritten Signals S3 mit einer ersten Stromstärkeinformation über einen Ausgangsstrom IA2 des Resonanzkreises RK auf. Darüber hinaus weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen (in der Figur nicht dargestellten) zweiten Stromsensor IS zum Erzeugen eines vierten Signals S4 mit einer Stromstärkeninformation über einen Eingangsstrom IA1 des Resonanzkreises RK auf.
  • Eine optionale Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der erste Regler R1 mittels des ersten Signals S1 eine Information über eine Stärke einer Welligkeit der Amplitude UA1a der Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS erhält, aber keine Information über eine Phasenlage der Spannungswelligkeit der Ausgangswechselspannung. In diesem Fall erhält der erste Regler R1 eine Phasenlageinformation PLP mit dem Signal S11 von dem Phasenlagesensor PS11 und/oder eine Phasenlageinformation PLUV mit dem Signal S12 von dem Phasenlagesensor PS12 (siehe gestrichelte Pfeile). Dieses hybride Konzept ist auch anwendbar, wenn der erste Regler R1 die Ausgangsspannung UA2 (Signal S2) des Resonanzkreises RK oder den Ausgangsstrom IA2 (Signal S3) als Regelgröße verwendet. Alternativ kann die Wechselrichtersteuerung WRS dazu vorbereitet sein, von den Phasenlagesensoren PS11 und/oder PS12 Phasenlageinformationen PLP und/oder PLUV direkt zu empfangen und unter Berücksichtigung der Phasenlageinformationen PLP und/oder PLUV und der von dem ersten Regler R1 bereitgestellten Phasenverschiebungswinkel nur Δφ oder nur φ oder sowohl Δφ0 als auch φ die Steuersignale SS für die Brückenschaltung BS zu erzeugen. Die Stärke der Welligkeit der Amplitude UA1 kann typischerweise ebenfalls mit einer diesbezüglichen Amplitude oder einem diesbezüglichen Effektivwert beziffert werden.
  • Die Energieversorgungsschaltung EVS weist einen Phasenlagesensor PS11 zum Erzeugen eines ersten Phasenlageninformationssignals S11 mit einer Information über eine Phasenlage PLP einer mittelbaren Versorgungsspannung UP der Brückenschaltung BS auf. Außerdem weist die Energieversorgungsschaltung EVS einen Phasenlagesensor PS12 zum Erzeugen eines zweiten Phasenlageninformationssignals S12 mit einer Information über eine Phasenlage PLUV der Spannungswelligkeit SW der direkten Versorgungsspannung UV der Brückenschaltung BS 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 der zweite Regler R2 dazu vorbereitet sein, einen Ausgangsstrom IA2 und/oder eine Ausgangsspannung UA2 und/oder eine 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.
  • 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. 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 WRS 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 ersten 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 zweiten 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 der 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 der 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 Regeln des Phasenverschiebungswinkels φ im Vergleich zu einem zweiten zeitlichen Verlauf VZ2 der Amplitude UA1a Grundschwingung der Ausgangswechselspannung UA1 der Brückenschaltung BS mit aktiver Nachregelung 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 Regelns 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 Einfluss einer Spannungswelligkeit SW einer Versorgungsspannung UV auf eine erste Regelgröße UA1, UA2, IA2, PA2 mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels φ des Phase-Shift-Schaltschemas ausgeregelt.
  • Zum Verringern von Schwankungen einer Ausgangsspannung UA2 eines Resonanzwandlers wird ein Wechselrichter WR vorgeschlagen, der eine Brückenschaltung BS, eine Wechselrichtersteuerung WRS und einen ersten Regler R1 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. Der erste Regler R1 ist zum Ausregeln eines Einflusses einer Spannungswelligkeit SW einer Versorgungsspannung UV auf eine erste Regelgröße UA1, UA2, IA2, PA2 mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels φ des Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • 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 – einen ersten Regler (R1), der zum Ausregeln eines Einflusses einer Spannungswelligkeit (SW) einer Versorgungsspannung (UV) auf eine erste Regelgröße (IA1, UA1, UA2, IA2, PA2) mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels (φ) des Phase-Shift-Schaltschemas vorbereitet ist.
  2. Wechselrichter (WR) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Regelgröße eine Ausgangswechselspannung (UA1) der Brückenschaltung (BS) ist oder umfasst.
  3. Wechselrichter (WR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (WR) eine Vorsteuerung (VS) zum Anpassen einer Phasenlage einer Modulation des Phasenverschiebungswinkels (φ) an eine Phasenlage (PLUV) der Spannungswelligkeit (SW) der Versorgungsspannung (UV) der Brückenschaltung (BS) vorbereitet ist.
  4. 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.
  5. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (RK) ausgangsseitig eine Gleichrichterschaltung (GS) zur Ausgabe einer gleichgerichteten Spannung (UA2) oder eines gleichgerichteten Stroms aufweist.
  6. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Regelgröße eine Ausgangsspannung (UA2) des Resonanzkreises (RK) ist oder umfasst.
  7. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Regelgröße ein Ausgangsstrom (IA2) des Resonanzkreises (RK) ist oder umfasst.
  8. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungsschaltung (EVS) einen AC-DC-Wandler (ADW) zum Bereitstellen der Versorgungsspannung (UV) und einen zweiten Regler (R2) 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 zweiten Regler (R2) als Stellglied für das Stellen der Höhe der Versorgungsspannung (UV) zu dienen und vom zweiten Regler (R2) einen Sollwert (SUV) der Versorgungsspannung (UV) zu erhalten.
  9. Energieversorgungsschaltung (EVS) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (R2) 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.
  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 – Ausregeln (120) eines Einflusses einer Spannungswelligkeit (SW) einer Versorgungsspannung (UV) auf eine erste Regelgröße (UA1, UA2, IA2, PA2) mittels Stellens eines Phasenverschiebungswinkels (φ) des Phase-Shift-Schaltschemas.
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