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Die Erfindung betrifft einen galvanisch gekoppelten elektrischen Wandler.
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Zur DC-DC-Wandlung einer Eingangsspannung von beispielsweise 20 V in eine Ausgangsspannung von beispielsweise 400 V, d.h. mit einem Übersetzungsverhältnis von 20 oder mehr werden typischerweise transformatorische, d.h. galvanisch entkoppelte DC-DC-Wandler eingesetzt. Diese setzen üblicherweise einen Wechselrichter, einen Transformator und einen Gleichrichter mit nachfolgender Glättung ein, um die Eingangsspannung in die Ausgangsspannung zu wandeln.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektrischen Wandler anzugeben, der insbesondere eine gegenüber bekannten Lösungen verringerte Baugröße aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße galvanisch gekoppelte elektrische Wandler zur Wandlung einer an ersten Anschlüssen anliegenden Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umfasst einen eingangsseitig mit den ersten Anschlüssen verbundenen Aufwärtswandler sowie einen eingangsseitig mit den ersten Anschlüssen verbundenen Inverswandler. Ferner weist der Wandler eine mit dem ausgangsseitigen Pluspol des Aufwärtswandlers und dem ausgangsseitige Minuspol des Inverswandlers verbundene Serienschaltung aus zwei Kondensatoren auf, wobei der ausgangsseitige Minuspol des Aufwärtswandlers und der ausgangsseitige Pluspol des Inverswandlers miteinander und mit dem Mittelanschluss zwischen den Kondensatoren verbunden sind.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass ein derartiger Wandler aus einer Kombination eines Aufwärtswandlers (Hochsetzsteller, engl. Boost Converter) mit einem Inverswandler (engl. inverting Buck-Boost-Converter) durch die Reihenschaltung der Ausgänge eine vergleichsweise hohe Ausgangsspannung bereitstellen kann. Da jeder der Converter nur etwa die halbe Ausgangsspannung bereitstellen muss, ist das jeweilige Übersetzungsverhältnis gegenüber dem Fall eines einzelnen Converters deutlich verkleinert.
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Hierdurch ist es möglich, auch ein hohes Übersetzungsverhältnis von beispielsweise mehr als 20, insbesondere mehr als 25, transformatorlos bereitzustellen. Vorteilhaft wird dadurch der Transformator eingespart und damit ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht. Da der Transformator typischerweise größer und auch teurer ist als eine einfache induktive Komponente, wird durch den erfindungsgemäßen Wandler auch eine geringere Baugröße sowie geringere Kosten für den Aufbau des Wandlers erreicht. Weiterhin ist es durch den Aufbau des Wandlers auch möglich, beide Ausgangsspannungen getrennt voneinander zu verwenden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- - Typischerweise werden Aufwärtswandler und Inverswandler als DC-DC-Wandler betrieben. Mit anderen Worten wird versucht, eine möglichst gleichmäßige Ausgangsspannung bereitzustellen. Der erfindungsgemäße Wandler kann ebenso betrieben werden, sodass an seinem Ausgang in Form der zwei Kondensatoren im Wesentlichen eine Gleichspannung anliegt. Die Art des Betriebs wir dabei durch eine Steuerungseinrichtung bestimmt, die die Schaltungen der in den Wandlern vorhandenen Halbleiterschalter vornimmt. Die Steuerungseinrichtung kann aber auch ausgestaltet sein, am Ausgang des Wandlers eine andere Spannungsform bereitzustellen als eine Gleichspannung.
- - Der Aufwärtswandler kann eine erste Serienschaltung eines ersten Halbleiterschalters oder einer ersten Diode mit einem zweiten Halbleiterschalter umfassen. Die Außenanschlüsse der ersten Serienschaltung bilden dabei die ausgangsseitigen Pole des Aufwärtswandlers. Weiterhin umfasst der Aufwärtswandler eine erste Induktivität, die mit dem Mittelanschluss der ersten Serienschaltung sowie dem Pluspol der Eingangsspannung verbunden ist. Hierdurch wird ein Hochsetzsteller realisiert. Mit Verwendung einer Diode wird ein unidirektionaler Energiefluss ermöglicht. Umfasst die erste Serienschaltung den ersten Halbleiterschalter, werden beide Energieflussrichtungen vom Aufwärtswandler unterstützt. Um die Aufbauvarianten zu verdeutlichen, wird mit anderen Worten wiederholt, dass die erste Serienschaltung entweder zwei Halbleiterschalter aufweisen kann oder aber einen Halbleiterschalter und eine Diode. Beide Aufbauvarianten sind mit den im Folgenden genannten Varianten kombinierbar.
- - Der Inverswandler kann eine zweite Serienschaltung eines dritten Halbleiterschalters mit einem vierten Halbleiterschalter oder einer zweiten Diode umfassen. Davon bildet ein Außenanschluss den ausgangsseitigen Minuspol des Inverswandlers und der andere Außenanschluss ist mit dem Pluspol der Eingangsspannung verbunden. Weiterhin umfasst der Inverswandler eine zweite Induktivität, die mit dem Mittelanschluss der zweiten Serienschaltung sowie dem Mittelanschluss zwischen den Kondensatoren verbunden ist. Hierdurch wird ein invertierender Buck-Boost-Converter realisiert. Mit Verwendung der zweiten Diode wird wiederum ein unidirektionaler Energiefluss ermöglicht. Umfasst die zweite Serienschaltung dagegen den vierten Halbleiterschalter, werden beide Energieflussrichtungen vom Inverswandler unterstützt. Um die Aufbauvarianten zu verdeutlichen, wird mit anderen Worten wiederholt, dass die zweite Serienschaltung entweder zwei Halbleiterschalter aufweisen kann oder aber einen Halbleiterschalter und eine Diode. Beide Aufbauvarianten sind mit den im Folgenden und vorher genannten Varianten kombinierbar.
- - Der Wandler kann einen fünften Halbleiterschalter zwischen der ersten Induktivität und dem Pluspol der Eingangsspannung aufweisen. Weiterhin umfasst der Wandler in diesem Fall einen sechsten Halbleiterschalter oder eine dritte Diode zwischen der ersten Induktivität und dem Minuspol der Eingangsspannung. Normalerweise kann der Aufwärtswandler prinzipbedingt nur höhere Spannungen als die Eingangsspannung an seinem Ausgang erzeugen. Durch den fünften und sechsten Halbleiterschalter ist es vorteilhaft möglich, auch kleinere Spannungen als die Eingangsspannung darzustellen. Weist der Wandler den sechsten Halbleiterschalter auf, werden beide Energieflussrichtungen unterstützt. Weist der Wandler die dritte Diode auf, wird die Energieflussrichtung von der Seite der Eingangsspannung her unterstützt.
- - Der Wandler kann eine dritte Induktivität umfassen, die in der ersten Serienschaltung seriell zwischen den ersten Halbleiterschalter oder die erste Diode und den zweiten Halbleiterschalter geschaltet ist. Hierdurch wird das mögliche Übersetzungsverhältnis für den Aufwärtswandler weiter erhöht. Dabei sind die erste und dritte Induktivität als eine gemeinsame Induktivität mit einem Mittelabgriff für den zweiten Halbleiterschalter aufgebaut. Mit gemeinsamer Induktivität ist dabei gemeint, dass die Induktivitäten einen gemeinsamen magnetischen Kreis aufweisen, also auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
- - Der Wandler kann eine vierte Induktivität umfassen, die in der zweiten Serienschaltung seriell zwischen den dritten Halbleiterschalter und den vierten Halbleiterschalter oder die zweite Diode geschaltet ist. Hierdurch wird das mögliche Übersetzungsverhältnis für den Inverswandler weiter erhöht. Dabei sind die zweite und vierte Induktivität als eine gemeinsame Induktivität mit einem Mittelabgriff für den dritten Halbleiterschalter aufgebaut. Mit gemeinsamer Induktivität ist dabei wie bei der ersten und dritten Induktivität gemeint, dass die Induktivitäten einen gemeinsamen magnetischen Kreis aufweisen, also auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
- - Die Halbleiterschalter des Aufwärtswandlers und des Inverswandlers können durch die Steuerungseinrichtung in versetzter Taktung betrieben werden. Hierdurch wird bewirkt, dass die Schaltfrequenz im Wandler gegenüber der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter beispielsweise im Aufwärtswandler verdoppelt erscheint. Die nötige Größe für die Induktivitäten und Kapazitäten von EMV-Filtern, beispielsweise am Eingang des Wandlers, wird dadurch verringert. Die Bauelemente werden dadurch deutlich kleiner und leichter. Da Größe und Gewicht dieser Bauelemente typischerweise einen erheblichen Anteil an der Gesamtgröße und am Gesamtgewicht eines Wandlers haben, wird dadurch der gesamte Wandler in merklicher Weise kleiner und leichter.
- - Der Aufwärts- und der Inverswandler können so betrieben werden, dass ihre Ausgangsspannungen gleich sind. Alternativ können sie so betrieben werden, dass ihre Ausgangsspannungen verschieden voneinander sind.
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Mit dem elektrischen Wandler lässt sich in besonders vorteilhafter Weise ein Stromrichter aufbauen. Der Stromrichter umfasst einen erfindungsgemäßen elektrischen Wandler. Weiterhin umfasst der Stromrichter eine mit den Außenanschlüssen parallel zur Serienschaltung aus zwei Kondensatoren geschaltete Vollbrücke, deren Mittelanschlüsse wiederum Ausgangsanschlüsse für den Stromrichter bilden. Mit anderen Worten wird der erfindungsgemäße elektrische Wandler durch die Ausgangsseitig angeschlossene Vollbrücke ergänzt zu einem Stromrichter.
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Der Stromrichter unterstützt beispielsweise einen Energiefluss von der Seite der ersten Anschlüsse des Wandlers zu den Ausgangsanschlüssen des Stromrichters, wobei der Stromrichter in diesem Fall als Wechselrichter arbeitet. Die Steuerungseinrichtung des elektrischen Wandlers ist für die weitere Beschreibung auch für die Steuerung der Vollbrücke zuständig. Sie ist für den Betrieb als Wechselrichter ausgestaltet, den Aufwärtswandler so zu betreiben, dass an seinem Ausgang, d.h. an einem ersten der Kondensatoren, eine erste halbwellenförmige Spannung erzeugt wird. Weiterhin wird der Inverswandler so betrieben, dass an seinem Ausgang, also dem zweiten der Kondensatoren, eine zweite halbwellenförmige Spannung erzeugt wird, deren Polarität derjenigen der ersten Spannung entgegengesetzt ist. Die Phase der Halbwellen ist dabei bevorzugt identisch. Durch die Polaritäten der Halbwellen addieren sich dann deren Amplituden.
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Es versteht sich, dass die Form von Halbwellen nicht perfekt ist. Durch das Schaltverhalten der jeweiligen Halbleiterschalter, die mit hohen Frequenzen geschaltet werden, weist die Halbwellenform Oberwellen auf. Weiterhin ist die Spannung im Aufwärtswandler begrenzt auf Spannungen oberhalb der Eingangsspannung, sodass die Halbwellenform die Spannung von 0 V nicht erreichen kann. Die Halbwelle muss also als idealisierte und angestrebte Form verstanden werden, die in der Realität des elektrischen Wandlers nur ungefähr erreicht werden kann.
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Die Steuerungseinrichtung ist weiterhin ausgestaltet, die Halbleiterschalter der Vollbrücke so anzusteuern, dass die anliegenden Halbwellen weitergeschaltet werden, wobei die Polarität der Weiterschaltung nach jeder Halbwelle umgeschaltet wird. Die Halbleiterschalter der Vollbrücke müssen dazu nur mit der doppelten Frequenz der Halbwellen umgeschaltet werden, also bis auf den Faktor 2 mit der Frequenz, die der erzeugten Wechselspannung entspricht. Die Frequenz der erzeugten Wechselspannung ist frei wählbar. Soll eine Wechselspannung mit beispielsweise Netzfrequenz von 50 Hz erzeugt werden, müssen die Halbwellen mit dieser Frequenz erzeugt werden und die Halbleiterschalter der Vollbrücke müssen bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung, also mit 100 Hz umgeschaltet werden. Die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter der Vollbrücke ist daher für typische Wechselrichterverhältnisse sehr niedrig.
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Der beschriebene Wechselrichter ist vorteilhaft nutzbar beispielsweise als Solarwechselrichter oder für Batterieladegeräte.
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Bei einem Betrieb als Wechselrichter mit dieser Energieflussrichtung ist es möglich, in der ersten Serienschaltung die erste Diode und in der zweiten Serienschaltung die zweite Diode zu verwenden. Mit anderen Worten umfasst die erste Serienschaltung die erste Diode und den zweiten Halbleiterschalter und die zweite Serienschaltung umfasst die zweite Diode und den dritten Halbleiterschalter, während der erste und vierte Halbleiterschalter nicht vorhanden sind.
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Je nach Betriebsform kann es aber auch zweckmäßig sein, auch bei der Energieflussrichtung von der Seite der ersten Anschlüsse des Wandlers zu den Ausgangsanschlüssen des Stromrichters nicht die erste und zweite Diode, sondern den ersten und vierten Halbleiterschalter zu verwenden. Das ist beispielsweise bei der beschriebenen Erzeugung von Halbwellen der Fall, da hier während der fallenden Flanken der Halbwellen aktiv Energie aus dem ersten bzw. zweiten Kondensator abgezogen werden muss.
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Der Stromrichter unterstützt auch einen Energiefluss in die umgekehrte Richtung, wobei dann zweckmäßig der erste und vierte Halbleiterschalter vorhanden sind, also die erste und zweite Serienschaltung je zwei Halbleiterschalter umfassen. In diesem Fall arbeitet der Stromrichter als Gleichrichter.
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Der Stromrichter kann noch zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
- - Die Steuerungseinrichtung ist bevorzugt ausgestaltet, zu prüfen, ob die vom Aufwärtswandler zu erzeugende Höhe der Spannung kleiner als die Eingangsspannung ist. Der Aufwärtswandler kann in diesem Fall die Spannung nicht darstellen. Dieser Fall kann auftreten, wenn der Aufwärtswandler eine DC-Spannung am ersten Kondensator erzeugen soll, deren Höhe geringer als die der Eingangsspannung ist. Der Fall kann weiterhin auftreten, wenn der Aufwärtswandler die bereits beschriebenen Halbwellen erzeugt. In diesem Fall gibt es stets einen Teil der Halbwelle, in dem die Spannung geringer als die Eingangsspannung ist. Je nach Amplitude der Halbwelle kann das sogar für die gesamte Halbwelle der Fall sein.
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Erkennt die Steuerungseinrichtung, dass eine Spannung unterhalb der Eingangsspannung erzeugt werden soll, kann sie ausgestaltet sein, eine von zwei Maßnahmen vorzunehmen. Eine erste Maßnahme ergibt sich dadurch, dass der Aufwärtswandler den fünften und sechsten Halbleiterschalter umfasst. Die Steuerungseinrichtung steuert dann diese beiden Halbleiterschalter zusätzlich an, um eine Spannung unterhalb der Eingangsspannung zu erzeugen.
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Dafür ist es möglich, zwei verschiedene Betriebsformen der Ansteuerung zu verwenden, mit denen der erste, zweite, fünfte und sechste Halbleiterschalter angesteuert werden. In der ersten Betriebsform werden entweder der erste und zweite Halbleiterschalter zur Erzeugung der Form der Ausgangsspannung verwendet, während der fünfte Halbleiterschalter eingeschaltet und der sechste Halbleiterschalter abgeschaltet ist oder aber umgekehrt der fünfte und sechste Halbleiterschalter zur Erzeugung der Form der Ausgangsspannung verwendet, während der erste Halbleiterschalter eingeschaltet und der zweite Halbleiterschalter abgeschaltet ist. Der erste und zweite Halbleiterschalter werden verwendet, wenn die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist. Der fünfte und sechste Halbleiterschalter werden verwendet, wenn die die Ausgangsspannung geringer als die Eingangsspannung ist. Mit anderen Worten werden der Aufwärtswandler, der mit dem ersten und zweiten Halbleiterschalter gebildet ist und der Abwärtswandler, der mit dem fünften und sechsten Halbleiterschalter gebildet ist, zeitlich abwechselnd und unabhängig voneinander verwendet.
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Eine zweite Betriebsform ergibt sich dadurch, dass der erste, zweite, fünfte und sechste Halbleiterschalter diagonal geschaltet werden. Dafür wird zwischen zwei Schaltzuständen gewechselt, wobei im ersten Schaltzustand der erste und sechste Halbleiterschalter angeschaltet sind und im zweiten Schaltzustand der zweite und fünfte Halbleiterschalter angeschaltet sind. In dieser Betriebsform agieren der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler also zur gleichen Zeit und nicht unabhängig voneinander. Diese zweite Betriebsform hat eine vorteilhaft vereinfachte Regelung zur Folge.
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Eine zweite, alternative Maßnahme kann von der Steuerungseinrichtung vorgenommen werden, wenn der Aufwärtswandler den fünften und sechsten Halbleiterschalter nicht umfasst. In diesem Fall werden die Halbleiterschalter der Vollbrücke verwendet, um eine Korrektur der Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers vorzunehmen. Dazu werden die Halbleiterschalter der Vollbrücke bevorzugt hochfrequent, beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 50 kHz und 500 kHz geschaltet und durch eine Pulsweitenmodulation die Korrektur der Spannung vorzunehmen.
- - Um im Fall der hochfrequenten Ansteuerung der Vollbrücke die Qualität der erzeugten Wechselspannung zu verbessern, kann der Stromrichter eine dritte und vierte Induktivität in Serie zu den Ausgangsanschlüssen sowie einen zwischen die Ausgangsanschlüsse geschalteten Kondensator aufweisen. Hierdurch wird ein Ausgangsfilter geschaffen.
- - Alternativ zur Schaltung der Vollbrücke mit hoher Frequenz kann der Stromrichter unter Verwendung des fünften und sechsten Halbleiterschalters aufgebaut sein. Damit ist es schon im Aufwärtswandler möglich, geringere Spannungen als die Eingangsspannung auszugeben.
- - Ein weiterer Ausgangsanschluss des Stromrichters kann durch den Mittelanschluss zwischen den Kondensatoren gebildet werden. Dadurch wird ein Betrieb mit einem Einphasen-Dreileiternetz wie beispielsweise in den USA ermöglicht.
- - Die Steuerungseinrichtung kann ausgestaltet sind, den Inverswandler und den Aufwärtswandler so zu betreiben, dass die Amplitude der erzeugten Halbwelle vom Inverswandler verschieden ist von der Amplitude der vom Inverswandler erzeugten Halbwelle. Dadurch können vorteilhaft gleiche Schaltspannungen und Rippelströme erreicht werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
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Es zeigen:
- 1 bis 4 Ausführungen für den elektrischen Wandler,
- 5 ein Aufbauschema einer Photovoltaik-Anlage mit einem Wechselrichter,
- 6 eine Ausführung für einen Wechselrichter unter Verwendung des elektrischen Wandlers,
- 7 vom Wandler als Teil des Wechselrichters erzeugte Spannungen,
- 8 bis 10 weitere Ausführungen für den Wechselrichter.
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Als erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen elektrischen Wandler zeigt 1 ein Schaltbild für einen ersten Wandler 10. Der Wandler 10 entspricht in seinem Aufbau einer Zusammenschaltung eines Aufwärtswandlers und eines Inverswandlers, wobei die jeweiligen Ausgänge in Reihe geschaltet sind. Der Wandler 10 hat einen ersten und zweiten Eingangsanschluss 11A, 11B für die Eingangsspannung, wobei der erste Eingangsanschluss 11A als positiver Pol zu verwenden ist. Weiterhin weist der Wandler 10 einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13A, 13B auf, wobei der erste Ausgangsanschluss 13A ebenfalls typischerweise den positiven Pol darstellt. Der Wandler 10 weist weiterhin drei elektrische Knotenpunkte 12A, 12B, 12C auf, anhand derer der Aufbau beschrieben wird.
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Der erste Knotenpunkt 12A ist direkt mit dem zweiten Eingangsanschluss 11B verbunden und weiterhin mit Masse verbunden. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11A und dem zweiten Knotenpunkt 12B ist eine erste Induktivität L1 angeordnet. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 13A und dem zweiten Knotenpunkt 12B ist eine erste Diode D1 angeordnet. Die erste Diode D1 ist so orientiert, dass eine Stromleitung vom zweiten Knotenpunkt 12B aus ermöglicht ist. Zwischen dem zweiten Knotenpunkt 12B und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein zweiter Halbleiterschalter S2 angeordnet.
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Zwischen dem ersten Ausganganschluss 13A und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein erster Kondensator C1 angeordnet, der den Ausgang des Aufwärtswandlers darstellt, der aus der ersten Diode D1, dem zweiten Halbleiterschalter S2 und der ersten Induktivität L1 gebildet ist.
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Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11A und dem dritten Knotenpunkt 12C ist ein dritter Halbleiterschalter S3 angeordnet. Zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 13B und dem dritten Knotenpunkt 12C ist eine zweite Diode D2 angeordnet. Die zweite Diode D2 ist so orientiert, dass eine Stromleitung vom zweiten Ausgangsanschluss 13B aus ermöglicht ist. Zwischen dem dritten Knotenpunkt 12C und dem ersten Knotenpunkt 12A ist eine zweite Induktivität L2 angeordnet.
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Zwischen dem zweiten Ausganganschluss 13B und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet, der den Ausgang des Inverswandlers darstellt, der aus der zweiten Diode D2, dem dritten Halbleiterschalter S3 und der zweiten Induktivität L2 gebildet ist.
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Die Halbleiterschalter S2, S3 im Wandler 10 sind in diesem Beispiel GaN-Schalter. Es können aber auch andere Schalter wie MOSFETs oder IGBTs verwendet werden.
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Im Betrieb der Schaltung erzeugt der Aufwärtswandler eine positive Spannung am ersten Kondensator C1. Diese positive Spannung ist prinzipbedingt mindestens so groß wie die Eingangsspannung an den Eingangsanschlüssen 11A, 11B. Der Inverswandler wiederum erzeugt eine negative Spannung am zweiten Ausgangsanschluss 13B relativ zum ersten Knotenpunkt 12A. Durch die Serienschaltung der beiden Kondensatoren C1, C2 ist die Ausgangsspannung zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 13A, 13B dem Betrag nach die Summe der Beträge der beiden erzeugten Spannungen. Somit ist das Übersetzungsverhältnis, das sich bei einer gegebenen Ein- und Ausgangsspannung ergibt, für den Aufwärtswandler und den Inverswandler jeweils halbiert.
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2 zeigt einen Wandler 20 mit einem alternativen Aufbau zum Wandler 10 der 1. Der Aufbau des Wandlers 20 unterscheidet sich vom Wandler 10 gemäß 1 dadurch, dass an der Stelle der ersten Diode D1 nun ein erster Halbleiterschalter S1 vorhanden ist. Weiterhin ist an der Stelle der zweiten Diode D2 stattdessen ein vierter Halbleiterschalter S4 vorhanden.
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Der Betrieb des Wandlers 20 kann analog zum Wandler 10 gemäß 1 erfolgen. Zusätzlich kann aber beim Wandler 20 auch ein erweiterter Betrieb erfolgen, bei dem die Zielspannungen an den Kondensatoren C1, C2 nicht mehr DC-Spannungen, sondern andere Wellenformen, also allgemein Mischspannungen sind. Hierzu ist eine in den Figuren nicht gezeigte Steuerungseinrichtung vorhanden, die für den erweiterten Betrieb ausgestaltet ist, den ersten bis vierten Halbleiterschalter S1...S4 so mittels einer Pulsweitenmodulation zu schalten, dass sich der gewünschte Spannungsverlauf an den Kondensatoren C1, C2 ergibt.
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Ein solcher gewünschter Spannungsverlauf kann beispielsweise in einer Folge von Halbwellen bestehen oder in einer DC-Spannung mit einer zusätzlichen Modulation. Da sich weiterhin die erzeugten Spannungen am ersten und zweiten Kondensator C1, C2 zur Ausgangsspannung addieren, kann auch bei einer Mischspannung eine hohe Amplitude bei moderatem Übersetzungsverhältnis für den Wandler erreicht werden. Für die Folge von Halbwellen können beispielsweise sowohl der Aufwärtswandler als auch der Inverswandler einen phasen- und amplitudengleichen Halbwellenverlauf erzeugen. Dann addieren sich die Amplituden der Halbwellen in der Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen 13A, 13B.
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Eine Einschränkung im Betrieb des Wandlers 20 nach 2 besteht darin, dass der Aufwärtswandler keine Ausgangsspannung unterhalb der Eingangsspannung erzeugen kann. Dadurch können nicht alle DC-Spannungen und nicht alle Mischspannungsverläufe erzeugt werden. Eine mögliche Lösung dafür enthält der Wandler 30 nach 3, der ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung darstellt.
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Der Wandler 30 umfasst die Komponenten des Wandlers 20 gemäß 2. Zusätzlich zum Wandler 20 ist zwischen der ersten Induktivität L1 und dem ersten Eingangsanschluss 11A ein vierter Knotenpunkt 12D vorhanden. Zwischen dem vierten Knotenpunkt 12D und dem ersten Eingangsanschluss 11A ist ein fünfter Halbleiterschalter S5 angeordnet. Ein sechster Halbleiterschalter S6 ist zwischen dem vierten Knotenpunkt 12D und dem ersten Knotenpunkt 12A angeordnet.
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Durch die zusätzlichen Halbleiterschalter S5, S6 in Verbindung mit den Komponenten des Aufwärtswandlers wird eine Kombination aus Abwärts- und Aufwärtswandler (engl. ein Buck-Boost-Converter) realisiert. Durch Abschalten des sechsten Halbleiterschalters S6 und Einschalten des fünften Halbleiterschalters S5 können die Eigenschaften des Aufwärtswandlers hergestellt werden. Ist eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die geringer als die Eingangsspannung ist, kann der erste Halbleiterschalter S1 angeschaltet und der zweite Halbleiterschalter S2 abgeschaltet werden und somit nur der Abwärtswandler verwendet werden. Somit fällt die Einschränkung des Wandlers 20 gemäß 2 bezüglich der Ausgangsspannung weg und alle positiven DC-Spannungen und Wellenformen können erzeugt werden, deren Amplitude nicht zu groß ist.
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In einer alternativen Betriebsform können der erste, zweite, fünfte und sechste Halbleiterschalter S1, S2, S5, S6 diagonal geschaltet werden. Dafür wird zwischen zwei Schaltzuständen gewechselt, wobei im ersten Schaltzustand der erste und sechste Halbleiterschalter S1, S6 angeschaltet sind und im zweiten Schaltzustand der zweite und fünfte Halbleiterschalter S2, S5 angeschaltet sind. In dieser Betriebsform agieren der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler also zur gleichen Zeit und nicht unabhängig voneinander.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Der Wandler 40 gemäß 4 geht im Aufbau vom Wandler 20 gemäß der 2 aus. Zusätzlich zu diesem weist der Wandler 40 aber eine dritte Induktivität L3 zwischen dem zweiten Knotenpunkt 12B und dem ersten Halbleiterschalter S1 auf. Die erste und die dritte Induktivität L1, L3 sind in diesem Beispiel als gemeinsame Induktivität mit Mittelabgriff aufgebaut, an den der zweite Halbleiterschalter S2 anschließt.
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Weiterhin weist der Wandler 40 eine vierte Induktivität L4 zwischen dem dritten Knotenpunkt 12C und dem vierten Halbleiterschalter S4 auf. Die zweite und die vierte Induktivität L2, L4 sind analog zur ersten und dritten Induktivität L1, L3 in diesem Beispiel als gemeinsame Induktivität mit Mittelabgriff aufgebaut, an den der dritte Halbleiterschalter S3 anschließt.
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Durch den Aufbau des Wandlers 40 gemäß 4 können noch höhere Übersetzungsverhältnisse zwischen der Ausgangs- und der Eingangsspannung erreicht werden.
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Anhand der folgenden Figuren wird ein mögliches Anwendungsgebiet der beschriebenen Wandler 20, 30, 40 beschrieben. Dabei wird mit dem jeweiligen Wandler 20, 30, 40 ein Wechselrichter aufgebaut, der beispielsweise als Mikro-Solarinverter (engl. solar micro-inverter oder microinverter) verwendet werden kann. Der Einsatz eines solchen Mikro-Solarinverters ist in 5 grob skizziert. Der Wechselrichter 60, 80, 90, 100 ist verbunden mit einem Photovoltaik-Solarmodul 51 und mit dem Versorgungsnetzwerk 52. Typischerweise ist ein Wechselrichter 60, 80, 90, 100 nach Art eines Mikro-Solarinverters mit genau einem Solarmodul 51 verbunden und unterscheidet sich damit vom herkömmlichen String-Wechselrichter oder zentralen Wechselrichter. Der Wechselrichter 60, 80, 90, 100 übernimmt die Wandlung der von dem Solarmodul 51 kommenden Gleichspannung in eine dem Versorgungsnetzwerk entsprechende Spannung mit passender Amplitude, Frequenz und Phasenlage.
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Einen beispielhaften Aufbau für einen ersten Wechselrichter 60 zeigt 6. Der Wechselrichter weist eingangsseitig einen Wandler 20 auf, der gemäß 2 aufgebaut ist. Die Ausgangsanschlüsse 13A, 13B des Wandlers 20 agieren nicht als Ausgänge für den Wechselrichter 60, sondern sind mit den Außenanschlüssen einer Vollbrücke V verbunden. Die Vollbrücke V umfasst vier weitere Halbleiterschalter S7, S8, S9, S10. Der Mittelanschluss einer ersten Halbbrücke der Vollbrücke V mit dem siebten und neunten Halbleiterschalter S7, S9 ist mit einer fünften Induktivität L5 verbunden. Der Mittelanschluss der zweiten Halbbrücke der Vollbrücke V mit dem achten und zehnten Halbleiterschalter S8, S10 ist mit einer sechsten Induktivität L6 verbunden. Die Mittelanschlüsse sind weiterhin über einen dritten Kondensator verbunden. Die beiden Mittelanschlüsse sind weiterhin mit einem EMI-Filter 61 verbunden. Der Ausgang des EMI-Filters 61 stellt die beiden Ausgangsanschlüsse 53A, 53B für den Wechselrichter 60 dar.
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Nicht in 6 dargestellt ist die Steuerungseinrichtung für den Wechselrichter 60, die die Ansteuerung der Halbleiterschalter S1...S10 vornimmt. Für die Funktion als Wechselrichter werden der erste und zweite Halbleiterschalter S1, S2, d.h. der Aufwärtswandler, derart mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert, dass am Ausgang des Aufwärtswandlers, d.h. am ersten Kondensator C1, der Verlauf der Spannung UC1 die Form von aufeinanderfolgenden Halbwellen annimmt. Dieser Spannungsverlauf ist in 7 skizziert. Der dritte und vierte Halbleiterschalter S3, S4, d.h. der Inverswandler, werden so angesteuert, dass am Ausgang des Inverswandlers, d.h. am zweiten Kondensator C2, der Verlauf der Spannung UC2 ebenfalls die Form von aufeinanderfolgenden Halbwellen annimmt. Der Aufwärtswandler und der Inverswandler werden also im Gegensatz zum typischen Betrieb als DC-DC-Wandler nun so betrieben, dass sie an ihrem Ausgang jeweils gerade keine konstante DC-Spannung erzeugen. Die Polarität der Spannung UC2 am zweiten Kondensator ist dabei derart, dass sich in Summe eine erhöhte Amplitude für den Spannungsverlauf zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13A, 13B ergibt. Bei gleicher Amplitude der beiden Spannungsverläufe UC1, UC2 ergibt sich in Summe die doppelte Amplitude für die Halbwelle.
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Die sich ergebende Halbwelle liegt an den Außenanschlüssen der Vollbrücke V an. Die Vollbrücke V wird nun derart angesteuert, dass die Polarität der Halbwelle mit jeder Halbwelle wechselt und sich somit ein im Idealfall sinusförmiger Spannungsverlauf zwischen den Mittelanschlüssen der Vollbrücke V ergibt. Hierzu wird zwischen zwei Schaltzuständen gewechselt. Im ersten Schaltzustand sind der achte und neunte Halbleiterschalter S8, S9 angeschaltet und der siebte und zehnte Halbleiterschalter S7, S10 abgeschaltet. Im zweiten Schaltzustand sind der siebte und zehnte Halbleiterschalter S7, S10 angeschaltet und der achte und neunte Halbleiterschalter S8, S9 abgeschaltet. Der Wechsel zwischen diesen Schaltzuständen erfolgt dabei mit jeder Halbwelle. Zweckmäßig entspricht die Frequenz des sich ergebenden sinusförmigen Spannungsverlaufs der Frequenz des Versorgungsnetzwerks, also beispielsweise 50 Hz. Die Halbwellen werden dann so erzeugt, dass sie mit 100 Hz aufeinanderfolgen und die Vollbrücke V muss die Polarität mit 100 Hz umschalten, sodass sich aus je zwei Halbwellen eine vollständige Sinus-Welle ergibt. Daraus folgt, dass die Halbleiterschalter S7...S10 mit nur 100 Hz schalten müssen, also für Umrichterverhältnisse vergleichsweise selten. Deshalb können in der Vollbrücke vorteilhaft solche Schalter verwendet werden, die für geringe Leitungsverluste optimiert sind.
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Da in dem Wechselrichter 60 der 6 der Aufwärtswandler nicht in der Lage ist, eine geringere Spannung als die Eingangsspannung an seinem Ausgang zu erzeugen, ist die erzeugte Halbwelle am ersten Kondensator C1 unvollständig. In Zeitbereichen, in denen die Spannung dem Verlauf der Halbwelle nach eigentlich geringer als die Eingangsspannung sein müsste, entspricht sie trotzdem etwa der Eingangsspannung. Die Steuerungseinrichtung ist zweckmäßig dafür ausgelegt, dieses Problem zu behandeln. Dafür kann die Steuerungseinrichtung ausgestaltet sein, zumindest in den genannten Zeitbereichen den Spannungsverlauf der Sinuswelle durch die Schaltung der Halbleiterschalter S7...S10 der Vollbrücke V zu erzeugen. Hierzu müssen in diesen Zeitbereichen die Halbleiterschalter S7...S10 hochfrequent geschaltet werden und die Spannungsform per Pulsweitenmodulation eingestellt werden. Die fünfte und sechste Induktivität L5, L6 sowie der dritte Kondensator C3 sind ausgestaltet für die nötige Filterung der sich ergebenden Spannungsform auch bei einer hochfrequenten Schaltung der Vollbrücke V.
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8 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter 80. Der Wechselrichter 80 ist in etwa aufgebaut wie der Wechselrichter 60 gemäß 6. Im Unterschied zum Wechselrichter 60 gemäß 6 basiert der Wechselrichter 80 gemäß 8 auf dem Wandler 30 gemäß 3. Mit anderen Worten sind also im Wechselrichter 80 gemäß 8 der fünfte und sechste Halbleiterschalter S5, S6 vorhanden. Dafür sind im Wechselrichter 80 die fünfte und sechste Induktivität L5, L6 sowie der dritte Kondensator C3 nicht vorhanden.
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Wie bereits beschrieben für 3 wird der Aufwärtswandler durch den fünften und sechsten Halbleiterschalter S5, S6 zu einem kombinierten Auf- und Abwärtswandler erweitert. Die Beschränkung der Ausgangsspannung am ersten Kondensator C1 auf Spannungen oberhalb der Eingangsspannung fällt dadurch weg. Die Steuerungseinrichtung ist in diesem Fall dazu ausgestaltete, den fünften und sechsten Halbleiterschalter S5, S6 so zusätzlich zum ersten und zweiten Halbleiterschalter S1, S2 zu verwenden, dass nun die zu erzeugende Halbwelle vollständig am ersten Kondensator C1 vorliegt. Die am ersten und zweiten Kondensator C1, C2 anliegenden Spannungen entsprechen damit soweit als möglich vollständig den in 7 gezeigten Spannungsverläufen UC1, UC2.
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Die Vollbrücke V wird nun wie bereits für den Wechselrichter 60 der 6 beschrieben derart angesteuert, dass die Polarität der Halbwelle mit jeder Halbwelle wechselt und sich somit ein im Idealfall sinusförmiger Spannungsverlauf zwischen den Mittelanschlüssen der Vollbrücke V ergibt. Hierzu wird wie beim Wechselrichter der 6 zwischen zwei Schaltzuständen gewechselt. Im ersten Schaltzustand sind der achte und neunte Halbleiterschalter S8, S9 angeschaltet und der siebte und zehnte Halbleiterschalter S7, S10 abgeschaltet. Im zweiten Schaltzustand sind der siebte und zehnte Halbleiterschalter S7, S10 angeschaltet und der achte und neunte Halbleiterschalter S8, S9 abgeschaltet.
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Da die Halbwellen nun vollständig vorliegen, entfällt beim Wechselrichter 80 die Notwendigkeit, zu bestimmten Zeiten ein hochfrequentes Schalten der Halbleiterschalter S7...S10 der Vollbrücke V vorzusehen. Vielmehr können die Halbleiterschalter S7...S10 grundsätzlich mit der Frequenz von beispielsweise 100 Hz schalten. Deshalb gilt hier noch mehr als beim Wechselrichter 60, dass in der Vollbrücke vorteilhaft solche Schalter verwendet werden können, die für geringe Leitungsverluste optimiert sind. Vorteilhaft fällt die Notwendigkeit der Filterung für das hochfrequente Schalten weg, wodurch die fünfte und sechste Induktivität L5, L6 und der dritte Kondensator C3 unnötig werden.
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9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter 90, der für die Verwendung in einem Einphasen-Dreileiternetzwerk (engl. split phase grid) ausgestaltet ist. Der Aufbau des Wechselrichters 90 entspricht einschließlich der Gestaltung der Steuerungseinrichtung weitgehend dem Aufbau des Wechselrichters 60 gemäß 6. Zusätzlich ist aber der erste Knotenpunkt 12A als weiterer Eingang für den EMI-Filter 61 vorgesehen und wird als Neutralleiter aus diesem herausgeführt. Die sonstige Funktionalität entspricht dem Wechselrichter 60 nach 6.
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10 schließlich zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter 100, der ebenfalls für die Verwendung in einem Einphasen-Dreileiternetzwerk ausgestaltet ist. Der Aufbau des Wechselrichters 100 entspricht einschließlich der Gestaltung der Steuerungseinrichtung weitgehend dem Aufbau des Wechselrichters 80 gemäß 8, weist also statt der fünften und sechsten Induktivität L5, L6 und dem dritten Kondensator C3 den fünften und sechsten Halbleiterschalter S5, S6 auf. Zusätzlich ist aber der erste Knotenpunkt 12A als weiterer Eingang für den EMI-Filter 61 vorgesehen und wird als Neutralleiter aus diesem herausgeführt. Die sonstige Funktionalität entspricht dem Wechselrichter 80 nach 8.
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Weitere Ausführungsmöglichkeiten für den Wechselrichter bestehen darin, dass der Wechselrichter auf dem Aufbau gemäß 4 basiert. Dieser Aufbau mit Induktivitäten mit Mittelabgriff kann auch mit den Aufbauvarianten gemäß der 6, 8, 9 und 10 kombiniert werden.
