DE102018213628A1 - Bidirektionaler Stromrichter - Google Patents

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Alex ITTEN
Dirk Schekulin
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Abstract

Bidirektionaler Stromrichter (1), aufweisend:- einen ersten Anschlusspol (2), einen zweiten Anschlusspol (3), einen dritten Anschlusspol (4) und einen vierten Anschlusspol (5), wobei der bidirektionale Stromrichter (1) dazu ausgebildet ist, eine zwischen dem ersten Anschlusspol (2) und dem zweiten Anschlusspol (3) anstehende erste Gleichspannung (V1) mit einem ersten Pegel in eine zwischen dem dritten Anschlusspol (4) und dem vierten Anschlusspol (5) anstehende zweite Gleichspannung (V2) mit einem zweiten Pegel zu wandeln, und- mindestens eine Stromrichtereinheit (6), aufweisend:- eine erste Halbbrückenschaltung (7), wobei die erste Halbbrückenschaltung (7) mindestens ein erstes ansteuerbares Schaltmittel (S1) und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel (S2) aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Anschlusspol (2) und den zweiten Anschlusspol (3) eingeschleift sind, wobei die erste Halbbrückenschaltung (7) einen Anschlussknoten (8) an einem Verbindungspunkt ihres ersten ansteuerbaren Schaltmittels (S1) und ihres zweiten ansteuerbaren Schaltmittels (S2) aufweist,- eine zweite Halbbrückenschaltung (9), wobei die zweite Halbbrückenschaltung (9) mindestens ein erstes ansteuerbares Schaltmittel (S3) und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel (S4) aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Anschlusspol (2) und den zweiten Anschlusspol (3) eingeschleift sind, wobei die zweite Halbbrückenschaltung (9) einen Anschlussknoten (10) an einem Verbindungspunkt ihres ersten ansteuerbaren Schaltmittels (S3) und ihres zweiten ansteuerbaren Schaltmittels (S4) aufweist,- eine erste Drossel (L1a), die zwischen den Anschlussknoten (8) der ersten Halbbrückenschaltung (7) und den dritten Anschlusspol (4) eingeschleift ist, und- eine zweite Drossel (L1b), die zwischen den Anschlussknoten (10) der zweiten Halbbrückenschaltung (9) und den vierten Anschlusspol (5) eingeschleift ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Stromrichter.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidirektionalen Stromrichter zur Verfügung zu stellen, der möglichst kostengünstig herstellbar ist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen bidirektionalen Stromrichter nach Anspruch 1.
  • Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht, um Wiederholungen zu vermeiden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1 ein Schaltbild eines bidirektionalen Stromrichters gemäß einer ersten Ausführungsform und
    • 2 ein Schaltbild eines bidirektionalen Stromrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 1 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Stromrichters 1, aufweisend einen ersten Anschlusspol 2, einen zweiten Anschlusspol 3, einen dritten Anschlusspol 4 und einen vierten Anschlusspol 5, wobei der bidirektionale Stromrichter 1 dazu ausgebildet ist, eine zwischen dem ersten Anschlusspol 2 und dem zweiten Anschlusspol 3 anstehende erste Gleichspannung V1 mit einem ersten Pegel in eine zwischen dem dritten Anschlusspol 4 und dem vierten Anschlusspol 5 anstehende zweite Gleichspannung V2 mit einem zweiten Pegel zu wandeln.
  • Die erste Gleichspannung V1 entspricht einer Potentialdifferenz zwischen den Zwischenkreispotentialen ZK1+ und ZK1-. Die zweite Gleichspannung V2 entspricht einer Potentialdifferenz zwischen den Zwischenkreispotentialen ZK2+ und ZK2-.
  • Der bidirektionale Stromrichter weist weiter eine Stromrichtereinheit 6 auf.
  • Die Stromrichtereinheit 6 weist eine erste Halbbrückenschaltung 7 auf, wobei die erste Halbbrückenschaltung 7 ein erstes ansteuerbares Schaltmittel S1 und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel S2 aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Anschlusspol 2 und den zweiten Anschlusspol 3 eingeschleift sind, wobei die erste Halbbrückenschaltung 7 einen Anschlussknoten 8 an einem Verbindungspunkt ihres ersten ansteuerbaren Schaltmittels S1 und ihres zweiten ansteuerbaren Schaltmittels S2 aufweist.
  • Die Stromrichtereinheit 6 weist weiter eine zweite Halbbrückenschaltung 9 auf, wobei die zweite Halbbrückenschaltung 9 ein erstes ansteuerbares Schaltmittel S3 und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel S4 aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Anschlusspol 2 und den zweiten Anschlusspol 3 eingeschleift sind, wobei die zweite Halbbrückenschaltung 9 einen Anschlussknoten 10 an einem Verbindungspunkt ihres ersten ansteuerbaren Schaltmittels S3 und ihres zweiten ansteuerbaren Schaltmittels S4 aufweist.
  • Die Stromrichtereinheit 6 weist weiter eine erste Drossel L1a auf, die zwischen den Anschlussknoten 8 der ersten Halbbrückenschaltung 7 und den dritten Anschlusspol 4 eingeschleift ist.
  • Die Stromrichtereinheit 6 weist weiter eine zweite Drossel L1b auf, die zwischen den Anschlussknoten 10 der zweiten Halbbrückenschaltung 9 und den vierten Anschlusspol 5 eingeschleift ist.
  • Die erste Drossel L1a und die zweite Drossel L1b sind magnetisch gekoppelt.
  • Ein Strom durch die erste Drossel L1a ist mit iL1a bezeichnet und eine an der ersten Drossel L1a abfallende Spannung ist mit VL1a bezeichnet. Ein Strom durch die zweite Drossel L1b ist mit iL1b bezeichnet und eine an der zweiten Drossel L1b abfallende Spannung ist mit VL1b bezeichnet.
  • Der bidirektionale Stromrichter 1 weist weiter einen ersten Y-Kondensator Cy1a auf, der zwischen den ersten Anschlusspol 2 und ein Bezugspotential eingeschleift ist, einen zweiten Y-Kondensator Cy1b auf, der zwischen den zweiten Anschlusspol 3 und das Bezugspotential eingeschleift ist, einen dritten Y-Kondensator Cy2a auf, der zwischen den dritten Anschlusspol 4 und das Bezugspotential eingeschleift ist, und einen vierten Y-Kondensator Cy2b auf, der zwischen den vierten Anschlusspol 5 und das Bezugspotential eingeschleift ist.
  • Der bidirektionale Stromrichter 1 weist weiter eine Steuereinheit 12 auf, die dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel S1, S2, S3, S4 der Halbbrückenschaltungen 7, 9 derart anzusteuern, dass das erste Schaltmittel S1 der ersten Halbbrückenschaltung 7 synchron zum zweiten Schaltmittel S4 der zweiten Halbbrückenschaltung 9 angesteuert wird; und/oder dass das zweite Schaltmittel S2 der ersten Halbbrückenschaltung 7 synchron zum ersten Schaltmittel S3 der zweiten Halbbrückenschaltung 9 angesteuert wird.
  • 2 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Stromrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Der bidirektionale Stromrichter 1 weist drei parallel geschalteten Stromrichtereinheiten auf, wobei eine erste Stromrichtereinheit Komponenten S1, S2, S3, S4, L1a, L1b aufweist, wobei eine zweite Stromrichtereinheit Komponenten S5, S6, S7, S8, L2a, L2b aufweist und wobei eine dritte Stromrichtereinheit Komponenten S9, S10, S11, S12, L3a, L3b aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist der bidirektionale Stromrichter in Brückenschaltung sowie einer vorzugsweise magnetisch gekoppelten Drossel und diagonaler synchroner Taktung der Brückenschalter realisiert.
  • Der bidirektionale Stromrichter kann sowohl abwärts (von links nach rechts) als auch aufwärts (von rechts nach links) die Energie zwischen den beiden DC-Teilnetzen verschieben.
  • 1 zeigt das Prinzip anhand von zwei Halbbrücken, welche gemeinsam zur Stromregelung in einer gekoppelten Drossel eingesetzt werden.
  • Im Fall eines unidirektionalen Gleichstromstellers können asymmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Transistoren und zwei Dioden verwendet werden. Je nach Anschluss ergibt sich dann ein Tiefsetzsteller oder ein Hochsetzsteller.
  • Durch Aufbau und das Verfahren der Ansteuerung sind die Potentiale P1a, P1b, P2a, P2b ruhig (P entspricht einem Potential gegen Chassis/Erde). Potentialsprünge werden an diesen Stellen vermieden, wodurch theoretisch keine hochfrequenten Ableitströme über die Entstörkondensatoren CY1a, Cy1b, CY2a, Cy2b fließen. Sofern auch die wirksamen Ableitwiderstände symmetrisch sind, werde sich auch die statischen Potentiale symmetrisch gegen Erde bzw. Chassis einstellen und durch den Betrieb (Lastwechsel) verursachte Common Mode Störungen weitgehend vermieden.
  • Bei Verwendung von Einzelregelkreisen für die Drosselströme können beliebig viele Gleichstromsteller parallel geschaltet werden, siehe 2 bei 3 parallel geschalteten Einzelregelkreisen.
  • Erfindungsgemäß sind ein symmetrischer Aufbau und eine symmetrische Wirkungsweise des bidirektionalen Stromrichters vorgesehen.
  • Weiter ist bevorzugt eine magnetisch gekoppelte Drossel vorgesehen, wobei paarweise magnetisch gekoppelte Drosseln bei Parallelschaltung mehrerer Gleichstromsteller verwendet werden.
  • Bevorzugt werden jeweils zwei gegenüberliegende Schalter getaktet.

Claims (5)

  1. Bidirektionaler Stromrichter (1), aufweisend: - einen ersten Anschlusspol (2), einen zweiten Anschlusspol (3), einen dritten Anschlusspol (4) und einen vierten Anschlusspol (5), wobei der bidirektionale Stromrichter (1) dazu ausgebildet ist, eine zwischen dem ersten Anschlusspol (2) und dem zweiten Anschlusspol (3) anstehende erste Gleichspannung (V1) mit einem ersten Pegel in eine zwischen dem dritten Anschlusspol (4) und dem vierten Anschlusspol (5) anstehende zweite Gleichspannung (V2) mit einem zweiten Pegel zu wandeln, und - mindestens eine Stromrichtereinheit (6), aufweisend: - eine erste Halbbrückenschaltung (7), wobei die erste Halbbrückenschaltung (7) mindestens ein erstes ansteuerbares Schaltmittel (S1) und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel (S2) aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Anschlusspol (2) und den zweiten Anschlusspol (3) eingeschleift sind, wobei die erste Halbbrückenschaltung (7) einen Anschlussknoten (8) an einem Verbindungspunkt ihres ersten ansteuerbaren Schaltmittels (S1) und ihres zweiten ansteuerbaren Schaltmittels (S2) aufweist, - eine zweite Halbbrückenschaltung (9), wobei die zweite Halbbrückenschaltung (9) mindestens ein erstes ansteuerbares Schaltmittel (S3) und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel (S4) aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Anschlusspol (2) und den zweiten Anschlusspol (3) eingeschleift sind, wobei die zweite Halbbrückenschaltung (9) einen Anschlussknoten (10) an einem Verbindungspunkt ihres ersten ansteuerbaren Schaltmittels (S3) und ihres zweiten ansteuerbaren Schaltmittels (S4) aufweist, - eine erste Drossel (L1a), die zwischen den Anschlussknoten (8) der ersten Halbbrückenschaltung (7) und den dritten Anschlusspol (4) eingeschleift ist, und - eine zweite Drossel (L1b), die zwischen den Anschlussknoten (10) der zweiten Halbbrückenschaltung (9) und den vierten Anschlusspol (5) eingeschleift ist.
  2. Bidirektionaler Stromrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Drossel (L1a) und die zweite Drossel (L1b) magnetisch gekoppelt sind.
  3. Bidirektionaler Stromrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der bidirektionale Stromrichter (1) weiter aufweist: - einen ersten Y-Kondensator (Cy1a), der zwischen den ersten Anschlusspol (2) und ein Bezugspotential eingeschleift ist, - einen zweiten Y-Kondensator (Cy1b), der zwischen den zweiten Anschlusspol (3) und das Bezugspotential eingeschleift ist, - einen dritten Y-Kondensator (Cy2a), der zwischen den dritten Anschlusspol (4) und das Bezugspotential eingeschleift ist, und - einen vierten Y-Kondensator (Cy2b), der zwischen den vierten Anschlusspol (5) und das Bezugspotential eingeschleift ist.
  4. Bidirektionaler Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der bidirektionale Stromrichter (1) weiter aufweist: - eine Steuereinheit (12), die dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel (S1, S2, S3, S4) der Halbbrückenschaltungen (7, 9) derart anzusteuern, dass das erste Schaltmittel (S1) der ersten Halbbrückenschaltung (7) synchron zum zweiten Schaltmittel (S4) der zweiten Halbbrückenschaltung (9) angesteuert wird; und/oder dass das zweite Schaltmittel (S2) der ersten Halbbrückenschaltung (7) synchron zum ersten Schaltmittel (S3) der zweiten Halbbrückenschaltung (9) angesteuert wird.
  5. Bidirektionaler Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionaler Stromrichter (1) eine Mehrzahl, insbesondere drei, von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten (S1, S2, S3, S4, L1a, L1b; S5, S6, S7, S8, L2a, L2b; S9, S10, S11, S12, L3a, L3b) aufweist.
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