DE102019124330A1

DE102019124330A1 - Spannungswandler

Info

Publication number: DE102019124330A1
Application number: DE102019124330.0A
Authority: DE
Inventors: Marco Liserre; Levy Ferreira Costa
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2021048327A1; EP4029137A1; US20240048042A1

Abstract

Spannungswandler zur Wandlung einer primärseitigen Wechselspannung auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechselspannung (auf einem zweiten Spannungsniveau, wobei der Spannungswandler einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, in dem eine aus der primärseitigen Wechselspannung erzeugte erste Gleichspannung mittels eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers in eine zweite Gleichspannung gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplungsschaltung zur Bereitstellung einer dritten Gleichspannung zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, insbesondere mit dessen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Wandlung einer primärseitigen Wechselspannung auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechselspannung auf einem zweiten Spannungsniveau, wobei der Spannungswandler einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, in dem eine aus der primärseitigen Wechselspannung erzeugte erste Gleichspannung mittels eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers in eine zweite Gleichspannung gewandelt wird.
Die Spannungswandlung durch solche Spannungswandler mittels eines Gleichspannungszwischenkreises ist in der elektrischen Energieversorgungstechnik weit verbreitet, z.B. bei der Spannungswandlung von einem Mittelspannungsnetz auf ein Niederspannungsnetz. Im Zuge der Energiewende und der zunehmenden Verfügbarkeit elektrisch betriebener Straßenverkehrsfahrzeuge steigt der Bedarf an der Bereitstellung elektrischer Energie in Form von Gleichspannung auf vergleichsweise hohem Spannungsniveau, um die für das Aufladen von Akkumulatoren erforderliche Leistung bereitzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit zur Bereitstellung solcher elektrischer Energie anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Spannungswandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Auskopplungsschaltung zur Bereitstellung einer dritten Gleichspannung zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, insbesondere mit dessen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die elektrische Energie durch die dritte Gleichspannung besonders effizient und mit wenig Hardwareaufwand bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Erfindung kostengünstig realisieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass handelsübliche oder bereits vorhandene Spannungswandler hierfür eingesetzt werden können, indem diese lediglich um die Auskopplungsschaltung zur Bereitstellung der dritten Gleichspannung erweitert werden.
Der Spannungswandler kann wahlweise als Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder Trennglied zwischen den angeschlossenen Wechselspannungsnetzen eingesetzt werden. Ist der Spannungswandler als Aufwärtswandler ausgebildet, ist das erste Spannungsniveau geringer als das zweite Spannungsniveau. Ist der Spannungswandler als Abwärtswandler ausgebildet, ist das zweite Spannungsniveau geringer als das erste Spannungsniveau. Ist der Spannungswandler als Trennglied ausgebildet, ist das erste Spannungsniveau zumindest ungefähr gleich dem zweiten Spannungsniveau.
Die erste Gleichspannung kann kleiner, größer oder gleich der zweiten Gleichspannung sein. Im Falle eines Abwärtswandlers ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die zweite Gleichspannung geringer ist als die erste Gleichspannung.
Die dritte Gleichspannung kann kleiner, größer oder gleich der ersten und/oder der zweiten Gleichspannung sein. Es ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die dritte Gleichspannung zumindest ungefähr gleich der ersten Gleichspannung ist.
Der Spannungswandler kann hinsichtlich seiner übergeordneten Schaltungstopologie beispielsweise in Form eines Neutral-Point-Clampled (NPC), eines Modular Multilevel Converter (MMC) oder einer Cascaded H-Bridge (CHB) ausgebildet sein. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die CHB-Topologie eingesetzt. Typischerweise weist die CHB-Topologie aber keine eigene Möglichkeit zur Bereitstellung einer dritten Gleichspannung zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers auf. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Auskopplungsschaltung überwunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Mittelspannungsnetzes und das zweite Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Niederspannungsnetzes ist. Auf diese Weise kann die Erfindung besonders effizient zur Realisierung der elektrischen Energieversorgung von Gleichspannungs-Verbrauchern auf relativ hohem Spannungsniveau eingesetzt werden, z.B. zur Versorgung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auskopplungsschaltung elektrisch und/oder magnetisch in den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler integriert ist. Eine solche Integration der Auskopplungsschaltung in den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler hat den Vorteil, dass die Auskopplungsschaltung hinsichtlich des Hardwareaufwands einfach gehalten werden kann. Die Auskopplungsschaltung kann beispielsweise induktiv aus dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler mit elektrischer Energie versorgt werden, was den Vorteil hat, dass die eigentliche Funktion des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers zur Wandlung der ersten Gleichspannung in die zweite Gleichspannung nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler modular aus einer Vielzahl von einzelnen DC-DC-Wandler-Modulen aufgebaut ist, die sekundärseitig parallel zueinander geschaltet sind. Ein solcher modularer Aufbau hat den Vorteil, dass der gesamte Spannungswandler hinsichtlich Fehleranfälligkeit und Ausfallsicherheit optimiert werden kann und durch die Anzahl der verwendeten DC-DC-Wandler-Module in verschiedenen Größenordnungen skalierbar ist. Ein Austausch einzelner DC-DC-Wandler-Module zur Reparaturzwecken ist auf einfache Weise möglich.
Ist der Spannungswandler als Abwärtswandler ausgebildet, ist es z.B. vorteilhaft, die DC-DC-Wandler-Module sekundärseitig parallel zueinander zu schalten. Auf diese Weise wird eine zweite Gleichspannung mit gegenüber der ersten Gleichspannung verringertem Spannungsniveau bereitgestellt, wobei die verfügbaren Ströme aufgrund der Parallelschaltung erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die DC-DC-Wandler-Module primärseitig entweder unmittelbar in Reihe oder über AC-DC-Wandler-Module in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise kann die primärseitige Spannungsbelastung der DC-DC-Wandler-Module auf eine Vielzahl von Modulen verteilt werden, sodass die einzelnen Module vergleichsweise einfach und kostengünstig aufgebaut sein können. Dennoch kann aufgrund dieser Reihenschaltung eine vergleichsweise hohe primärseitige erste Gleichspannung verarbeitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass einigen oder allen der DC-DC-Wandler-Module primärseitig ein Auskopplungsmodul hinzugefügt ist, wobei die Auskopplungsmodule miteinander zu der Auskopplungsschaltung verschaltet sind. Auf diese Weise kann auch die Auskopplungsschaltung modular realisiert werden, sodass der Spannungswandler auch hinsichtlich der Auskopplungsschaltung die Vorteile der Modularität realisiert, wie Skalierbarkeit und Vorteile bei der Ausfallsicherheit und der Reparatur, z.B. indem im Fehlerfall einzelne Auskopplungsmodule getauscht werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auskopplungsmodule in Reihe miteinander geschaltet sind, um die dritte Gleichspannung bereitzustellen. Die Auskopplungsschaltung wird somit durch die Reihenschaltung der Auskopplungsmodule gebildet. Somit kann auf einfache Weise die dritte Gleichspannung auf hohem Spannungsniveau bereitgestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein DC-DC-Wandler-Modul eine primärseitige Wandlerzelle und eine sekundärseitige Wandlerzelle aufweist, die miteinander über galvanisch getrennte Wicklungen eines Transformators gekoppelt sind. Dies ermöglicht es, auch die einzelnen DC-DC-Wandler-Module ihrerseits modular zu realisieren. Im Fehlerfall kann dann nur das defekte Teil ausgetauscht werden, wie z.B. nur eine primärseitige Wandlerzelle oder nur eine sekundärseitige Wandlerzelle. Die Wandlerzellen können beispielsweise eine getaktet betriebene Halbleiterschaltung aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Auskopplungsmodul mit einer weiteren Wicklung des Transformators gekoppelt ist, sodass das Auskopplungsmodul induktiv über den Transformator mit elektrischer Energie versorgt ist. Auf diese Weise ist das Auskopplungsmodul galvanisch von den anderen Komponenten des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers entkoppelt, sodass deren Funktionsweise nicht beeinflusst wird. Der Transformator kann z.B. als Vielfachwindungs-Transformator ausgebildet sein. Je nach zu erzeugender dritter Gleichspannung kann das Auskopplungsmodul primärseitig, d.h. auf der Seite der ersten Gleichspannung (MVDC), und/oder sekundärseitig, d.h. auf der Seite der zweiten Gleichspannung (LVDC), mit dem Transformator gekoppelt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Transformator einen magnetischen Kern aufweist, auf dem die Wicklungen des Transformators angeordnet sind. Dies erlaubt eine besonders effiziente induktive Energieübertragung zwischen den Wicklungen.
Die DC-DC-Wandler-Module können beispielsweise als multiple-active-bridge, full resonant-Topologie, Stromquellen-Topologie, Impedanzquellen-Topologie oder ähnliches mit einem jeweiligen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eines Wandlermoduls geschalteten Transformator ausgebildet sein. Eine multiple-active-bridge kann z.B. in Form einer dual-active-bridge oder einer quadruple-active-bridge realisiert sein. Bei dieser Art von Spannungswandlern werden geschaltete Leistungshalbleiter eingesetzt. Zur Energieübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite werden über die Leistungshalbleiter auf beiden Seiten, d.h. der Primärseite und der Sekundärseite, durch getaktetes Schalten der Leistungshalbleiter gepulste, rechteckförmige Signale erzeugt. Die Energieübertragung erfolgt über einen Phasenversatz zwischen den Signalen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite (phase shift modulation). Auch andere Regelungen, wie z.B. Tastgrad-Regelung oder ähnlich, können vorteilhaft eingesetzt werden. Im Vergleich zu konventionellen Spannungswandlern, die mit vergleichsweise geringer Frequenz betrieben werden, kommt bei der multiple-active-bridge eine Hochfrequenzübertragung zum Einsatz. Der hierfür benötigte Transformator benötigt im Vergleich zur Niedrigfrequenzübertragung wenig Platz, sodass solche Spannungswandler kompakter und dementsprechend kostengünstiger realisiert werden können.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem unbestimmten Begriff „ein“ kein Zahlwort zu verstehen. Wenn also z.B. von einem Bauteil die Rede ist, so ist dies im Sinne von „mindestens einem Bauteil“ zu interpretieren. Die Abkürzung DC steht dabei für Gleichspannung (direct current), die Abkürzung AC für Wechselspannung (alternating current).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 - einen Spannungswandler in Blockdiagramm-Darstellung und
2 - einen Spannungswandler in Form einer Cascaded H-Bridge (CHB) und
3 - ein DC-DC-Wandler-Modul und
4 - die Schaltung einer Phase des Spannungswandlers gemäß 2 unter Verwendung von DC-DC-Wandler-Modulen gemäß 3 und
5 - die Topologie des gesamten Spannungswandlers unter Verwendung von DC-DC-Wandler-Modulen gemäß 3 und
6 - den Spannungswandler gemäß 5 mit miteinander parallel geschalteten Auskopplungsschaltungen und
7 - eine alternative Ausführungsform der Schaltung einer Phase des Spannungswandlers und
8 - einen Spannungswandler mit einem Modular Multilevel Converter und
9 - die Schaltung einer Phase des Spannungswandlers gemäß 2 mit einer alternativen Form der Auskopplungsmodule und
10 - die Schaltung einer Phase des Spannungswandlers mit Bereitstellung der dritten Gleichspannung auf einem anderen Spannungsniveau.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen haben folgende Zuordnung:

1: Spannungswandler
2: AC-DC-Wandler
3: Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler
4: DC-AC-Wandler
5: primärseitiger Gleichspannungskreis
6: sekundärseitiger Gleichspannungskreis
7: Auskopplungsschaltung
8: Ankopplungsnetzwerk
9: DC-DC-Wandler
10: Verbraucher
11: DC-DC-Wandler
12: Elektrische Anlage
13: primärseitiges Wechselspannungsnetz
14: sekundärseitiges Wechselspannungsnetz
20: AC-DC-Wandler-Module
30: Wandlerzelle
31: Transformator
32: Wandlerzelle
33: Wicklung
34: Kern
35: Wicklung
36: Auskopplungsmodul
37: DC-DC-Wandler-Modul
38: Dioden-Vollbrücke
39: Modular Multilevel Converter
40: integriertes Wandlermodul
MVAC: primärseitige Wechselspannung
MVDC: erste Gleichspannung
LVAC: sekundärseitige Wechselspannung
LVDC: zweite Gleichspannung
MVDC2, LVDC2: dritte Gleichspannung

Die 1 zeigt den Spannungswandler 1 in einem elektrischen Energieversorgungssystem, bei dem ein primärseitiges Wechselspannungsnetz 13, z.B. ein dreiphasiges Wechselstrom-Mittelspannungsnetz, mit einem sekundärseitigen Wechselspannungsnetz 14 gekoppelt ist, z.B. einem Vierleitungs-Wechselstrom-Niederspannungsnetz.
Das primärseitige Wechselspannungsnetz 13 ist über einen AC-DC-Wandler 2 mit einem Gleichspannungszwischenkreis 3, 5, 6 verbunden. Durch den AC-DC-Wandler 2 wird eine primärseitige Wechselspannung MVAC auf einem ersten Spannungsniveau in eine erste Gleichspannung MVDC gewandelt. In dem Gleichspannungszwischenkreis 3, 5, 6 ist ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 vorhanden, der über einen primärseitigen Gleichspannungskreis 5 mit dem Gleichspannungs-Ausgang des AC-DC-Wandlers 2 gekoppelt ist und dem somit die erste Gleichspannung MVDC zugeführt wird. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 wandelt die erste Gleichspannung MVDC in eine zweite Gleichspannung LVDC. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 ist über einen sekundärseitigen Gleichspannungskreis 6 mit einem DC-AC-Wandler 4 gekoppelt. Der DC-AC-Wandler 4 wandelt die ihm vom Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 zugeführte zweite Gleichspannung LVDC in eine sekundärseitige Wechselspannung LVAC des sekundärseitigen Wechselstromnetzes 14.
Im sekundärseitigen Gleichspannungskreis 6 kann eine elektrische Anlage 12 angeschlossen sein, die mit einer Gleichspannung auf geringem Spannungsniveau LVDC betrieben ist, z.B. eine Photovoltaikanlage, die über einen DC-DC-Wandler 11 mit einem Ankopplungsnetzwerk 8 verbunden ist, über das die elektrische Anlage 12 mit dem sekundärseitigen Gleichspannungskreis 6 verbunden ist.
Die 1 zeigt zudem einen Verbraucher 10, der mit einer dritten Gleichspannung MVDC2 auf hohem Spannungsniveau betrieben wird. Es kann sich z.B. um eine Ladestation für Elektrofahrzeuge handeln, die über einen DC-DC-Wandler 9 mit der dritten Gleichspannung MVDC2 gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird die dritte Gleichspannung MVDC2 über eine Auskopplungsschaltung 7 bereitgestellt, die mit dem Gleichspannungszwischenkreis 3, 5, 6 gekoppelt ist, insbesondere mit dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3. Über vorteilhafte Arten dieser Kopplung der Auskopplungsschaltung 7 mit dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 werden nachfolgend noch Erläuterungen gegeben.
Zunächst soll anhand der 2 der normale (bekannte) Aufbau eines Spannungswandlers ohne eine solche Auskopplungsschaltung 7 beschrieben werden. Die 2 zeigt einen Spannungswandler in CHB-Topologie. Im rechten Teil der 2 sind dabei die Schaltungskomponenten für eine Phase (Phase C) des dreiphasigen primärseitigen Wechselspannungsnetzes 13 detailliert angegeben. Für die anderen Phasen A, B ist eine vergleichbare Schaltung enthalten, die zur Vereinfachung nur als Block wiedergegeben ist. Die Schaltung in einer Phase A, B, C weist zunächst eine Reihenschaltung von primärseitigen AC-DC-Wandler-Modulen 20 auf, die insgesamt (als Reihenschaltung) den AC-DC-Wandler 2 einer Phase A, B, C ausbilden. Auf diese Weise kann auch der AC-DC-Wandler 2 modular aufgebaut sein.
Einem jeweiligen AC-DC-Wandlermodul 20 ist ein DC-DC-Wandler-Modul 37 nachgeschaltet. Die Gesamtheit der DC-DC-Wandler-Module 37 bildet den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3. Die DC-DC-Wandler-Module 37 können sekundärseitig parallel geschaltet sein und sind dann mit dem Gleichspannungsanschluss des DC-AC-Wandlers 4 verbunden. Die einzelnen DC-DC-Wandler-Module 37 können einen Aufbau mit jeweils 2 über einen Transformator 31 verbundenen Wandlerzellen 30, 32 aufweisen. Ein DC-DC-Wandler-Modul kann auf diese Weise z.B. als multiple-active-bridge ausgebildet sein.
Die 3 zeigt als einen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Erweiterung eines DC-DC-Wandler-Moduls 37 um ein Auskopplungsmodul 36. Erkennbar ist, dass die Wandlerzellen 30, 32 über Wicklungen 33 des Transformators 31 miteinander induktiv gekoppelt sind. Das Auskopplungsmodul 36 kann z.B. induktiv mit den Wandlerzellen 30, 32 verbunden sein, indem der Transformator 31 um eine zusätzliche Wicklung 35 erweitert wird. Der Transformator 31 kann einen magnetischen Kern 34 aufweisen, auf dem die Wicklungen 33, 35 angeordnet sind, um den Kopplungsgrad zwischen den Wicklungen 33, 35 zu erhöhen. Das Auskopplungsmodul 36 kann z.B. als DC-DC-Wandlerzelle ausgebildet sein, die eine ähnliche Funktonalität und einen ähnlichen Aufbau wie die Wandlerzellen 30, 32 aufweist.
Die 4 zeigt anhand eines Ausschnitts des Spannungswandlers der 2, der nur den Aufbau der Phase C zeigt, die Integration von DC-DC-Wandlermodulen 37 der anhand der 3 beschriebenen Art. Erkennbar ist insbesondere, dass die einzelnen Auskopplungsmodule 36 in Reihe geschaltet sind. Über die Reihenschaltung der Auskopplungsmodule 36, die somit die Auskopplungsschaltung 7 darstellen, kann die gewünschte dritte Gleichspannung MVDC2 abgegriffen werden.
Die 5 zeigt stark schematisiert die Integration der DC-DC-Wandlermodule 37 in den vollständigen Spannungswandler gemäß 2. Hierbei ist nur anhand der Phase C ein DC-DC-Wandler-Modul m1 vollständig dargestellt, die übrigen Module m2 bis mn sind vergleichbar aufgebaut.
Wie man erkennt, kann bei der dargestellten Schaltungsanordnung aus jeder Phase A, B, C eine jeweils von anderen dritten Gleichspannungen MVDC2 entkoppelte dritte Gleichspannung MVDC2 gewonnen werden. Hierüber können beispielsweise drei separate Verbraucher 10 mit der dritten Gleichspannung MVDC2 versorgt werden. Es ist auch möglich, zwei oder alle drei der die dritte Gleichspannung MVDC2 führenden Zweige parallel oder in Reihe zu schalten. Bei einer Parallelschaltung kann der verfügbare Strom erhöht werden, bei einer Reihenschaltung kann die verfügbare Gleichspannung erhöht werden.
Die 6 zeigt eine solche Parallelschaltung aller drei die dritte Gleichspannung MVDC2 führenden Zweige.
Wie man erkennt, erlaubt die Erfindung somit auch eine Skalierbarkeit der über die Auskopplungsschaltung bereitgestellten dritten Gleichspannung MVDC2 sowohl hinsichtlich des Spannungsniveaus als auch hinsichtlich des verfügbaren Stroms. Die verschiedenen über die einzelnen Phasen A, B, C bereitgestellten dritten Gleichspannungen MVDC2 sind galvanisch voneinander entkoppelt, was eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Verschaltungsmöglichkeiten eröffnet. Durch entsprechende Steuerung der DC-DC-Wandler-Module 37 und der Auskopplungsmodule 37, beispielsweise durch eine softwaregesteuerte Regelung, können eine Vielzahl von Regelungs- und Fehlerreaktionsszenarien realisiert werden. Insbesondere die Realisierung des Spannungswandlers in einer CHB-Topologie lässt sich vorteilhaft umsetzen, da die CHB-Topologie in der Energieversorgungstechnik bereits etabliert ist und gut angenommen wird.
Die 7 zeigt eine Ausführungsform des Spannungswandlers, bei der die zuvor beispielsweise anhand der 4 als einzelne Komponenten beschriebenen AC-DC-Wandlermodule 20 und die jeweiligen Wandlerzelle 30 eines DC-DC-Wandler-Moduls 37 kombiniert sein kann, z.B. als ein integriertes Wandlermodul 40. Im Übrigen kann die Auskopplungsschaltung identisch bleiben. Bei der Ausführungsform gemäß 7 ist somit eine direkte eingangsseitige Verarbeitung einer Wechselspannung aus dem primärseitigen Wechselspannungsnetz 13 möglich.
Die 8 zeigt eine Ausführungsform des Spannungswandlers, und zwar anhand einer Phase, wie in 4 dargestellt, wobei das primärseitige Wechselspannungsnetz 13 über einen Modular Multilevel Converter 39 mit der Gleichspannungs-Eingangsseite der DC-DC-Wandler-Module 37 verbunden ist. Der Modular Multilevel Converter 37 ersetzt daher in diesem Fall die einzelnen AC-DC-Wandler 20.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen hat der Auskopplungskreis aufgrund der bidirektionalen Funktionsweise der verwendeten Auskopplungsmodule 36 eine grundsätzlich bidirektionale Funktionalität. In Einsatzfällen, in denen die Bidirektionalität nicht benötigt wird, kann dieser Auskopplungskreis auch unidirektional ausgebildet sein. Hierzu können statt der Auskopplungsmodule 36 unidirektionale Module 38 eingesetzt werden, die beispielsweise schaltungstechnisch als Dioden-Vollbrücke ausgebildet sein können, wie in der 9 dargestellt ist. Der Leistungsfluss kann dabei weiterhin unabhängig gesteuert werden.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen war das Auskopplungsmodul 36 jeweils derart eingesetzt, dass die dritte Gleichspannung auf vergleichsweise hohem Gleichspannungsniveau bereitgestellt wird. Wie in der 10 dargestellt ist, kann das Auskopplungsmodul 36 alternativ derart angeschlossen und konfiguriert sein, dass als dritte Gleichspannung eine Spannung LVDC2 auf geringem Spannungsniveau bereitgestellt wird, was beispielsweise vorteilhaft ist, wenn auf dem Spannungsniveau LVDC2 separate Lasten versorgt werden sollen. Auf diese Weise kann eine zusätzliche elektrische Energieversorgung zum Laden elektrischer Fahrzeuge bereitgestellt werden. Diese Topologie ist insbesondere vorteilhaft mit einer eingangsseitigen Cascaded H-Bridge (CHB) Topologie. Der zusätzliche LVDC-Zwischenkreis (LVDC2) ermöglicht einen Ausgleich der Asymmetrien in der CHB für den Fall von unterschiedlichen Lasten. Die Ausgänge der Auskopplungsschaltungen 7 können parallel verschaltet werden.
Es ist auch möglich, das DC-DC-Wandler-Modul 37 mit beidseitigen Auskopplungsmodulen 36 zu realisieren, derart, dass einerseits eine dritte Gleichspannung MVDC2 auf hohem Spannungsniveau und andererseits eine dritte Gleichspannung LVDC2 auf geringem Spannungsniveau bereitgestellt wird.

Claims

Spannungswandler (1) zur Wandlung einer primärseitigen Wechselspannung (MVAC) auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechselspannung (LVAC) auf einem zweiten Spannungsniveau, wobei der Spannungswandler (1) einen Gleichspannungszwischenkreis (3, 5, 6) aufweist, in dem eine aus der primärseitigen Wechselspannung (MVAC) erzeugte erste Gleichspannung (MVDC) mittels eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers (3) in eine zweite Gleichspannung (LVDC) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplungsschaltung (7) zur Bereitstellung einer dritten Gleichspannung (MVDC2, LVDC2) zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers (10) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (3, 5, 6) gekoppelt ist, insbesondere mit dessen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (3).
Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Mittelspannungsnetzes (13) und das zweite Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Niederspannungsnetzes (14) ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungsschaltung (7) elektrisch und/oder magnetisch in den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (3) integriert ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (3) modular aus einer Vielzahl von einzelnen DC-DC-Wandler-Modulen (37) aufgebaut ist, die sekundärseitig parallel zueinander geschaltet sind.
Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-DC-Wandler-Module (37) primärseitig entweder unmittelbar in Reihe oder über AC-DC-Wandler-Module (20) in Reihe geschaltet sind.
Spannungswandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass einigen oder allen der DC-DC-Wandler-Module (37) primärseitig ein Auskopplungsmodul (36) hinzugefügt ist, wobei die Auskopplungsmodule (36) miteinander zu der Auskopplungsschaltung (7) verschaltet sind.
Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungsmodule (36) in Reihe miteinander geschaltet sind, um die dritte Gleichspannung (MVDC2, LVDC2) bereitzustellen.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC-DC-Wandler-Modul (37) eine primärseitige Wandlerzelle (30) und eine sekundärseitige Wandlerzelle (32) aufweist, die miteinander über galvanisch getrennte Wicklungen (33) eines Transformators (31) gekoppelt sind.
Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungsmodul (36) mit einer weiteren Wicklung (35) des Transformators (31) gekoppelt ist, sodass das Auskopplungsmodul (36) induktiv über den Transformator (31) mit elektrischer Energie versorgt ist.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (31) einen magnetischen Kern (34) aufweist, auf dem die Wicklungen (33, 35) des Transformators angeordnet sind.