DE102019135718A1 - Inverter and method for operating an inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter (2) zum Umrichten von Gleichspannung in 2N-Phasen-Wechselspannung, wobei N eine natürliche Zahl ist, umfassend 2N Halbbrücken (3), wobei die Halbbrücken (3) zueinander parallel geschaltet sind und zu einer Gleichspannungsquelle (1) parallel schaltbar sind, wobei jede Halbbrücke (3) zwei in Reihe geschaltete Hauptschalter (4) umfasst, wobei der Punkt zwischen den Hauptschaltern (4) als Halbbrückenmittelpunkt (5) bezeichnet ist, wobei der Halbbrückenmittelpunkt (5) mit einer der 2N Phasen (6) verbindbar ist, und wobei jede Halbbrücke (3) zumindest eine Kapazität (17) aufweist, N Klemmschaltungen (7), wobei jede Klemmschaltung (7) eine Resonanzinduktivität (8) und eine mit der Resonanzinduktivität (8) in Reihe geschaltete Hilfsschalteranordnung (9) umfasst und wobei die Klemmschaltung (7) zwischen zwei Halbbrückenmittelpunkten (5) geschaltet ist, die zwei gegenläufigen Phasen (6) zugeordnet sind, und eine Steuereinheit (10) zum Steuern der Hauptschalter (4) und der Hilfsschalteranordnungen (9). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (2).The invention relates to an inverter (2) for converting direct voltage into 2N-phase alternating voltage, where N is a natural number, comprising 2N half-bridges (3), the half-bridges (3) being connected in parallel to one another and to a direct voltage source (1) can be switched in parallel, with each half bridge (3) comprising two main switches (4) connected in series, the point between the main switches (4) being referred to as the half-bridge center (5), the half-bridge center (5) with one of the 2N phases (6 ) is connectable, and each half bridge (3) has at least one capacitance (17), N clamping circuits (7), each clamping circuit (7) having a resonance inductance (8) and an auxiliary switch arrangement (9) connected in series with the resonance inductance (8) ) and wherein the clamping circuit (7) is connected between two half-bridge centers (5) which are assigned to two opposite phases (6), and a control unit (10) for controlling the main switch (4) and the auxiliary switch arrangements (9). The invention also relates to a method for operating an inverter (2).
Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zum Umrichten von Gleichspannung in 2N-Phasen-Wechselspannung, wobei N eine natürliche Zahl ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters.The invention relates to an inverter for converting direct voltage into 2N-phase alternating voltage, where N is a natural number, as well as a method for operating an inverter.
Stand der TechnikState of the art
Wechselrichter zum Umrichten von Gleichspannung in Wechselspannung und Verfahren zum Betreiben dieser Wechselrichter sind allgemein bekannt. Insbesondere im Rahmen von mobilen Vorrichtungen, wie beispielsweise in der Elektromobilität, ist es wichtig, derartige Wechselrichter kompakt zu bauen.Inverters for converting direct voltage into alternating voltage and methods for operating these inverters are generally known. In particular in the context of mobile devices, such as for example in electromobility, it is important to build such inverters compactly.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichtern treten beim Schalten von elektrischen Schaltern oft hohe Verluste auf. Diese Verluste können durch aufwendige Schaltungen verringert werden.In inverters known from the prior art, high losses often occur when electrical switches are switched. These losses can be reduced by complex circuits.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wechselrichter und ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters vorzuschlagen, die die Nachteile des Stands der Technik vermeiden und insbesondere nur geringe Verluste aufweisen.The object of the present invention is therefore to propose an inverter and a method for operating an inverter which avoid the disadvantages of the prior art and in particular have only low losses.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wechselrichter gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters gemäß Anspruch 13. Die nebengeordneten Ansprüche beschreiben dabei vorteilhafte Weiterbildungen.This object is achieved by an inverter according to
Ein vorgeschlagener Wechselrichter ist dabei zum Umrichten von Gleichspannung in 2N-Phasen-Wechselspannung, wobei N eine natürliche Zahl ist, ausgebildet. Durch eine Klemmschaltung, die zwischen jeweils zwei Halbbrücken angeordnet ist, wobei diese zwei Halbbrücken gegenläufigen Phasen zugeordnet sind, werden Verluste beim Schalten stark reduziert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein in eine erste Phase und aus einer, zur ersten Phase gegenläufigen, zweiten Phase fließender elektrischer Strom beim Schalten des Wechselrichters auf eine Resonanzinduktivität in der Klemmschaltung kommutiert. So ist es möglich, Hauptschalter des Wechselrichters verlustfrei bei geringer oder verschwindender Spannung zu schalten.A proposed inverter is designed to convert direct voltage into 2N-phase alternating voltage, where N is a natural number. Losses during switching are greatly reduced by a clamping circuit which is arranged between two half bridges in each case, these two half bridges being assigned to phases running in opposite directions. This is achieved, in particular, in that an electric current flowing into a first phase and from a second phase which is opposite to the first phase commutates to a resonance inductance in the clamping circuit when the inverter is switched. It is thus possible to switch the main switch of the inverter without loss when the voltage is low or zero.
Vorgeschlagen wird ein Wechselrichter zum Umrichten von Gleichspannung in 2N-Phasen-Wechselspannung, wobei N eine natürliche Zahl ist. Dabei ist es wichtig, dass jeweils zwei der Phasen des Wechselstroms gegenläufig, das heißt, um 180° zueinander versetzt, sind. Die Beträge des elektrischen Stroms, der durch jeweils zwei gegenläufige Phasen fließt, müssen zudem gleich groß sein oder zumindest annähernd gleich groß sein. Des Weiteren ist es möglich, aber nicht notwendig, dass die 2N Phasen einen Phasenversatz von jeweils 180° / N zueinander haben.An inverter is proposed for converting direct voltage into 2N-phase alternating voltage, where N is a natural number. It is important that two of the phases of the alternating current are in opposite directions, that is, offset by 180 ° from one another. The amounts of the electrical current that flows through two opposing phases must also be the same or at least approximately the same. Furthermore, it is possible, but not necessary, for the 2N phases to have a phase offset of 180 ° / N with respect to one another.
Der Wechselrichter weist 2N Halbbrücken auf. Diese Halbbrücken sind zueinander parallel geschaltet und zu einer Gleichspannungsquelle parallel schaltbar. Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder einen Akkumulator handeln.The inverter has 2N half bridges. These half bridges are connected in parallel to one another and can be connected in parallel to a DC voltage source. The DC voltage source can be, for example, a battery or an accumulator.
Jede Halbbrücke umfasst zwei in Reihe geschaltete Hauptschalter. Der Punkt zwischen den Hauptschaltern wird als Halbbrückenmittelpunkt bezeichnet und ist mit einer der 2N Phasen verbindbar. Des Weiteren weist jede Halbbrücke zumindest eine Kapazität auf. Bei der Kapazität kann es sich um eine intrinsische Kapazität eines Hauptschalters und/oder um einen Snubber-Kondensator handeln.Each half bridge comprises two main switches connected in series. The point between the main switches is called the half-bridge center point and can be connected to one of the 2N phases. Furthermore, each half bridge has at least one capacitance. The capacitance can be an intrinsic capacitance of a main switch and / or a snubber capacitor.
Der Wechselrichter umfasst zudem N Klemmschaltungen, wobei jede Klemmschaltung eine Resonanzinduktivität und eine Hilfsschalteranordnung umfasst. Die Klemmschaltung ist zwischen zwei Halbbrückenmittelpunkten geschaltet, die zwei gegenläufigen Phasen zugeordnet sind.The inverter also comprises N clamping circuits, each clamping circuit comprising a resonance inductance and an auxiliary switch arrangement. The clamping circuit is connected between two half-bridge centers, which are assigned to two opposite phases.
Die Resonanzinduktivität kann ein diskretes Bauteil aber auch eine parasitäre Induktivität der Schaltung sein. Vorzugsweise werden an den Anschlüssen der Resonanzinduktivität zusätzlich Klemmdioden zur Verringerung von hochfrequenten Oszillationen geschaltet.The resonance inductance can be a discrete component but also a parasitic inductance of the circuit. Preferably, clamping diodes are additionally connected to the connections of the resonance inductance in order to reduce high-frequency oscillations.
Schließlich umfasst der Wechselrichter eine Steuereinheit zum Steuern der Hauptschalter und der Hilfsschalteranordnungen. Dies erfolgt dabei beispielsweise derart, dass, um die Hauptschalter möglichst verlustfrei zu schalten, die Hilfsschalteranordnungen derart geschaltet werden, dass der elektrische Strom zeitweise aus einer Phase über die Klemmschaltung in die zur ersten Phase gegenläufige Phase fließt. Dies funktioniert am besten, wenn die Beträge des elektrischen Stroms, der durch die zwei gegenläufigen Phasen fließt, betragsmäßig gleich groß oder zumindest annähernd gleich groß sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Hauptschalter weitgehend spannungsfrei geschaltet werden, wodurch die Verluste beim Schalten der Hauptschalter sehr gering werden. Es ist auch denkbar, dass die Hauptschalter nicht ganz spannungsfrei oder lediglich bei reduziertem Strom geschaltet werden, wobei die Verluste beim Schalten der Hauptschalter immer noch stark reduziert werden.Finally, the inverter comprises a control unit for controlling the main switch and the auxiliary switch arrangements. This is done, for example, in such a way that, in order to switch the main switches with as little loss as possible, the auxiliary switch arrangements are switched in such a way that the electrical current temporarily flows from one phase via the clamping circuit into the phase opposite to the first phase. This works best when the amounts of the electrical current flowing through the two opposing phases are the same or at least approximately the same. This enables the main switches to be largely de-energized, which means that the losses when switching the main switch are very low. It is also conceivable that the main switches are not switched completely voltage-free or only with a reduced current, the losses when switching the main switch still being greatly reduced.
Vorteilhafterweise ist jeder Hauptschalter für elektrischen Stromfluss einer Polarität in eine Durchlassrichtung durchlässig und für elektrischen Stromfluss gleicher Polarität in eine der Durchlassrichtung entgegengesetzte Schaltrichtung schaltbar. In die Durchlassrichtung ist der Hauptschalter also stets für elektrischen Stromfluss durchlässig, während er in die Schaltrichtung nur dann für elektrischen Stromfluss durchlässig ist, wenn der Hauptschalter entsprechend geschaltet ist. Die Durchlassrichtungen der in Reihe geschalteten Hauptschalter stimmen dabei überein, das heißt, sollte elektrischer Strom durch beide Hauptschalter hintereinander fließen, fließt er entweder durch beide in Durchlassrichtung oder durch beide in Schaltrichtung. Wird die Halbbrücke mit der Gleichspannungsquelle verbunden, so sind die Hauptschalter derart angeordnet, dass elektrischer Strom, der aus der positiven Elektrode der Gleichspannungsquelle fließen würde, durch beide Hauptschalter der Halbbrücke in Schaltrichtung zur negativen Elektrode der Gleichspannungsquelle fließen würde.Advantageously, each main switch for electrical current flow is one polarity into one Forward direction permeable and switchable for electrical current flow of the same polarity in a switching direction opposite to the forward direction. In the forward direction, the main switch is therefore always permeable to the flow of electrical current, while in the switching direction it is only permeable to the flow of electrical current when the main switch is switched accordingly. The flow directions of the main switches connected in series are the same, that is, if electrical current flows through both main switches one after the other, it flows either through both in the forward direction or through both in the switching direction. If the half bridge is connected to the DC voltage source, the main switches are arranged in such a way that electrical current that would flow from the positive electrode of the DC voltage source would flow through both main switches of the half bridge in the switching direction to the negative electrode of the DC voltage source.
Von Vorteil ist es, wenn jeder Hauptschalter ein Schaltelement und eine parallel zum Schaltelement geschaltete Diode umfasst. Bei der Diode kann es sich um ein diskretes Bauteil aber auch um eine intrinsische Diode des Schaltelements, beispielsweise eine Body-Diode eines MOSFETs, handeln. Die Diode erlaubt dabei den elektrischen Stromfluss in Durchlassrichtung, während dasin Schaltrichtung erlaubt und bei geöffnetem Hauptschalter elektrischen Stromfluss in Schaltrichtung verhindert. Das Schaltelement und die Diode können dabei verschiedene elektronische Komponenten oder auch in einer elektronischen Komponente kombiniert sein.It is advantageous if each main switch comprises a switching element and a diode connected in parallel to the switching element. The diode can be a discrete component but also an intrinsic diode of the switching element, for example a body diode of a MOSFET. The diode allows the flow of electrical current in the forward direction, while that allows in the switching direction and prevents electrical current flow in the switching direction when the main switch is open. The switching element and the diode can be different electronic components or can be combined in one electronic component.
Vorteilhaft ist es, wenn jeder Hauptschalter einen Transistor, insbesondere einen Leistungstransistor, und/oder einen Thyristor umfasst. Ein Transistor ist dabei ein elektrisch schaltbares Schaltelement und wird von der Steuereinheit geschaltet. Der Transistor kann dabei bauartbedingt auch die Diode umfassen. Ein Thyristor ist ebenfalls ein Halbleiterbauelement, kann eingeschaltet werden und schaltet sich selbst aus, wenn ein Mindeststrom unterschritten wird.It is advantageous if each main switch comprises a transistor, in particular a power transistor, and / or a thyristor. A transistor is an electrically switchable switching element and is switched by the control unit. Depending on the design, the transistor can also include the diode. A thyristor is also a semiconductor component, can be switched on and switches itself off if the current falls below a minimum.
Vorteilhafterweise umfasst jede Hilfsschalteranordnung zwei in Reihe geschaltete Hilfsschalter. Dabei ist jeder Hilfsschalter für elektrischen Stromfluss in eine Durchlassrichtung durchlässig und für elektrischen Stromfluss in eine der Durchlassrichtung entgegengesetzte Schaltrichtung schaltbar. Die Durchlassrichtungen der in Reihe geschalteten Hilfsschalter sind dabei einander entgegengesetzt, das heißt, wenn elektrischer Strom durch beide Hilfsschalter fließt, dann fließt er durch einen Hilfsschalter in Durchlassrichtung und durch den anderen Hilfsschalter in Schaltrichtung. Durch die genannte Hilfsschalteranordnung kann der elektrische Stromfluss in eine Richtung oder in die der einen Richtung entgegengesetzte Richtung erlaubt oder ganz unterbunden werden. Somit ist der elektrische Stromfluss durch die Klemmschaltung, insbesondere mittels der Steuereinheit, steuerbar.Each auxiliary switch arrangement advantageously comprises two auxiliary switches connected in series. Each auxiliary switch is permeable for electrical current flow in one forward direction and can be switched for electrical current flow in a switching direction opposite to the forward direction. The conduction directions of the auxiliary switches connected in series are opposite to one another, that is, when electrical current flows through both auxiliary switches, it flows through one auxiliary switch in the conduction direction and through the other auxiliary switch in the switching direction. By means of said auxiliary switch arrangement, the electrical current flow can be allowed or completely prevented in one direction or in the direction opposite to one direction. The electrical current flow through the clamping circuit can thus be controlled, in particular by means of the control unit.
Von Vorteil ist es, wenn die Resonanzinduktivität in Reihe mit der Hilfsschalteranordnung geschaltet ist. Die Resonanzinduktivität kann dabei zwischen den beiden Hilfsschaltern angeordnet sein. Ein erster Anschluss der Resonanzinduktivität ist also mit einem Anschluss des ersten Hilfsschalters und ein zweiter Anschluss der Resonanzinduktivität mit einem Anschluss des zweiten Hilfsschalters verbunden. Somit wird eine bevorzugte Lage der Bezugspotentiale der Hilfsschalter erreicht.It is advantageous if the resonance inductance is connected in series with the auxiliary switch arrangement. The resonance inductance can be arranged between the two auxiliary switches. A first connection of the resonance inductance is therefore connected to a connection of the first auxiliary switch and a second connection of the resonance inductance is connected to a connection of the second auxiliary switch. A preferred position of the reference potentials of the auxiliary switches is thus achieved.
Vorteilhaft ist es, wenn jeder Hilfsschalter ein Hilfsschaltelement und eine parallel zum Hilfsschaltelement geschaltete Hilfsdiode umfasst. Bei der Hilfsdiode kann es sich um ein diskretes Bauteil aber auch um eine intrinsische Diode des Hilfsschaltelements, beispielsweise eine Body-Diode eines MOSFETs, handeln. Die Hilfsdiode erlaubt dabei den elektrischen Stromfluss in Durchlassrichtung, während mittels des Hilfsschaltelements der elektrische Stromfluss in Schaltrichtung schaltbar ist. Das Schalten des Hilfsschaltelements erfolgt dabei vorzugsweise mittels der Steuereinheit. Besonders vorzugsweise umfasst dabei das Hilfsschaltelement einen Transistor und/oder einen Thyristor.It is advantageous if each auxiliary switch comprises an auxiliary switching element and an auxiliary diode connected in parallel to the auxiliary switching element. The auxiliary diode can be a discrete component but also an intrinsic diode of the auxiliary switching element, for example a body diode of a MOSFET. The auxiliary diode allows the electrical current to flow in the forward direction, while the electrical current flow can be switched in the switching direction by means of the auxiliary switching element. The auxiliary switching element is preferably switched by means of the control unit. The auxiliary switching element particularly preferably comprises a transistor and / or a thyristor.
Alternativ zu den beiden in Reihe geschalteten Hilfsschaltern kann die Hilfsschalteranordnung auch eine Zweirichtungs-Thyristortriode umfassen. Die Zweirichtungs-Thyristortriode kann dabei, vorzugsweise mittels der Steuereinheit, für elektrischen Stromfluss in eine Richtung oder in die der einen Richtung entgegengesetzte Richtung geschaltet werden.As an alternative to the two auxiliary switches connected in series, the auxiliary switch arrangement can also comprise a bidirectional thyristor triode. The bidirectional thyristor triode can be switched, preferably by means of the control unit, for electrical current flow in one direction or in the direction opposite to one direction.
Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Kapazität parallel zu einem der Hauptschalter geschaltet.The at least one capacitance is advantageously connected in parallel to one of the main switches.
Von Vorteil ist es, wenn die zumindest eine Kapazität zumindest eine intrinsische Kapazität des Hauptschalters umfasst. Bei der intrinsischen Kapazität kann es sich beispielsweise um eine Ausgangskapazität und/oder um eine parasitäre Kapazität handeln.It is advantageous if the at least one capacitance comprises at least one intrinsic capacitance of the main switch. The intrinsic capacitance can be, for example, an output capacitance and / or a parasitic capacitance.
Alternativ oder zusätzlich kann die zumindest eine Kapazität auch zumindest einen Snubber-Kondensator umfassen, der parallel zu einem der Hauptschalter geschaltet ist. Durch den Snubber-Kondensator können hochfrequente elektromagnetische Störungen reduziert, die Resonanzfrequenz verkleinert und die Spannungssteilheit am Hauptschalter reduziert werden.As an alternative or in addition, the at least one capacitance can also comprise at least one snubber capacitor, which is connected in parallel to one of the main switches. The snubber capacitor can reduce high-frequency electromagnetic interference, lower the resonance frequency and reduce the steepness of the voltage at the main switch.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters vorgeschlagen. Der Wechselrichter ist dabei gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet und wird mit Pulsweitenmodulation betrieben. Im Folgenden wird dabei lediglich eine Halbschwingung beschrieben, wobei die andere Halbschwingung analog dazu erfolgt.A method for operating an inverter is also proposed. The inverter is designed in accordance with the preceding description and is operated with pulse width modulation. In the following, only one half oscillation is described, with the other half oscillation taking place analogously.
Ausgangpunkt des Verfahrens ist ein Zustand a), bei dem ein elektrischer Strom durch einen ersten, mit einer negativen Elektrode einer Gleichspannungsquelle verbundenen, Hauptschalter einer ersten Halbbrücke in eine erste Phase fließt. Des Weiteren fließt der elektrische Strom aus einer zweiten Phase, die der ersten Phase gegenläufig ist, durch einen ersten, mit einer positiven Elektrode der Gleichspannungsquelle verbundenen, Hauptschalter einer zweiten Halbbrücke. Dabei ist es wichtig, dass der Betrag des in die erste Phase fließenden elektrischen Stroms gleich groß oder zumindest ungefähr gleich groß wie der Betrag des aus der zweiten Phase fließenden elektrischen Stroms ist.The starting point of the method is a state a) in which an electric current flows into a first phase through a first main switch of a first half bridge, which is connected to a negative electrode of a direct voltage source. Furthermore, the electrical current flows from a second phase, which is opposite to the first phase, through a first main switch of a second half-bridge, which is connected to a positive electrode of the DC voltage source. It is important here that the amount of the electric current flowing into the first phase is the same or at least approximately the same as the amount of the electric current flowing out of the second phase.
Um einen Schaltvorgang einzuleiten, wird b) eine Hilfsschalteranordnung einer zwischen Halbbrückenmittelpunkten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke angeordneten Klemmschaltung derart geschaltet, dass elektrischer Strom aus der zweiten Phase durch die Klemmschaltung in die erste Phase fließen kann. Das heißt, es wird ein Schalter geöffnet, der diesen elektrischen Stromfluss ermöglicht. Die Klemmschaltung umfasst dabei eine Resonanzinduktivität, so dass durch den elektrischen Stromfluss durch die Klemmschaltung auch elektrischer Strom durch die Resonanzinduktivität fließt, wodurch Energie gespeichert wird.To initiate a switching process, b) an auxiliary switch arrangement of a clamping circuit arranged between half-bridge centers of the first half-bridge and the second half-bridge is switched in such a way that electrical current can flow from the second phase through the clamping circuit into the first phase. This means that a switch is opened that enables this electrical current to flow. The clamping circuit comprises a resonance inductance, so that the electrical current flow through the clamping circuit also causes electrical current to flow through the resonance inductance, whereby energy is stored.
Nach einem Kommutieren des elektrischen Stroms auf die Klemmschaltung und einem Umladen von Kapazitäten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke wird c) ein zweiter Hauptschalter der ersten Halbbrücke und ein zweiter Hauptschalter der zweiten Halbbrücke eingeschaltet. Der zweite Hauptschalter der ersten Halbbrücke ist dabei mit der positiven Elektrode der Gleichspannungsquelle verbunden, während der zweite Hauptschalter der zweiten Halbbrücke mit der negativen Elektrode der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Das Einschalten des zweiten Hauptschalters der ersten Halbbrücke und des zweiten Hauptschalters der zweiten Halbbrücke erfolgt dabei weitgehend spannungsfrei und somit besonders verlustarm.After the electrical current has been commutated to the clamping circuit and capacitances in the first half-bridge and the second half-bridge have been reloaded, c) a second main switch of the first half-bridge and a second main switch of the second half-bridge are switched on. The second main switch of the first half bridge is connected to the positive electrode of the DC voltage source, while the second main switch of the second half bridge is connected to the negative electrode of the DC voltage source. The second main switch of the first half-bridge and the second main switch of the second half-bridge are switched on largely without voltage and therefore with particularly low losses.
Wenn der elektrische Stromfluss derart kommutiert ist, dass kein elektrischer Strom mehr durch die Klemmschaltung fließt, sperrt die Klemmschaltung weiteren elektrischen Stromfluss, da sie für elektrischen Stromfluss in der umgekehrten Richtung nicht leitend geschaltet ist. Nun wird auch d) die Hilfsschalteranordnung derart geschaltet, dass sie elektrischen Stromfluss durch die Hilfsschalteranordnung und damit durch die Klemmschaltung in beiden Richtungen sperrt. Dieses Schalten erfolgt dabei stromlos und somit verlustarm und kann mittels einer Steuereinheit, aber auch durch das Abschalten einer Zweirichtungs-Thyristortriode oder eines Thyristors erfolgen.When the electrical current flow is commutated in such a way that electrical current no longer flows through the clamping circuit, the clamping circuit blocks further electrical current flow, since it is not switched to be conductive for electrical current flow in the reverse direction. Now also d) the auxiliary switch arrangement is switched in such a way that it blocks electrical current flow through the auxiliary switch arrangement and thus through the clamping circuit in both directions. This switching takes place without current and thus with little loss and can take place by means of a control unit, but also by switching off a bidirectional thyristor triode or a thyristor.
Nach einer durch die Pulsweitenmodulation vorgegebene Zeit werden e) der zweite Hauptschalter der ersten Halbbrücke und der zweite Hauptschalter der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet. Daraufhin erfolgt eine Kommutierung des elektrischen Stromflusses zurück zum Ausgangszustand a).After a time specified by the pulse width modulation, e) the second main switch of the first half bridge and the second main switch of the second half bridge are switched off. This is followed by a commutation of the electrical current flow back to the initial state a).
Nach einer weiteren durch die Pulsweitenmodulation vorgegebenen Zeit wird f) das Verfahren ab Schritt b) wiederholt. Dieses Wiederholen erfolgt dabei so lange, bis eine erste Halbschwingung abgeschlossen ist. Für eine zweite Halbschwingung erfolgt das Verfahren analog zu dem oben beschriebenen, wobei sich die Stromrichtung in den Phasen umkehrt und jeweils anstatt der ersten Hauptschalter der Halbbrücken die zweiten Hauptschalter der Halbbrücken und umgekehrt geschaltet werden.After a further time predetermined by the pulse width modulation, f) the method from step b) is repeated. This repetition takes place until a first half-oscillation is completed. For a second half oscillation, the method is analogous to that described above, with the current direction reversing in the phases and the second main switches of the half bridges and vice versa being switched in each case instead of the first main switch of the half bridges.
Vorteilhafterweise fließt bei der ersten Halbschwingung in Schritt a) der elektrische Strom in Durchlassrichtung durch den ersten Hauptschalter der ersten Halbbrücke und in Durchlassrichtung durch den ersten Hauptschalter der zweiten Halbbrücke.In the case of the first half oscillation in step a), the electrical current advantageously flows in the forward direction through the first main switch of the first half bridge and in the forward direction through the first main switch of the second half bridge.
Von Vorteil ist es, wenn nach Schritt b) der elektrische Stromfluss derart kommutiert, dass der gesamte elektrische Strom aus der zweiten Phase durch die Klemmschaltung in die erste Phase fließt. Dies wird als Schritt b1) bezeichnet. Die Dauer dieses Kommutierens ist unter anderem durch die Resonanzinduktivität bestimmt.It is advantageous if, after step b), the electrical current flow commutates in such a way that the entire electrical current flows from the second phase through the clamping circuit into the first phase. This is referred to as step b1). The duration of this commutation is determined, among other things, by the resonance inductance.
Vorteilhaft ist es auch, wenn vor Schritt c) die Resonanzinduktivität der Klemmschaltung mit Kapazitäten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke in Resonanz geht, so, dass die Kapazitäten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke umgeladen werden. Dies ermöglicht das weitgehend spannungsfreie Schalten der Hauptschalter in Schritt c). Bei den Kapazitäten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke kann es sich dabei um intrinsische Kapazitäten der Hauptschalter, beispielsweise um Ausgangskapazitäten und/oder parasitäre Kapazitäten, oder auch um Snubber-Kondensatoren, die parallel zu den Hauptschaltern geschaltet sind, handeln.It is also advantageous if, before step c), the resonance inductance of the clamping circuit goes into resonance with the capacitances of the first half-bridge and the second half-bridge, so that the capacitances of the first half-bridge and the second half-bridge are reloaded. This enables the main switch to be switched largely voltage-free in step c). The capacitances of the first half-bridge and the second half-bridge can be intrinsic capacitances of the main switches, for example output capacitances and / or parasitic capacitances, or snubber capacitors connected in parallel to the main switches.
Vorteilhafterweise kommutiert der elektrische Stromfluss nach Schritt c) derart, dass der elektrische Strom in Schaltrichtung durch den zweiten Hauptschalter der ersten Halbbrücke in die erste Phase und aus der zweiten Phase in Schaltrichtung durch den zweiten Hauptschalter der zweiten Halbbrücke fließt. Die in der Resonanzinduktivität der Klemmschaltung gespeicherte Energie wird somit wieder abgegeben und der elektrische Stromfluss durch die Klemmschaltung verschwindet, so dass das Schalten der Hilfsschalteranordnung in Schritt d) stromfrei, und damit besonders verlustarm, erfolgen kann.Advantageously, the electrical current flow commutates after step c) in such a way that the electrical current in the switching direction through the second main switch of the first half bridge into the first phase and flows from the second phase in the switching direction through the second main switch of the second half-bridge. The energy stored in the resonance inductance of the clamping circuit is thus released again and the electrical current flow through the clamping circuit disappears, so that the switching of the auxiliary switch arrangement in step d) can take place without current, and thus with particularly low losses.
Von Vorteil ist es, wenn nach Schritt e) die Kapazitäten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke umgeladen werden und der elektrische Stromfluss derart kommutiert, dass der elektrische Strom durch den ersten Hauptschalter der ersten Halbbrücke in die erste Phase und aus der zweiten Phase durch den ersten Hauptschalter der zweiten Halbbrücke fließt. Dieser Schritt wird mit e1) bezeichnet. Dieses Umladen der Kapazitäten und Kommutieren des elektrischen Stromflusses verläuft dabei natürlich durch die im Stromkreis vorhandenen Stromflüsse.It is advantageous if, after step e), the capacitances of the first half-bridge and the second half-bridge are recharged and the electrical current flow commutates in such a way that the electrical current through the first main switch of the first half-bridge into the first phase and from the second phase through the first main switch of the second half bridge flows. This step is referred to as e1). This reloading of the capacities and commutation of the electrical current flow naturally takes place through the current flows in the circuit.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste Hauptschalter der ersten Halbbrücke und der erste Hauptschalter der zweiten Halbbrücke nach Schritt e1) eingeschaltet werden und nach Schritt b1) ausgeschaltet werden. Damit werden die Leitverluste in den Hauptschaltern verringert.It is advantageous if the first main switch of the first half bridge and the first main switch of the second half bridge are switched on after step e1) and switched off after step b1). This reduces the conduction losses in the main switches.
Vorteilhafterweise wird bei Schritt e) zusätzlich die Hilfsschalteranordnung derart geschaltet, dass elektrischer Strom vom Halbbrückenmittelpunkt der ersten Halbbrücke über die Klemmschaltung zum Halbbrückenmittelpunkt der zweiten Halbbrücke fließen kann, bei Schritt e1) die Kapazitäten der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke mit der Resonanzinduktivität der Klemmschaltung in Resonanz gehen und nach Schritt e1) die Hilfsschalteranordnung derart geschaltet wird, dass sie elektrischen Stromfluss durch die Hilfsschalteranordnung sperrt. Das Umladen der Kapazitäten der Halbbrücken wird hierdurch beschleunigt, insbesondere bei kleinen elektrischen Strömen aus und in die Phasen.Advantageously, in step e), the auxiliary switch arrangement is additionally switched in such a way that electrical current can flow from the half-bridge center point of the first half-bridge via the clamping circuit to the half-bridge center point of the second half-bridge; Go resonance and after step e1) the auxiliary switch arrangement is switched in such a way that it blocks electrical current flow through the auxiliary switch arrangement. This accelerates the reloading of the capacities of the half bridges, especially in the case of small electrical currents from and into the phases.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt einen Schaltplan eines Wechselrichters,1 shows a circuit diagram of an inverter, -
2 zeigt einen Schaltplan eines Wechselrichters mit angeschlossenem Elektromotor,2 shows a circuit diagram of an inverter with a connected electric motor, -
3 zeigt einen Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wechselrichters und3 shows a circuit diagram of a further embodiment of an inverter and -
4a -4d zeigen zeitliche Verläufe von Schalterstellungen, elektrischen Spannungen und elektrischen Strömen.4a -4d show the chronological sequence of switch positions, electrical voltages and electrical currents.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersichtlichkeit halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind.Identical reference symbols are used in the figures for elements of the invention that are the same or have the same effect. Furthermore, for the sake of clarity, only reference symbols are shown in the individual figures that are necessary for the description of the respective figure.
Jede Halbbrücke
Des Weiteren umfasst der Wechselrichter 2N Klemmschaltungen
Lediglich schematisch angedeutet ist eine Steuereinheit
Die Hilfsschalteranordnung
Jeder Hilfsschalter
Alternativ zu den beiden Hilfsschaltern
Des Weiteren sind parallel zu jeweils einem Hauptschalter
Zunächst (Zustand a)) fließt ein elektrischer Strom durch den ersten Hauptschalter 4.1 der ersten Halbbrücke
Nun (Schritt b)) wird die Hilfsschalteranordnung
Wenn der elektrische Strom vollständig von den Halbbrücken
Nun (Schritt c)) werden ein zweiter Hauptschalter 4.2 der ersten Halbbrücke
Es folgt ein weiteres Kommutieren des elektrischen Stromflusses (Schritt c1)), so dass der elektrische Strom in Schaltrichtung
Nach einer durch die Pulsweitenmodulation vorgegebenen Zeit werden der zweite Hauptschalter 4.2 der ersten Halbbrücke
Für die Zeit, in der der erste Hauptschalter 4.1 der ersten Halbbrücke
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine beliebige Kombination der beschriebenen Merkmale, auch wenn sie in unterschiedlichen Teilen der Beschreibung bzw. den Ansprüchen oder in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.The present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments. Modifications within the scope of the patent claims are just as possible as any combination of the features described, even if they are shown and described in different parts of the description or the claims or in different exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- GleichspannungsquelleDC voltage source
- 1.11.1
- positive Elektrodepositive electrode
- 1.21.2
- negative Elektrodenegative electrode
- 22
- WechselrichterInverter
- 33
- HalbbrückeHalf bridge
- 3.13.1
- erste Halbbrückefirst half bridge
- 3.23.2
- zweite Halbbrückesecond half bridge
- 44th
- HauptschalterMain switch
- 55
- HalbbrückenmittelpunktHalf-bridge center
- 66th
- Phasephase
- 6.16.1
- erste Phasefirst phase
- 6.26.2
- zweite Phasesecond phase
- 77th
- KlemmschaltungClamping circuit
- 88th
- ResonanzinduktivitätResonance inductance
- 99
- HilfsschalteranordnungAuxiliary switch arrangement
- 1010
- SteuereinheitControl unit
- 1111
- ElektromotorElectric motor
- 1212th
- SchaltelementSwitching element
- 1313th
- Diodediode
- 1414th
- HilfsschalterAuxiliary switch
- 1515th
- HilfsschaltelementAuxiliary switching element
- 1616
- HilfsdiodeAuxiliary diode
- 1717th
- Snubber-KondensatorSnubber capacitor
- DD.
- DurchlassrichtungForward direction
- SS.
- SchaltrichtungSwitching direction
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019135718.7A DE102019135718A1 (en) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | Inverter and method for operating an inverter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019135718.7A DE102019135718A1 (en) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | Inverter and method for operating an inverter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019135718A1 true DE102019135718A1 (en) | 2021-06-24 |
Family
ID=76206375
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019135718.7A Pending DE102019135718A1 (en) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | Inverter and method for operating an inverter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019135718A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022207036A1 (en) | 2022-07-11 | 2024-01-11 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Körperschaft des öffentlichen Rechts | Method for controlling and switching arrangement for a multi-phase two-point inverter and multi-phase two-point inverter |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5642273A (en) * | 1994-09-30 | 1997-06-24 | Martin Marietta Energy Systems, Inc. | Resonant snubber inverter |
US20120057387A1 (en) * | 2010-08-10 | 2012-03-08 | Jih-Sheng Lai | Hybrid switch for resonant power converters |
-
2019
- 2019-12-23 DE DE102019135718.7A patent/DE102019135718A1/en active Pending
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