DE102020201810A1

DE102020201810A1 - Stromrichter-Schaltung

Info

Publication number: DE102020201810A1
Application number: DE102020201810.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian Döbler; Christopher Fromme; Dominic Malane; Marvin Tannhäuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2040-02-14
Also published as: WO2021160529A1; DE102020201810B4

Abstract

Es wird eine Stromrichter-Schaltung für ein- oder mehrphasige Anwendungen mit nativ sinusförmigem Wechselspannungsausgang angegeben. Die Schaltung umfasst parallel zum geteilten Zwischenkreis einen oder mehrere zueinander parallele Arme mit jeweils einer ersten Schaltung, einer zweiten Schaltung und einer zwischen erste und zweite Schaltung geschalteten Filterschaltung, wobei die erste Schaltung zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken umfasst, die Filterschaltung eine Serienschaltung mit einer ersten Filter-Induktivität, wenigstens einem Filterkondensator und einer zweiten Filterinduktivität umfasst, die parallel zu den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken des jeweiligen Arms geschaltet ist und die zweite Schaltung eine oder zwei parallele zweite Halbbrücken aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen Stromrichter für ein- und dreiphasige Systeme.
Eine solche Schaltung kommt beispielsweise in einem Wechselrichter für die Verwendung in der Photovoltaik zum Einsatz. Andere Einsatzfelder für Stromrichter sind beispielsweise elektrische Maschinen, Generatoren, Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge für den Schienenverkehr und auch Ladesäulen für Elektrofahrzeuge. Weiterhin werden Stromrichter in Energiespeicheranwendungen, beispielsweise im Umfeld erneuerbarer Energien verwendet oder bei Hilfsspannungsversorgungen und in Netzteilen.
Als Stromrichter wird hier eine Anordnung zur Umwandlung einer elektrischen Stromart in eine andere bezeichnet. Ein derartiger Stromrichter kommt bevorzugt bei der Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems, beispielsweise mit einer Gleichspannung von 450 V, mit einem dreiphasigen Wechselspannungssystem, beispielsweise mit einer Sternspannung von 230 V, zum Einsatz, wobei je nach Leistungsflussrichtung der Stromrichter als Wechselrichter oder als Gleichrichter betrieben wird. Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Gleichspannung in Wechselspannung konvertiert. Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Wechselspannung in Gleichspannung konvertiert. Der Stromrichter kann hier sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter verwendet werden. Das dreiphasige Wechselspannungssystem umfasst drei einzelne Wechselspannungen mit vom Prinzip her gleicher Frequenz und Amplitude, die gegeneinander phasenverschoben sind um 120° bzw. 240°.
Aus der EP 2 136 465 A1 ist ein einphasiger Wechselrichter zur Einspeisung einer Leistung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere eines Photovoltaikgenerators, in ein Wechselspannungsnetz mit einer asymmetrisch getakteten Brückenschaltung mit mindestens zwei mit Netzfrequenz getakteten ersten Schaltern und mit mindestens zwei mit einer höheren Taktfrequenz getakteten zweiten Schaltern bekannt.
In der WO 2016/146171 A1 wird eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme vorgeschlagen, welche einen 3-Punkt-Stromrichter und einen nachgeschalteten 2-Punkt-Stromrichter aufweist.
Aus der EP 2 306 629 A1 ist eine 5-Punkt-Stromrichter-Schaltung für dreiphasige Systeme bekannt, die drei Halbbrücken sowie einen AC-Schalter kombiniert.
Aus der DE 10 2012 020036 A1 ist eine Stromrichter-Schaltung mit zwei funktional gekoppelten Wechselschaltern und einer Kommutierungszelle bekannt.
Aus der DE 10 2016 224312 A1 und der DE 10 2016 224310 A1 sind Stromrichter-Schaltungen bekannt mit einem geteilten Zwischenkreis mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren, zwischen denen ein Zwischenkreismittelpunkt gebildet ist, parallel zum Zwischenkreis einen oder mehrere zueinander parallele Arme mit jeweils einer ersten, zweiten und FilterSchaltung, wobei die erste Schaltung zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken umfasst, deren Verbindungspunkt mit dem Zwischenkreismittelpunkt verbunden ist, die Filterschaltung eine Serienschaltung mit einer ersten Filter-Induktivität, wenigstens einem Filterkondensator und einer zweiten Filterinduktivität umfasst, die parallel zu den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken des jeweiligen Arms geschaltet ist, die zweite Schaltung jedes Arms eine oder zwei parallele zweite Halbbrücken aufweist, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge bilden und die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken parallel zum Filterkondensator geschaltet sind.
Nachteilig an den bekannten Schaltungen ist, dass es bei bestimmten Arbeitspunkten, nämlich nahe der Schaltvorgänge der zweiten Halbbrücken zu erhöhten Störungen des Ausgangsstroms kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichter-Schaltung anzugeben, bei der der genannte Nachteil vermindert oder behoben ist. Diese Aufgabe wird durch eine Stromrichter-Schaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Stromrichter-Schaltung umfasst einen geteilten Zwischenkreis mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren, zwischen denen ein Zwischenkreismittelpunkt gebildet ist. Parallel zum Zwischenkreis weist die Stromrichter-Schaltung einen Arm oder mehrere zueinander parallele Arme auf, wobei die Arme jeweils eine erste Schaltung, eine zweite Schaltung und eine Filterschaltung umfassen.
Die erste Schaltung umfasst zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken, deren Verbindungspunkt mit dem Zwischenkreismittelpunkt verbunden ist. Die Filterschaltung umfasst eine Serienschaltung mit einer ersten Filter-Induktivität, wenigstens einem Filterkondensator und einer zweiten Filterinduktivität, die parallel zu den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken des jeweiligen Arms geschaltet ist. Die zweite Schaltung jedes Arms weist eine zweite Halbbrücke oder zwei parallele zweite Halbbrücken auf, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge bilden, wobei die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken parallel zum Filterkondensator geschaltet sind.
Schließlich umfasst die Stromrichter-Schaltung eine parallel zu den Filterkondensatoren geschaltete Serienschaltung zweier Halbleiterbauelemente.
Die Halbleiterbauelemente sind jeweils entweder eine Diode oder ein steuerbarer Halbleiterschalter. Im Falle der Diode ist die Schleusenspannung der Diode geringer als die Einsatzspannung des rückwärts leitenden Elements der Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücken. Sind diese Leistungshalbleiter MOSFETs, ist das rückwärts leitende Element die Bodydiode des MOSFETs. Sind diese Leistungshalbleiter IGBTs, haben diese in der Regel eine extra parallel geschaltete Diode; dann ist diese Diode das rückwärts leitende Element. Handelt es sich um GaN HEMTs, sind diese intrinsisch rückwärts leitfähig mit einem Spannungsabfall, der dann die Einsatzspannung für die Rückwärtsleitung darstellt.
Die Stromrichter-Schaltung und das Verfahren der Erfindung kommen vorzugsweise bei Netzanwendungen, beispielsweise Photovoltaik und Energiespeicher-Anwendungen sowie in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Fahrzeugen für den Schienenverkehr zum Einsatz. Weitere Einsatzgebiete sind Hilfsspannungsversorgungen und Netzteile. Die Schaltung kann durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie bidirektional, das heißt je nach Leistungsfluss als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter, betrieben werden.
Die Erfindung schafft eine Stromrichter-Schaltung mit einer nativ sinusförmigen Ausgangsspannung, die ohne Weiteres für eine Parallelschaltung mit weiteren, beispielsweise gleichartigen Stromrichter-Schaltungen geeignet ist. Dadurch ist der mit der Schaltung erreichbare Leistungsbereich - bei Beibehaltung der verwendeten Bauteile - deutlich erweitert.
Vorteilhaft sind bei der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung durch die Dioden oder steuerbaren Leistungshalbleiter spezielle Freilaufpfade geschaffen, die das eingangs genannte Problem von erhöhten Störungen des Ausgangsstroms an bestimmten Arbeitspunkten vermindern.
Dafür wurde erkannt, dass die Störungen des Ausgangsstroms bei der Umschaltung der Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücke auftreten. Die Störungen werden teilweise dadurch bewirkt, dass der Ausgangsstrom der Schaltung, der einen positiven oder negativen Wert wie beispielsweise 3 A hat, also nicht Null oder nahe Null ist, zum Zeitpunkt der Umschaltung von einer der Filterinduktivitäten zur anderen kommutiert werden muss. Die Abschaltung des Stroms in einer der Filterinduktivitäten funktioniert nicht schlagartig. Stattdessen werden resonante Schwingungen im System aus der Filterinduktivität und den jeweils nächstliegenden Kondensatoren wie dem Filterkondensator oder den Filterkondensatoren angeregt. Diese Schwingungen führen dazu, dass für einen Teil der Zeit die rückwärts leitenden Elemente der Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücke leitend werden. Dadurch wiederum wird der Ausgangsstrom der Stromrichter-Schaltung direkt beeinflusst.
Die Auswirkungen sind in der Simulation gemäß 1 dargestellt. Zum Umschaltzeitpunkt t_u bei t ≈ 20 µs fällt der Strom I_L1 einer Filterinduktivität im abgeschalteten Zweig ab und der Strom I_L2 durch die Filterinduktivität im eingeschalteten Zweig beginnt zu steigen. In einer idealen Situation würde der Ausgangsstrom Iout der Stromrichter-Schaltung, der hier 3 A beträgt, zum Zeitpunkt der Umschaltung ohne Verzögerung von der Filterinduktivität im eingeschalteten Zweig übernommen, wodurch der Strom durch die Filterinduktivität im abgeschalteten Zweig auf 0 A fallen würde. Das reale Verhalten der Induktivitäten bedingt aber, dass der Strom I_L1 durch die Filterinduktivität im abgeschalteten Zweig absinkt und dann überschwingt bis zu einem Wert von etwa -2,8 A. Auch der Strom I_L2 schwingt über bis zu einem Stromwert von etwa 6,2 A. Beide Ströme schwingen in der Folgezeit für einen Zeitraum im ms-Bereich und lösen eine komplexe überlagerte Schwingung im Ausgangsstrom Iout der Stromrichter-Schaltung aus.
Aufgrund der Spannungsverhältnisse ist es nicht möglich, zur Verminderung der Schwingungen einen klassischen Freilaufpfad aufzubauen, der einen Stromfluss in derjenigen Stromrichtung zulässt, die für die Abschaltung der Filterinduktivitäten geeignet ist. Für die Erfindung wurde erkannt, dass ein Pfad für den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung zur Verfügung gestellt werden kann. Durch die resonante Schwingung zwischen einer Filterinduktivität und den jeweils nächstliegenden Kondensatoren, wechselt der Strom durch die Filterinduktivität sein Vorzeichen und kann dann über diesen Freilaufpfad abgebaut werden. Da dieser Freilaufpfad eine Verbindung zum Zwischenkreis herstellt, wird dadurch der Einfluss auf den Ausgangsstrom nahezu völlig vermieden.
Werden als Halbleiterbauelemente Dioden verwendet, dann haben diese eine kleinere Schleusenspannung als die rückwärts leitenden Elemente der Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücke. Wie bereits beschrieben, hängt es vom Typ des Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke ab, welches Element das rückwärts leitende Element ist und es kann sich um eine Bodydiode, eine extern dazugeschaltete Diode oder eine intrinsische Rückwärtsleitung handeln. Dadurch wird sichergestellt, dass der Stromfluss nahezu vollständig über die Halbleiterbauelemente läuft, also den Freilaufpfad und nicht die rückwärts leitenden Elemente der Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücke. Beim Einsatz von unipolaren, steuerbaren Halbleitern, wie FETs, ergibt sich diese Problematik nicht, da ihre Leitspannung in der Regel sehr viel geringer ist als die von bipolaren Halbleitern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 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 die Stromrichter-Schaltung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

- Bei den steuerbaren Halbleiterschaltern kann es sich um FETs (Feldeffekt-Transistor) oder Thyristoren kleiner Leistung handeln.
- Die Filterschaltung kann einen zusätzlichen, also insgesamt zwei Filterkondensatoren umfassen, deren Verbindungpunkt mit dem Zwischenkreismittelpunkt verbunden ist.
- Die Filterschaltung kann zwei weitere Filterkondensatoren umfassen. Von diesen ist ein erster parallel zu der Serie aus einem oberen Leistungshalbleiter einer oberen der ersten Halbbrücken und der ersten Filterinduktivität geschaltet. Der zweite ist parallel zu der Serie aus einem unterem Leistungshalbleiter einer unteren der ersten Halbbrücken und der zweiten Filterinduktivität geschaltet.

- Die Stromrichter-Schaltung kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die derart ausgestaltet ist, dass die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen mit einer Taktung mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich betrieben werden. Durch eine Betriebsweise, in der nur die Leistungshalbleiter der ersten Halbbrücken hochfrequent betrieben werden, hat die Stromrichter-Schaltung eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit, da die hochfrequenten Spannungen auf den kurzen Leiterbereich zwischen den ersten Halbbrücken und den Filterinduktivitäten beschränkt bleiben.
- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, innerhalb eines Arms vor einem Einschalten eines unteren Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke einen unteren Leistungshalbleiter einer unteren der ersten Halbbrücken für eine erste Zeitspanne einzuschalten und nach Ablauf der ersten Zeitspanne den unteren Leistungshalbleiter der unteren ersten Halbbrücke abzuschalten. Mit anderen Worten wird noch vor dem Einschalten des unteren Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke der untere Leistungshalbleiter der ersten Halbbrücke eingeschaltet und später, aber ebenfalls noch vor dem Einschalten des unteren Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke wieder abgeschaltet.

Dabei liegt der Zeitpunkt, zu dem dieser Leistungshalbleiter wieder abgeschaltet wird, bevorzugt eine zweite Zeitspanne vor dem Einschalten des unteren Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke. Der Zeitpunkt, zu dem der untere Leistungshalbleiter der unteren ersten Halbbrücke eingeschaltet wird, liegt also um die erste plus die zweite Zeitspanne vor dem Einschalten des unteren Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke.
Es wurde erkannt, dass neben dem Ausschaltvorgang, in dem die Filterinduktivitäten ihren Strom verlieren sollen, auch die Einschaltvorgänge, bei dem die Filterinduktivitäten mit einem ansteigenden Strombetrag beaufschlagt werden, zu Störungen des Ausgangsstroms der Stromrichter-Schaltung führen.
Durch das vorgezogene kurze Einschalten des Leistungshalbleiters der ersten Halbbrücke wird vorteilhaft erreicht, dass vor dem Zeitpunkt, zu dem die zweite Filterinduktivität den Ausgangsstrom führen müsste, ein Stromfluss durch diese Induktivität bewirkt wird. Der bewirkte Stromfluss ist durch die Spannungsverhältnisse aber auf einen Stromfluss in der entgegengesetzten Richtung beschränkt. Solange der Zeitpunkt der Umschaltung des Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke noch nicht erreicht ist, wird aber nach Abschaltung des Leistungshalbleiters der ersten Halbbrücke eine resonante Schwingung ausgelöst. Diese führt bei geeigneter Wahl von erster und zweiter Zeitspanne genau beim Zeitpunkt der Umschaltung des Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücke zu einem passenden, d.h. dem Ausgangsstrom der Schaltung entsprechenden, Stromfluss durch die zweite Filterinduktivität. Dadurch werden die Schwingungen, die nach dem Umschalten auftreten, vermieden. Da die vorab induzierten resonanten Schwingungen nur auf den Zwischenkreis wirken, werden so Störungen des Ausgangsstroms deutlich verringert.
Die Steuereinrichtung kann ferner ausgestaltet sein, in analoger Weise innerhalb eines Arms vor einem Einschalten eines oberen Leistungshalbleiters der zweiten Halbbrücke einen oberen Leistungshalbleiter einer oberen der ersten Halbbrücken einzuschalten und nach Ablauf der ersten Zeitspanne den oberen Leistungshalbleiter der ersten Halbbrücke abzuschalten. So wird ein verbessertes Einschalten auch bei der ersten, also oberen Filterinduktivität erreicht.
Die Steuereinrichtung kann weiterhin ausgestaltet sein, nach Ablauf der zweiten Zeitspanne den oberen Leistungshalbleiter der unteren ersten Halbbrücke einzuschalten. Zweckmäßig wird das gemacht, wenn zu dieser Zeit der untere Leistungshalbleiter der unteren ersten Halbbrücke abgeschaltet wird, wenn also mit anderen Worten die zweite, also untere, Filterinduktivität mit Strom beaufschlagt werden soll.
Analog kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, nach Ablauf der zweiten Zeitspanne den unteren Leistungshalbleiter der oberen ersten Halbbrücke einzuschalten; zweckmäßig wird das gemacht, wenn zu dieser Zeit der obere Leistungshalbleiter der oberen ersten Halbbrücke abgeschaltet wird, wenn also mit anderen Worten die erste, also obere, Filterinduktivität mit Strom beaufschlagt werden soll.
Bevorzugt ist die zweite Zeitspanne gleich einer halben Periodendauer einer resonanten Schwingung von der ersten oder zweiten Filterinduktivität und den jeweils direkt angeschlossenen Filterkondensatoren. Damit wird dem Strom erlaubt, auf die passende Höhe, also die des Ausgangsstroms, zu schwingen.

- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, als erste Zeitspanne eine Zeitspanne der Größe $t_{1} = L \cdot \frac{I_{o u t}}{V_{D C}}$
zu verwenden. Dabei bezeichnet L die Induktivität der ersten, also oberen, Filterinduktivität. Diese stimmt zweckmäßig mit der Induktivität der unteren, also zweiten Filterinduktivität überein. Iout ist der der Ausgangsstrom der Stromrichter-Schaltung. Idealerweise wird dabei der Ausgangsstrom verwendet, der zum Zeitpunkt der Umschaltung der Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücken vorliegt. Da sich der Ausgangsstrom aber im Zeitrahmen der ersten und zweiten Zeitspanne nur sehr geringfügig ändert, kommt es auf die genaue zeitliche Lage nicht an. V_DC bezeichnet die treibende Spannung, also die halbe Zwischenkreisspannung.
- Die Steuereinrichtung kann weiterhin ausgestaltet sein, als zweite Zeitspanne eine Zeitspanne der Größe $t_{2} = π \cdot \sqrt{L \cdot C}$
zu verwenden. C bezeichnet dabei die Kapazität der an der Schwingung beteiligten Kapazitäten. Dies sind zumindest der Filterkondensator oder im Falle mehrerer Filterkondensatoren der oder die jeweils nächstliegenden Filterkondensatoren.
- Soll die Stromrichter-Schaltung in einem einphasigen System verwendet werden, umfasst sie zweckmäßig genau einen Arm und zwei parallel geschaltete zweiten Halbbrücken, deren Mittelpunkte die Wechselspannungsausgänge bilden.
- Soll die Stromrichter-Schaltung in einem dreiphasigen System verwendet werden, umfasst sie zweckmäßig drei parallel geschaltete Arme, die jeweils einer Phase zugeordnet sind und genau eine zweite Halbbrücke in jedem der Arme, deren Mittelpunkt den Wechselspannungsausgang zur jeweiligen Phase bildet.
- Die beiden in Serie geschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises, an denen die Zwischenkreisspannung, beispielsweise 400 V, abfällt, können jeweils auch aus mehreren, beispielsweise in Serie oder parallel geschalteten Kondensatoren, bestehen. Dies kann notwendig sein wenn es keinen Kondensator gibt, der für den geforderten Strom und/oder die geforderte Spannung spezifiziert ist.
- Die Kondensatoren können gleiche Kapazitätswerte aufweisen. Der durch die Verwendung von gleichen Kapazitätswerten symmetrisch geteilte Zwischenkreis teilt die Zwischenkreisspannung um den Mittelpunkt symmetrisch. Daher können in den ersten Halbbrücken die gleichen Leistungshalbleiter verwendet werden, welche gleichmäßig und optimal ausgesteuert werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung und reduziert die Komplexität.
- Die ersten Schaltungen können Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind. Die zweiten Schaltungen können Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Taktung mit einer tieferen Grundfrequenz vorgesehen sind. Während die Modulationsfrequenz der Wechselspannung beispielsweise im Bereich von mehreren kHz bis zu mehreren MHz liegt, liegt die Grundfrequenz beispielsweise bei 50 Hz. Da die Leistungshalbleiter für unterschiedliche Aufgaben bei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Stromrichter-Schaltung vorgesehen sind, erlaubt die angegebene Schaltungstopologie eine Verwendung von angepassten Leistungshalbleitern. Dies ist vorteilhaft, weil sich durch die Verwendung an die Aufgabe angepasster Leistungshalbleiter der Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung erhöht.
- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltungen können hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen können hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein. Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Leistungshalbleitern auftreten. Dabei spielen die Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten und mit der verwendeten Schaltfrequenz ansteigen, sowie die Durchlassverluste, die im leitenden Zustand des Schalters auftreten, eine Rolle. Die Leistungshalbleiter wie beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder GaN-HEMT-Schalter weisen bezüglich der Schaltverluste und Durchlassverluste verschiedene Eigenschaften auf. Darüber hinaus gibt es auch innerhalb jedes Typs von Leistungshalbleiter verschiedene Ausprägungen, die sich bezüglich der genannten Eigenschaften unterscheiden. Dabei ist typischerweise eine Optimierung der Schaltverluste nicht gleichzeitig mit einer Optimierung der Durchlassverluste zu erreichen, vielmehr stehen die Ziele im Widerstreit miteinander. Bei bekannten Topologien ist die Auswahl der Leistungshalbleiter daher ein Kompromiss. Hingegen können bei der Stromrichter-Schaltung vorteilhaft die schnell schaltenden Leistungshalbleiter der ersten Schaltungen, die für die Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein, während die vergleichsweise langsam schaltenden Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen, die für eine Taktung mit einer Grundfrequenz vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein können. Damit ist trotz des Konflikts zwischen Schaltverlusten und Durchlassverlusten eine optimale Auswahl der Leistungshalbleiter möglich, die bei anderen Topologien nicht getroffen werden kann.
- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltungen können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der ganzen Zwischenkreisspannung entspricht. Dies wird durch die Schaltungstopologie mit dem geteilten Zwischenkreis ermöglicht, welcher als ein kapazitiver Spannungsteiler wirkt und bei bevorzugt gleichen Kapazitätswerten die Zwischenkreisspannung um den Mittelpunkt symmetrisch teilt. Bei gegebener Schaltfrequenz erzeugen Leistungshalbleiter, die eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen und daher zum Schalten höherer Spannungen geeignet sind, signifikant höhere Schaltverluste als Leistungshalbleiter, welche eine geringere Spannungsfestigkeit aufweisen. Die angegebene Schaltungstopologie erlaubt es, dass die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung nur eine Spannungsfestigkeit aufweisen müssen, welche der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Da so die angepassten Leistungshalbleiter jeweils optimal eingesetzt werden, ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung.
- Als Leistungshalbleiter der ersten Schaltungen kommen bevorzugt GaN-Schalter zum Einsatz. Diese erlauben sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und ermöglichen es daher, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.
- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltungen können mit einer Frequenz von mehr als 100 kHz, insbesondere einer Frequenz von mehr als 300 kHz, angesteuert werden. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht es, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.
- Der erste Kondensator und die oberen ersten Halbbrücken können als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sein; der zweite Kondensator und die unteren ersten Halbbrücken können als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet sein. Als Kommutierung bezeichnet man in der Leistungselektronik den Vorgang, bei dem ein Stromfluss von einem Zweig zum anderen übergeht. In der vorliegenden Ausführungsform findet die Kommutierung, beispielsweise im Betrieb als Wechselrichter, vom ersten Kondensator zu den parallel dazu geschalteten ersten Halbbrücken und vom zweiten Kondensator zu den parallel dazu geschalteten zweiten Halbbrücken statt. Die Ausbildung einer Kommutierungszelle insbesondere durch eine niederinduktive Anordnung der Bauelemente ist vorteilhaft, da so ein sehr gutes Kommutierungsverhalten und Schaltverhalten erreicht wird, was die Effizienz der vorliegenden Schaltung erhöht.
- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltungen werden bevorzugt mit einer Pulsweiten-Modulation angesteuert und die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen mit einer tieferen Grundfrequenz umgepolt.
- Für die Pulsweiten-Modulation werden die ersten Halbbrücken zweckmäßig stets so geschaltet, dass einer der Leistungshalbleiter eingeschaltet ist, während der andere Leistungshalbleiter ausgeschaltet ist.
- Die Leistungshalbleiter innerhalb einer oder mehrerer der ersten Schaltungen können derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten. Mit anderen Worten passiert für eine oder mehrere der ersten Schaltungen ein Umschalten der Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken dieser ersten Schaltung gleichzeitig. Bevorzugt wird die synchrone Schaltung in allen drei Armen vorgenommen, d.h. die Arme verhalten sich gleichartig, wobei ein Leistungshalbleiter eines ersten und ein Leistungshalbleiter eines zweiten Arms meist nicht gleichzeitig schalten. In diesem Betriebsmodus wechselt die Spannung zwischen der ersten Schaltung und der Filterschaltung eines Arms daher stets zwischen dem vollen Wert der Zwischenkreisspannung und Null, d.h. einem Zusammenschluss des Mittelpunkts-Potentials. Dabei sind zu einer Zeit entweder die beiden äußeren Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken eingeschaltet oder die beiden inneren Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken eingeschaltet. Durch diesen Schaltbetrieb werden vorteilhaft Gleichtakt-Störungen der Stromrichter-Schaltung stark verringert. Besonders vorteilhaft ist, dass dieser Betriebsmodus, der von einphasigen Schaltungen her bekannt ist, nun auch bei einer dreiphasigen Schaltung mit ihren drei parallelen Armen verwendbar ist.
- Alternativ können Leistungshalbleiter einer oder mehrerer der ersten Schaltungen derart angesteuert werden, dass die Leistungshalbleiter der oberen ersten Halbbrücke eines Arms im Wechsel mit den Leistungshalbleitern der unteren ersten Halbbrücke dieses Arms schalten. Bei einer Ansteuerung der Leistungshalbleiter mittels Trägersignal kann das beispielsweise durch eine entsprechende Phasenverschiebung des Trägersignals für die untere erste Halbbrücke gegenüber der oberen ersten Halbbrücke erreicht werden. Die am Eingang der Filterschaltung anliegende Spannung wechselt in diesem Schaltmodus zwischen der vollen Zwischenkreisspannung, der halben Zwischenkreisspannung und Null. Die dadurch vorliegende Schaltfrequenz ist gegenüber der Schaltfrequenz bei synchronem Schalten der Halbbrücken verdoppelt. Dadurch kann die Baugröße der in der Filterschaltung verwendeten Filter-Induktivitäten verringert werden, da die Filterwirkung invers proportional mit der Frequenz des Signals zusammenhängt. Besonders vorteilhaft ist, dass dieser Betriebsmodus, der von einphasigen Schaltungen her bekannt ist, nun auch bei einer dreiphasigen Schaltung mit ihren drei parallelen Armen verwendbar ist. Das bei zwei parallelen Halbbrücken beispielsweise als diagonale Taktung bezeichnete Schaltkonzept ist nicht auf entsprechende dreiphasige Schaltungen wie den klassischen Brückenumrichter übertragbar. Die spezielle Topologie des erfindungsgemäßen Stromrichters erlaubt aber den beschriebenen Betriebsmodus und erlaubt somit, die Vorteile der Frequenzverdoppelung auch bei einer dreiphasigen Schaltung zu erreichen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 ein Diagramm mit simulierten Strom- und Spannungsverläufen für eine Stromrichter-Schaltung,
2 ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage,
3 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme,
4 bis 7 ein Zeitablaufdiagramm des Schaltzustands für verschiedene Halbbrücken der Stromrichter-Schaltung,
8 ein Zeitablaufdiagramm einer innerhalb der Stromrichter-Schaltung erzeugten Spannung,
9 ein weiteres Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage,
10 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für dreiphasige Systeme und
11 ein Diagramm mit simulierten Strom- und Spannungsverläufen für eine verbesserte Stromrichter-Schaltung.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage 10. Die Photovoltaik-Anlage 10 umfasst eine Reihe von Solarmodulen 11a, 11b, von denen hier der Übersicht wegen nur zwei dargestellt sind. Jedes der Solarmodule 11a, 11b ist über einen DC/DC-Wandler 12 mit MPP-Tracking mit einer Stromrichter-Schaltung 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden, die aus dem Gleichstrom des jeweiligen Solarmoduls 11a, 11b eine einphasige Wechselspannung erzeugt. Die einphasige Wechselspannung hat bevorzugt die Frequenz f_G des Versorgungsnetzwerks, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Die Wechselspannungsausgänge 25a, 25b der Stromrichter-Schaltungen 20 sind zueinander parallel geschaltet.
In 3 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 für einphasige Systeme dargestellt, wobei die Stromrichter-Schaltung 20 eine erste Schaltung 21, eine zweite Schaltung 22 und eine Filterschaltung 23 umfasst. Die Stromrichter-Schaltung 20 ist zwischen ein Gleichspannungssystem 1 und ein in 3 nicht dargestelltes Wechselspannungssystem geschaltet. Dabei umfasst die Stromrichter-Schaltung 20 Anschlusskontakte 24a, 24b zur Verbindung mit dem Gleichspannungssystem 1 und Wechselspannungskontakte 25a, 25b zur Verbindung mit dem Wechselspannungssystem.
Die erste Schaltung 21 umfasst zwei in Reihe geschaltete Halbbrücken 26a, 26b. Parallel zu den Halbbrücken 26a, 26b ist ein Zwischenkreis 27 angeordnet, der eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren C1, C2 aufweist. Die äußeren Anschlüsse der beiden Halbbrücken 26a, 26b sind mit den Anschlusskontakten 24a, 24b verbunden und bilden somit den Gleichspannungseingang der Stromrichter-Schaltung 20. Der Zwischenkreis 27 ist als geteilter Zwischenkreis ausgeführt und zur Herstellung eines Mittelpunkts M einer Zwischenkreisspannung UZK am zwischen den Kondensatoren C1, C2 und den Halbbrücken 26a, 26b befindlichen Potentialpunkt vorgesehen. Dabei ist der erste Kondensator C1 parallel zu der oberen Halbbrücke 26a geschaltet und der zweite Kondensator C2 parallel zu der unteren Halbbrücke 26b geschaltet. Der erste Kondensator C1 und die erste Halbbrücke 26a sind als eine erste Kommutierungszelle K1 ausgebildet und der zweite Kondensator C2 und die zweite Halbbrücke 26b sind als eine zweite Kommutierungszelle K2 ausgebildet, wodurch sich parasitäre Effekte minimieren, welche hauptsächlich durch parasitäre Induktivitäten zwischen einem Kondensator C1, C2 und der dazu parallel geschalteten Halbbrücke 26a, 26b verursacht werden.
Die Filterschaltung 23 umfasst eine erste und zweite Filter-Induktivität 28a, 28b. Ein erster Anschluss der ersten Filter-Induktivität 28a ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T1, T2 der ersten Halbbrücke 26a verbunden. Ein erster Anschluss der zweiten Filter-Induktivität 28b ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T3, T4 der zweiten Halbbrücke 26b verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Filter-Induktivitäten 28a, 28b sind über einen ersten und zweiten Filter-Kondensator 29a, 29b zusammengeschlossen. Die Filter-Induktivitäten 28a, 28b weisen zweckmäßig die gleiche Induktivität auf. Die Filterschaltung 23 umfasst ferner einen dritten und vierten Filterkondensator 29c, d. Der dritte Filterkondensator 29c ist zwischen den Anschlusskontakt 24a und den Potentialpunkt zwischen der ersten Filterinduktivität 28a und dem Filterkondensator 29 geschaltet. Der vierte Filterkondensator 29d ist zwischen den Anschlusskontakt 24b und den Potentialpunkt zwischen der zweiten Filterinduktivität 28b und dem zweiten Filterkondensator 29b geschaltet. Der Potentialpunkt zwischen dem erste und zweiten Filterkondensator 29a, b ist mit dem Mittelpunkt M des Zwischenkreises elektrisch verbunden.
Die zweite Schaltung 22 umfasst eine Vollbrücke aus zwei parallelen Halbbrücken 30a, 30b. Der obere äußere Anschluss der Halbbrücken 30a, 30b ist mit dem Potentialpunkt zwischen der ersten Filter-Induktivität 28a und dem ersten Filter-Kondensator 29a verbunden. Der untere äußere Anschluss der Halbbrücken 30a, 30b ist mit dem Potentialpunkt zwischen der zweiten Filter-Induktivität 28a und dem zweiten Filter-Kondensator 29b verbunden. Mit anderen Worten ist die Vollbrücke parallel zu den beiden Filterkondensatoren 29a, 29b geschaltet. Der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T5, T6 der ersten Halbbrücke 30a ist verbunden mit dem ersten Wechselspannungskontakt 25a, während der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T7, T8 der zweiten Halbbrücke 30a mit dem zweiten Wechselspannungskontakt 25b verbunden ist.
Die Stromrichter-Schaltung 20 arbeitet mit leistungselektronischen Schaltern T1...8, die beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Galliumnitrid-High Electron Mobility Transistoren (GaN-HEMT) ausgeführt sein können. Die Figuren zeigen IGBTs als leistungselektronische Schalter T1...8, das ist aber beispielhaft und es können andere Schaltertypen verwendet werden. Dabei können sich insbesondere die verwendeten Schalter T1...8 auch unterscheiden, beispielsweise können in den Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 schnell schaltende GaN-Schalter verwendet werden, während in den Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 IGBTs zum Einsatz kommen.
Die Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 der ersten Schaltung 21 sind für eine Modulation, vorzugsweise eine Pulsweitenmodulation, kurz PWM, mit einem Takt vorgesehen, welcher eine signifikant höhere Frequenz aufweist als die Grundfrequenz fG. Bei dieser hohen Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz, 100 kHz oder 250 kHz sind die Schaltverluste der Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 der ersten Schaltung 21 dominant gegenüber den Durchlassverlusten und daher werden Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 für die erste Schaltung 21 ausgewählt, die hin-sichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind. Die Schaltungstopologie der Stromrichter-Schaltung 20 erlaubt es weiterhin, für die erste Schaltung 21 Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 zu verwenden, welche eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die der halben Zwischenkreisspannung UZK entspricht.
Die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der zweiten Schaltung 22 sind für eine Taktung mit der Grundfrequenz fG vorgesehen. Da bei dieser deutlich geringeren Schaltfrequenz fG die Durchlassverluste der Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 im Vergleich zu den Schaltverlusten dominant sind, werden Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 für die zweite Schaltung 22 ausgewählt, welche hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind. Aufgrund der Schaltungstopologie werden für die zweite Schaltung 22 Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 mit einer Spannungsfestigkeit verwendet, die der ganzen Zwischenkreisspannung UZK entspricht. Dies ist aber nicht von Nachteil, da die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der zweiten Schaltung 22 nicht schnell schalten müssen.
Die 4 bis 7 zeigen den Ablauf der Schaltzustände der Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 sowie der Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 über einen Zeitraum, der einer Periode der Grundfrequenz fG entspricht, d.h. 20 µs bei einer Grundfrequenz von 50 Hz. Dabei zeigt 4 den Verlauf 41 der Schaltzustände des jeweiligen oberen Leistungshalbleiters T1, T3 der aktiven der Halbbrücken 26a, b und 5 den Verlauf 51 der Schaltzustände des jeweiligen unteren Leistungshalbleiters T2, T4 der aktiven der Halbbrücken 26a, b. 6 zeigt den Verlauf 61 für den Schaltzustand der Halbbrücke 30a, wobei ein Wert von 1 bedeutet, dass der obere Leistungshalbleiter T5 eingeschaltet ist und der untere Leistungshalbleiter T6 ausgeschaltet. 7 zeigt den Verlauf 71 für den Schaltzustand der Halbbrücke 30b, wobei ein Wert von 1 bedeutet, dass der obere Leistungshalbleiter T7 eingeschaltet ist und der untere Leistungshalbleiter T8 ausgeschaltet.
Die Halbbrücken 26a, 26b werden gemäß 4 und 5 mit einer PWM betrieben, deren Frequenz zur besseren Darstellung nur 4 kHz beträgt. Die 4 bis 7 zeigen in horizontaler Richtung eine übereinstimmende Zeitachse Z. In vertikaler Richtung befindet sich eine normierte Achse S, die den Schaltzustand der jeweiligen Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b angibt. Der Schaltzustand umfasst dabei den Zustand der beiden Leistungshalbleiter T1...8 der jeweiligen Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b, wobei von den Leistungshalbleitern T1...8 einer Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b jeweils einer eingeschaltet und der andere ausgeschaltet ist.
In den 4 und 5 ist erkennbar, dass die Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 stets im Gleichtakt, also synchron, und gegenläufig schalten. Die sich ergebende Spannungsdifferenz an den Ausgängen der Halbbrücken 26a, 26b entspricht also entweder der Zwischenkreisspannung UZK oder Null (kurzgeschlossene Ausgänge). Beim Filter-Kondensator 29, also aus Sicht der Halbbrücken 26a, 26b hinter den Filter-Induktivitäten 28a, 28b ist dadurch ein geglätteter Spannungs-verlauf realisiert, der einer gleichgerichteten sinusförmigen Wechselspannung entspricht, d.h. eine Folge von positiven Halbwellen. Dieser Spannungsverlauf ist in normierter Form in 8 dargestellt. 8 verwendet dabei die gleiche Zeit-achse Z wie die 4 bis 7. Die verwendete PWM ist dabei derart gestaltet, dass nach Filterung hoher Frequenzen eine Folge von Halbwellen verbleibt. Sie unterscheidet sich somit im genauen Verlauf etwas von einer PWM zur Erzeugung eines vollständigen Sinusverlaufs.
In den 6 und 7 ist erkennbar, dass die Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 mit der Grundfrequenz f_G umgepolt werden, d.h. mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz von beispielsweise 50 Hz. Dadurch wird jede zweite der positiven Halbwellen im Spannungsverlauf des Filter-Kondensators 29 umgeklappt und somit ein vollständiger Sinusverlauf als Ausgangsspannung erzeugt. Das Umpolen der Halbbrücken 30a, 30b erfolgt dabei ebenfalls synchron und die Halbbrücken 30a, 30b werden stets gegenphasig geschaltet.
Der somit in den 4 und 5 gezeigte Schaltmodus verwendet also eine synchrone Schaltung der Leistungshalbleiter T1...4 der Halbbrücken 26a, 26b. Durch einen derartigen Betrieb ist die Spannung auf den beiden Ausgangsleitungen der Halbbrücken 26a, 26b daher stets symmetrisch in Bezug auf das Spannungsniveau in der Mitte des Zwischenkreises, also zwischen den beiden Halbbrücken 26a, 26b. Ist dieser Punkt mit Erde verbunden, ändert sich daher das Spannungsniveau der zweiten Schaltung 22 in Bezug auf Erde durch die Schalthandlungen in der Halbbrücken 26a, 26b nicht. Gleichtaktstörungen (common mode) werden dadurch vorteilhaft deutlich vermindert oder ganz vermieden.
In einem alternativen Betriebsmodus werden die Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 versetzt zueinander geschaltet. Wenn eine der Halbbrücken 26a, 26b umschaltet, schaltet in diesem Betriebsmodus die jeweils andere Halbbrücke 26a, 26b nicht. Das Umschalten kann mit einer beliebigen Phasenverschiebung zueinander geschehen, insbesondere mit einer Phasen-verschiebung von 180°. Beispielsweise kann bei einem Betrieb mit Trägersignal das Trägersignal für eine der Halbbrücken 26a, 26b gegenüber dem Trägersignal für die andere Halbbrücke entsprechend phasenverschoben werden. Werden die Halbbrücken 26a, 26b versetzt zueinander umgeschaltet, dann liegt für einen Teil der Zeit neben den Spannungen Null und dem Wert der Zwischenkreisspannung U_ZK auch die Hälfte der Zwischenkreisspannung U_ZK am Ausgang der Halbbrücken 26a, 26b an. Da die Halbbrücken 26a, 26b abwechselnd, aber insgesamt genauso häufig umschalten wie beim synchronen Betrieb, verdoppelt sich die Häufigkeit der Spannungswechsel am Ausgang der Halbbrücken 26a, 26b. Die effektive Frequenz des Signals, das die Filterschaltung 23 erreicht, ist daher doppelt so hoch wie beim synchronen Betrieb. Vorteilhaft erlaubt das, die Komponenten der Filterschaltung 23, insbesondere die Filter-Induktivität 29, für eine höhere Frequenz auszulegen und somit zu verkleinern. Da die Komponenten der Filterschaltung 23 und gerade die Filter-Induktivitäten 29a...d besonders große und klobige Bauteile darstellen, ist dies von besonderem Vorteil.
Die Schaltung 20 gemäß 3 umfasst als weitere Komponenten eine erste und zweite Filterdiode D1, D2. Die erste Filterdiode D1 ist parallel zur ersten Filterinduktivität 29a angeordnet. Die zweite Filterdiode D2 ist parallel zur zweiten Filterinduktivität 29b angeordnet. Dabei sind die Filterdioden D1, D2 so ausgerichtet wie die Body-Dioden der Leistungshalbleiter T1...8, d.h. sie blockieren unter den normalen Spannungsverhältnissen in der Stromrichter-Schaltung 20. Die Filterdioden 20 sind aber so gewählt, dass sie eine geringere Schleusenspannung aufweisen als die Body-Dioden der Leistungshalbleiter T5...8 der zweiten Schaltung 22.
Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung beschrieben, bei dem die Stromrichter-Schaltung 2010 für einen dreiphasigen Betrieb ausgestaltet ist. 9 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage 10. Die Photovoltaik-Anlage 10 umfasst eine Reihe von Solarmodulen 11, die in Reihenschaltungen, sog. Strings, organisiert sind. Der Übersicht wegen sind in 1 nur zwei dieser Strings dargestellt. Jeder der Strings umfasst einen eigenen DC/DC-Wandler 12, über den der String mit einem DC-Bus 13 verbunden ist. Der DC-Bus 13 ist wiederum mit einer Ausführung der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 2010 verbunden, die aus dem Gleichstrom des DC-Busses 13 eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt. Ausgangsseitig ist der Stromrichter 2010 mit dem Versorgungsnetzwerk 14 verbunden. Die dreiphasige Wechselspannung hat die Frequenz f_G des Versorgungsnetzwerks, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz.
In 10 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 für dreiphasige Systeme dargestellt, wobei aus Gründen der Übersicht nur ein Teil der Schaltung 2010 gezeigt ist. Dabei entspricht die Schaltung weitgehend derjenigen der 3, also der einphasigen Variante, mit den folgend beschriebenen Unterschieden. Die erste, zweite und die Filterschaltung 21, 2210 und 23 bilden zusammen einen Arm P, der einer Phase zugeordnet. Die Schaltung 2010 umfasst daher drei parallele solche Arme P, von denen nur einer dargestellt ist. Weiterhin umfasst jeder der Arme in der zweiten Schaltung 2210 nur eine Halbbrücke 30a, die somit gleich der zweiten Schaltung 2210 ist. Bei einem typischen Drehstromnetz sind die Wechselströme der drei Phasen zueinander um 120° bzw. 240° phasenverschoben. Die Steuerung der ersten Schaltungen erfolgt daher für jeden der Arme zweckmäßig so, dass die entstehenden Halbwellen ebenfalls bereits eine derartige Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Da die zweite Schaltung 2210 nur eine Halbbrücke umfasst, findet der Verlauf 71 der 7 in dieser Schaltung keine Anwendung.
Für die Funktion der Filterdioden D1, D2 wird im Folgenden der Nulldurchgang von positiver zu negativer Spannung mit positivem Ausgangsstrom Iout als Arbeitspunkt betrachtet. In den 4 bis 7 entspricht das dem Zeitpunkt t = 1/4 f_G , bei dem sich die Schaltstellung der Halbbrücke(n) der zweiten Schaltung 22, 2210 ändert. Dieser Nulldurchgang tritt einmal pro Periode der Grundfrequenz f_G auf, also bei 50 Hz als Netzfrequenz alle 20 ms.
In diesem Arbeitspunkt führt die erste Filterinduktivität 28a zum Zeitpunkt des Spannungsnulldurchgangs einen deutlichen, positiven Strom, nämlich den Ausgangsstrom Iout der Schaltung 20, 2010. Dieser wird hier beispielhaft mit 3A angenommen. Idealerweise schaltet der obere Leistungshalbleiter T5 der Halbbrücke 30a zeitlich exakt zum Spannungsnulldurchgang ab und der untere Leistungshalbleiter T6 nach kurzer Totzeit zu. Da der Strom in der ersten Filterinduktivität 28a nicht schlagartig abgebaut werden kann, werden resonante Schwingungen angeregt und somit Störungen verursacht. In der direkten Folge der Abschaltung steigt die Spannung hinter der ersten Filterinduktivität 28a, d.h. am oberen Anschlusspunkt der Halbbrücke 30a an. Nach kurzer Zeit, die durch die Werte von Induktivität und Kapazität der beteiligten Elemente bestimmt ist, fällt die Spannung und schwingt in negativer Richtung über. Dabei kann sie so tief fallen, dass - wenn die Filterdioden D1, D2 nicht vorhanden sind - ein jeweiliges rückwärts leitendes Element des oberen Leistungshalbleiters T5 der Halbbrücke 30a leitend wird. Dieses Element ist je nach Typ von Leistungshalbleiter die Body-Diode, eine externe Diode oder ein intrinsischer Leitmechanismus. Da dieses rückwärts leitende Element direkt mit der Ausgangsleitung der Schaltung 20, 2010 verbunden ist, entstehen dadurch Störungen im Ausgangsstrom.
In analoger Weise entstehen Störungen beim Nulldurchgang von negativer zu positiver Spannung mit positivem Ausgangsstrom Iout als Arbeitspunkt betrachtet. In den 4 bis 7 entspricht das dem Zeitpunkt t = 3/4 f_G , bei dem sich die Schaltstellung der Halbbrücke(n) der zweiten Schaltung 22, 2210 ändert. Hierbei führt die zweite Filterinduktivität 28b den Ausgangsstrom Iout und wird vom Stromfluss abgetrennt.
Da die Filterdioden D1, D2 eine geringere Schleusenspannung aufweisen als das rückwärts leitende Element der Leistungshalbleiter T5...T8, wird in den Schaltungen 20, 2010 statt der rückwärts leitenden Elemente der Leistungshalbleiter T5...T8 eine der Filterdioden D1, D2 leitend und begrenzt damit den Spannungsaufbau oder -abfall. Da die Filterdioden D1, D2 nicht direkt mit der Ausgangsleitung der Schaltung 20, 2010 verbunden sind, sondern mit dem Mittelpunkt (M) des Zwischenkreises, führt eine Stromleitung über sie nicht zu einer Störung des Ausgangsstroms Iout. Die bei der Abschaltung des Stroms in einer der Filterinduktivitäten 28a, b auftretenden Störungen werden dadurch weitgehend unterbunden.
Analoge Störungen treten beim Zuschalten der jeweils anderen Filterinduktivität 28a, b auf, da dort der Strom auch nicht stufenartig ansteigen kann. Um diesen Störungen zu begegnen, wird in den Schaltungen 20, 2010 eine besondere Ansteuerung der Leistungshalbleiter T1...4 der ersten Schaltung 21 verwendet. Für die Steuerung der Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter T1...T8 der Schaltung 20, 2010 in der Weise, die in den 4 bis 7 dargestellt ist, ist eine Steuereinrichtung vorhanden. Die Steuereinrichtung ist in den Figuren nicht dargestellt. Die besondere Ansteuerung zur Verminderung der Störungen wird ebenfalls von der Steuereinrichtung umgesetzt.
Für die besondere Ansteuerung wird im Folgenden der Nulldurchgang von positiver zu negativer Spannung mit positivem Ausgangsstrom Iout als Arbeitspunkt betrachtet. In den 4 bis 7 entspricht das wieder dem Zeitpunkt t = 1/4 f_G , bei dem sich die Schaltstellung der Halbbrücke(n) der zweiten Schaltung 22, 2210 ändert. Dieser Nulldurchgang tritt einmal pro Periode der Grundfrequenz f_G auf, also bei 50 Hz als Netzfrequenz alle 20 ms.
In diesem Arbeitspunkt führt die zweite Filterinduktivität 28b keinen Strom. Idealerweise schaltet der obere Leistungshalbleiter T5 der Halbbrücke 30a zeitlich exakt zum Spannungsnulldurchgang ab und der untere Leistungshalbleiter T6 der Halbbrücke 30a nach kurzer Totzeit zu. Da der Strom durch die zweite Filterinduktivität 28b nicht schlagartig auf den Betrag des Ausgangsstroms Iout aufgebaut werden kann, werden Oszillationen des Schwingkreises aus der zweite Filterinduktivität 28b und den angrenzenden Filterkondensatoren 29b, 29d angeregt und somit Störungen verursacht.
Die Steuereinrichtung setzt nun ein spezielles Modulationsverfahren um, um diese Störungen zu vermindern. Damit der Ausgangsstrom Iout der Schaltung 20, 2010 direkt von der zweiten Filterinduktivität 28b übernommen werden kann, wird diese unmittelbar vor dem Umschalten vom oberen zum unteren Leistungshalbleiter T5, T6 „vorgeladen“. Da nur eine negative Spannung über die zweite Filterinduktivität 28b gestellt und damit auch nur ein negativer Strom aufgebaut werden kann, zum Umschaltzeitpunkt allerdings ein positiver Strom benötigt wird, wird eine resonante Schwingung zwischen der zweiten Filterinduktivität 28b und den angrenzenden Filterkondensatoren 29b, 29d erzeugt und zeitlich so abgestimmt, dass zum Umschaltzeitpunkt der gewünschte positive Strom fließt.
Dazu wird der untere Leistungshalbleiter T4 der unteren ersten Halbbrücke 26b für eine Dauer Δt₁ eingeschaltet, sodass in der zweiten Filterinduktivität 28b ein Strom aufgebaut wird. Die Dauer wird so gewählt, dass der Strom etwa bis auf den Betrag des Ausgangsstroms Iout aufgebaut wird. Danach wird der untere Leistungshalbleiter T4 ab- und der obere Leistungshalbleiter T3 der unteren ersten Halbbrücke 26b eingeschaltet, wodurch die resonante Schwingung beginnt. Eine weitere Zeitdauer Δt₂ später erfolgt dann die Umschaltung der Halbbrücke 30a, d.h. vom oberen Leistungshalbleiter T5 auf den unteren Leistungshalbleiter T6. Die Verzögerung Δt2 entspricht dabei einer halben Periodendauer der angeregten resonanten Schwingung. Die Zeiten lassen sich in guter Näherung wie folgt berechnen: $Δ t_{1} = L \cdot | \frac{I_{o u t}}{V_{D C}} |$
Dabei bezeichnet L die Induktivität der zweiten Filterinduktivität 28b, wobei diese zweckmäßig gleich der Induktivität der ersten Filterinduktivität 28a ist. Iout ist der der Ausgangsstrom der Stromrichter-Schaltung 20, 2010. Idealerweise wird dabei der Ausgangsstrom verwendet, der zum Zeitpunkt der Umschaltung der Leistungshalbleiter T5, T6 der zweiten Halbbrücke 30a vorliegt. Da sich der Ausgangsstrom Iout aber im Zeitrahmen der ersten und zweiten Zeitspanne nur sehr geringfügig ändert, kann auch der Ausgangsstrom zum Zeitpunkt des Einschaltens des Leistungshalbleiters T4 verwendet werden. V_DC bezeichnet die treibende Spannung, also die halbe Zwischenkreisspannung U_ZK . $Δ t_{2} = π \cdot \sqrt{L \cdot C}$
C bezeichnet dabei die Kapazität der an der Schwingung beteiligten Kapazitäten, also im Aufbau gemäß den Figuren die Kapazität einer Parallelschaltung der Filterkondensatoren 29b, 29d. Der Vorgang des Vorladens beginnt also zu einem Zeitpunkt, der um Δt₁+Δt₂ vor dem Umschaltzeitpunkt der Halbbrücke 30a liegt.
11 zeigt ein Simulationsergebnis für die Stromrichter-Schaltung 20, 2010. Es ist erkennbar, dass die deutlichen Störungen, die in 1 sichtbar waren, durch die beschriebenen Maßnahmen weitgehend unterbunden werden. In dem Diagramm der 11 liegt der Zeitpunkt der Umschaltung zwischen den Leistungshalbleitern T5, T6 der Halbbrücke 30a wie in 1 bei etwa t_U ≈ 20 µs.
Aus dem Verlauf der Spannung V_H und dem Verlauf des Stroms I_L1 der ersten Filterinduktivität 28a ist der Einfluss der Filterdioden D1, D2 erkennbar. Nach dem Umschaltzeitpunkt t_u sind in beiden Verläufen deutlich Ausschläge erkennbar. Bei Erreichen der - im Diagramm negativen - Schleusenspannung wird die Spannung V_H durch die jeweils betroffene Filterdiode D1, D2 bei diesem Wert festgehalten. Der Strombetrag |I_L1| fällt daraufhin etwa linear ab und weitere Schwingungen unterbleiben.
Weiterhin ist aus dem Verlauf des Stroms I_L2 der zweiten Filterinduktivität 28b der Einfluss des Steuerverfahrens sichtbar. Bereits vor dem Umschaltzeitpunkt t_u wird mit der „Vorladung“ der zweiten Filterinduktivität 28b begonnen. Da eine Bestromung mit der richtigen Stromrichtung (positive Wert im Diagramm) nicht möglich ist, wird wie beschrieben ein Strom in der Gegenrichtung aufgeprägt und die nachfolgende Schwingung ausgenutzt. Dazu wird der untere Leistungshalbleiter T4 der unteren ersten Halbbrücke 26b beim Zeitpunkt t = 0 µs eingeschaltet. Nach Erreichen eines Stromwerts von I_L2 ≈ -3 A wird der Leistungshalbleiter T4 abgeschaltet und der obere Leistungshalbleiter T3 der unteren ersten Halbbrücke 2b eingeschaltet. Daraufhin schwingt der Strom I_L2 zu positiven Stromwerten zurück und erreicht - bei geeignetem Timing - den Wert des Ausgangsstroms, also 3 A gerade beim Umschaltzeitpunkt t_U. Da der Strom durch die zweite Filterinduktivität 28b gerade den Wert des Ausgangsstroms Iout hat, den sie zum Umschaltzeitpunkt weitertragen muss, finden keine weiteren Schwingungen statt. Dabei ist zu beachten, dass der Umschaltzeitpunkt t_U durch das Schaltschema der Stromrichter-Schaltung 20, 2010 festliegt. Das Vorladen der Filterinduktivität muss sich daran anpassen und entsprechend vorher passieren.
Im Ergebnis zeigt der Vergleich der Diagramme der 11 und 1, dass die Schwingungen der Stromrichter-Schaltung 20, 2010 durch die beschriebenen Maßnahmen fast völlig unterbunden werden.
Bezugszeichenliste

IL1: Strom durch die erste Filterinduktivität
IL2: Strom durch die zweite Filterinduktivität
Iout: Ausgangsstrom der Schaltung
tU: Umschaltzeitpunkt
10: Photovolatik-Anlage
11a, b: Solarmodul
12: DC/DC-Wandler
20: Stromrichter-Schaltung
1: Gleichspannungsnetzwerk
24a, 24b: Gleichspannungsanschlüsse
UZK: Zwischenkreisspannung
C1, C2: Zwischenkreis-Kondensatoren
T1...T4: Leistungshalbleiter der ersten Halbbrücken
T5...T8: Leistungshalbleiter der zweiten Halbbrücken
27: Zwischenkreis
M: Mittelpunkt
26a, b: erste Halbbrücken
28a, b: Filterinduktivitäten
29a...d: Filterkondensatoren
D1, D2: Filterdioden
21: erste Schaltung
22: zweite Schaltung
23: Filterschaltung
30a, b: zweite Halbbrücken
25a, b: Wechselspannungsanschlüsse
41, 51: Verläufe der Schaltzustände in den ersten Halbbrücken
61, 61: Verläufe der Schaltzustände in den zweiten Halbbrücken
Z: Zeitachse
fG: Grundfrequenz
S: Schaltsignal
81: Spannungsverlauf
14: Versorgungsnetzwerk
13: DC-Bus
2210: zweite Schaltung
P: Phasenarm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2136465 A1 [0004]
WO 2016/146171 A1 [0005]
EP 2306629 A1 [0006]
DE 102012020036 A1 [0007]
DE 102016224312 A1 [0008]
DE 102016224310 A1 [0008]

Claims

Stromrichter-Schaltung (20), umfassend - einen geteilten Zwischenkreis (27) mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren (C1, C2), zwischen denen ein Zwischenkreismittelpunkt (M) gebildet ist, - parallel zum Zwischenkreis (27) einen Arm (P) oder mehrere zueinander parallele Arme (P) mit jeweils einer ersten Schaltung (21), einer zweiten Schaltung (22, 2210) und einer Filterschaltung (23), wobei - die erste Schaltung (21) zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken (26a, b) umfasst, deren Verbindungspunkt mit dem Zwischenkreismittelpunkt (M) verbunden ist, - die Filterschaltung (23) eine Serienschaltung mit einer ersten Filter-Induktivität (28a), wenigstens einem Filterkondensator (29a) und einer zweiten Filterinduktivität (28b) umfasst, die parallel zu den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken (26a, b) des jeweiligen Arms (P) geschaltet ist, - die zweite Schaltung (22, 2210) jedes Arms (P) eine zweite Halbbrücke (30a) oder zwei parallele zweite Halbbrücken (30a, b) aufweist, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge (25) bilden, - die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken (30a, b) parallel zum Filterkondensator (29a) geschaltet sind, gekennzeichnet durch - eine parallel zum Filterkondensator (29a) geschaltete Serienschaltung zweier Halbleiterbauelemente (D1, D2), wobei die Halbleiterbauelemente (D1, D2) Dioden oder steuerbare Halbleiterschalter sind, wobei im Falle von Dioden deren Schleusenspannung geringer ist als die Einsatzspannung von rückwärts leitenden Elementen der Leistungshalbleiter (T5...8) der zweiten Halbbrücken (30a, b), und wobei der Potentialpunkt zwischen den Dioden (D1, D2) oder steuerbaren Halbleiterschaltern mit dem Zwischenkreismittelpunkt (M) verbunden ist.
Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 1, bei der die Filterschaltung (23) zwei Filterkondensatoren (29a, 29b) umfasst, deren Verbindungpunkt mit dem Zwischenkreismittelpunkt (M) verbunden ist.
Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Filterschaltung (23) zwei weitere Filterkondensatoren (29c, d) umfasst, von denen ein erster parallel zu der Serie aus einem oberen Leistungshalbleiter (T1) einer oberen der ersten Halbbrücken (26a) und der ersten Filterinduktivität (28a) geschaltet ist und von denen ein zweiter parallel zu einer Serie aus einem unteren Leistungshalbleiter (T4) einer unteren der ersten Halbbrücken (26b) und der zweiten Filterinduktivität (28b) geschaltet ist.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuereinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass die Leistungshalbleiter (T5...8) der zweiten Schaltung (22, 2210) mit einer Taktung mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich betrieben werden.
Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 4, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, innerhalb eines Arms (P) vor einem Einschalten eines unteren Leistungshalbleiters (T6, T8) der zweiten Halbbrücke (30a, b) einen unteren Leistungshalbleiter (T4) einer unteren der ersten Halbbrücken (26a) einzuschalten und nach Ablauf einer ersten Zeitspanne den unteren Leistungshalbleiter (T4) der unteren ersten Halbbrücke (26b) abzuschalten.
Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 5, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, den unteren Leistungshalbleiter (T4) der unteren ersten Halbbrücke (26b) eine zweite Zeitspanne vor dem Einschalten des unteren Leistungshalbleiters (T6, T8) der zweiten Halbbrücke (30a, 30b) abzuschalten.
Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, innerhalb eines Arms (P) vor einem Einschalten eines oberen Leistungshalbleiters (T5, T7) der zweiten Halbbrücke (30a, b) einen oberen Leistungshalbleiter (T1) einer oberen der ersten Halbbrücken (26a) einzuschalten und nach Ablauf einer ersten Zeitspanne den oberen Leistungshalbleiter (T1) der ersten Halbbrücke (26a) abzuschalten.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, nach Ablauf der ersten Zeitspanne den oberen Leistungshalbleiter (T3) der unteren ersten Halbbrücke (26b) einzuschalten.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, nach Ablauf der ersten Zeitspanne den unteren Leistungshalbleiter (T2) der oberen ersten Halbbrücke (26a) einzuschalten.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, als erste Zeitspanne eine Zeitspanne der Größe $t_{1} = L \cdot \frac{I_{o u t}}{V_{D C}}$
zu verwenden, wobei L die Induktivität einer der Filterinduktivitäten (28a, b), Iout der Ausgangsstrom der Stromrichter-Schaltung (20), V_DC die halbe Zwischenkreisspannung (U_ZK) ist.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, als zweite Zeitspanne eine Zeitspanne der Größe $t_{2} = π \cdot \sqrt{L \cdot C}$
zu verwenden, wobei L die Induktivität einer der Filterinduktivitäten (28a, b), C die Kapazität der an der Filterinduktivität (28a, b) anliegenden Filterkapazitäten (29a...d) ist.
Einphasige Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit genau einem Arm (P) und zwei parallel geschalteten zweiten Halbbrücken (30a, b), deren Mittelpunkte die Wechselspannungsausgänge (25) bilden.
Dreiphasige Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit drei parallel geschalteten Armen (P), die jeweils einer Phase zugeordnet sind und genau einer zweiten Halbbrücke (30a) in jedem der Arme (P), deren Mittelpunkt den Wechselspannungsausgang (25) zur jeweiligen Phase bildet.