DE102020214265A1 - Device for low-common-mode conversion of alternating voltage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichtaktarmen Umrichtung von Wechselspannung aufweisend:• eine Spannungszuführung (E1 ... E4), wobei die Spannungszuführung im Betrieb über ein 1-Phasen-2-Leiter Wechselspannungsnetz, ein 1-Phasen-3-Leiter Wechselspannungsnetz oder ein 3-Phasen-Mehrleiter Wechselspannungsnetz erfolgt,• drei erste Schaltzweige, wobei jeder erste Schaltzweig einen niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter (Sa, Sb, Sc) aufweist,• wobei die Ausgänge der ersten Schaltzweige jeweils schaltbar auf einen ersten Leiter (m) geführt werden kann,• wobei jeder der Eingänge der Spannungszuführung (E1 ... E4) mittels einer ersten Gleichrichtereinrichtung (D1a, D2a, D3a) in einer positiven Halbschwingung auf einen zweiten Leiter (p) im Betrieb geführt wird,• wobei jeder der Eingänge der Spannungszuführung (E1 ... E4) mittels einer zweiten Gleichrichtereinrichtung (D1b, D2b, D3b) in einer negativen Halbschwingung auf einen dritten Leiter (n) im Betrieb geführt wird,• wobei die Vorrichtung weiterhin zumindest zwei zweite Schaltzweige aufweist, wobei jeder zweite Schaltzweig einen hochfrequent taktbaren Schalter (S1, S2) aufweist,• wobei ein erster der zweiten Schaltzweige (S1) zwischen dem ersten Leiter (m) und dem zweiten Leiter (p) angeordnet ist, wobei ein zweiter der zweiten Schaltzweige (S2) zwischen dem ersten Leiter (m) und dem dritten Leiter (n) angeordnet ist,• wobei in der Zuführung des zweiten Leiters (p) zu dem ersten der zweiten Schaltzweige (S1) genau eine erste effektive Hochsetzdrossel (Lp) angeordnet ist,• wobei in der Zuführung des dritten Leiters (n) zu dem zweiten der zweiten Schaltzweige (S2) genau eine zweite effektive Hochsetzdrossel (Ln) angeordnet ist.The invention relates to a device for low-common-mode conversion of AC voltage comprising: • a voltage supply (E1 ... E4), the voltage supply during operation via a 1-phase 2-wire AC voltage network, a 1-phase 3-wire AC voltage network or a 3-phase multi-wire AC voltage network,• three first switching branches, with each first switching branch having a low-frequency clockable bidirectional switch (Sa, Sb, Sc),• whereby the outputs of the first switching branches can each be switched to a first conductor (m). ,• wherein each of the inputs of the voltage supply (E1 ... E4) is conducted by means of a first rectifier device (D1a, D2a, D3a) in a positive semi-oscillation to a second conductor (p) during operation,• wherein each of the inputs of the voltage supply ( E1 ... E4) by means of a second rectifier device (D1b, D2b, D3b) in a negative semi-oscillation to a third conductor(s) during operation, • wherein the device further has at least two second switching branches, wherein each second switching branch has a switch (S1, S2) that can be clocked at high frequency,• wherein a first of the second switching branches (S1) is connected between the first conductor (m) and the second conductor (p) is arranged, wherein a second of the second switching branches (S2) is arranged between the first conductor (m) and the third conductor (n),• wherein in the supply of the second conductor (p) to the first of the second switching branches (S1) exactly a first effective step-up choke (Lp) is arranged,• wherein exactly one second effective step-up choke (Ln) is arranged in the supply of the third conductor (n) to the second of the second switching branches (S2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichtaktarmen Umrichtung von Wechselspannung.The invention relates to a device for low-common-mode conversion of AC voltage.
Hintergrundbackground
In vielen Bereichen der Technik werden Gleichspannungen benötigt. Hingegen wird der Transport elektrischer Energie im überwiegenden Maß mit Wechselspannungsnetzen realisiert.DC voltages are required in many areas of technology. On the other hand, the transport of electrical energy is mainly realized with AC voltage networks.
Eine einfache, passive Diodengleichrichtung zur Umformung der Wechselspannungen in eine Gleichspannung führt mit teils erheblichen Blindleistungseinträgen jedoch zu signifikanten Rückwirkungen in das Versorgungsnetz und kann schlimmstenfalls die Stabilität des Netzes gefährden.However, a simple, passive diode rectification for converting the AC voltage into a DC voltage leads to significant repercussions on the supply network with sometimes considerable reactive power inputs and, in the worst case, can endanger the stability of the network.
Daher wurden in der Vergangenheit dreiphasige netzfreundliche Pulsgleichrichter (engl.: 3-Phase PFC Rectifier, PFC: Power Factor Correction) entwickelt, die bereits bei einer Vielzahl von Anwendungen z.B. im Industrie- und IT-Bereich (Versorgung von Server-Racks in Datenzentren, von Telekom-Ausrüstung für Mobilfunknetze, etc.) als Interface-Schaltungen zum speisenden Wechselspannungsnetz eingesetzt werden.For this reason, three-phase, grid-friendly pulse rectifiers (PFC: Power Factor Correction) were developed in the past, which are already used in a large number of applications, e.g. in the industrial and IT sectors (supplying server racks in data centers, of telecom equipment for mobile networks, etc.) as interface circuits to the AC power supply.
Diese bekannten Pulsgleichrichter emulieren auf der Seite des Versorgungsnetzes (Eingangsseite/Wechselstromsite) das (nahezu) ideale Verhalten einer ohmschen Widerstandslast. Damit werden nur geringe Netzrückwirkungen, d.h. kleine Stromverzerrungen und kleine Blindströme hervorgerufen. Dies entspricht einem hohen Leistungsfaktor.These known pulse rectifiers emulate the (almost) ideal behavior of an ohmic resistance load on the supply network side (input side/AC side). As a result, only minor mains reactions, i.e. minor current distortions and minor reactive currents, are caused. This corresponds to a high power factor.
Auf der Ausgangsseite, d.h. auf der Gleichstromseite, liefern diese Schaltungen eine zumeist geregelte Gleichspannung (DC), die entweder direkt eine Gleichstromlast versorgt, oder als Zwischenkreis weitere Gleichspannungswandlerstufen (DC-DC) oder Wechselrichterstufen speist.On the output side, i.e. on the direct current side, these circuits supply a mostly regulated direct current (DC), which either supplies a direct current load directly or, as an intermediate circuit, feeds further direct current converter stages (DC-DC) or inverter stages.
Dreiphasige Pulsgleichrichter werden dabei typischerweise im gehobenen Leistungsbereich von etwa 5...100 kW und darüber hinaus eingesetzt.Three-phase pulse rectifiers are typically used in the high power range of around 5...100 kW and beyond.
Neben den o.g. Anwendungen werden sie aktuell auch immer häufiger zur leistungsstarken Batterieladung von Elektrofahrzeugen (xEV) eingesetzt, sowohl infrastrukturseitig im Bereich der Schnellladestationen (Off-Board), wie auch fahrzeugseitig (On-Board) zum Laden vom allg. Wechselspannungsnetz (AC) aus.In addition to the applications mentioned above, they are currently also being used more and more frequently for high-performance battery charging of electric vehicles (xEV), both in terms of infrastructure in the area of fast charging stations (off-board) and on the vehicle side (on-board) for charging from the general alternating voltage network (AC). .
Gerade diese On-Board-Lader (OBL) drängen gegenwärtig in den Leistungsklassen 11 kW und 22 kW zum Massenmarkt, wobei Materialkosten, Baugröße und Gewicht, sowie Effizienz bzw. Betriebskosten die entscheidenden Kriterien sind.It is precisely these on-board chargers (OBL) that are currently pushing into the mass market in the 11 kW and 22 kW power classes, with material costs, size and weight, as well as efficiency and operating costs being the decisive criteria.
Ein Charakteristikum der meisten bisherigen dreiphasigen, netzfreundlichen Pulsgleichrichterschaltungen, sind die damit generierten schaltfrequenten Gleichtaktstörungen (Common Mode, Abk. CM) als dominante Störkomponente der elektromagnetischen Verträglichkeit (abgek. EMV).A characteristic of most previous three-phase, mains-friendly pulse rectifier circuits is the switching-frequency common-mode interference (common mode, abbreviation CM) generated as the dominant interference component of electromagnetic compatibility (abbreviation EMC).
Die Auswirkungen der Gleichtaktstörungen ließen sich bislang nur durch ein voluminöses EMV-Filter in der Pulsgleichrichterschaltung und in aller Regel durch eine transformatorbasierte Potentialtrennung in den DC-DC-Stufen eindämmen.Until now, the effects of common-mode interference could only be contained by using a bulky EMC filter in the pulse rectifier circuit and, as a rule, by transformer-based potential isolation in the DC-DC stages.
Neben dem Volumen und Gewichtsproblem, dass insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik eine große Rolle spielt, ist jedoch auch der Wirkungsgrad von hoher Bedeutung.In addition to the volume and weight problem, which plays a major role in the field of vehicle technology in particular, the efficiency is also of great importance.
Ebenso ist es vorteilhaft eine gleichtaktarme Ausgangsspannung zu erhalten. Dies ist in aller Regel nur durch entsprechend groß dimensionierte, oft mehrstufige Filterschaltungen bestehend aus passiven Elementen wie stromkompensierten Drosseln und Kondensatoren mit jeweils beachtlicher Baugröße zu erreichen.It is also advantageous to obtain a low-common-mode output voltage. As a rule, this can only be achieved with correspondingly large, often multi-stage filter circuits consisting of passive elements such as current-compensated chokes and capacitors, each with a considerable size.
Eine ähnliche Problematik tritt bei den als Minnesota-Rectifier bekannten Schaltungen auf, wie sie z.B. aus dem Artikel „A novel approach to minimize line-current harmonics in interfacing power electronics equipment with 3-phase utility systems“ des Autors N. Mohan, veröffentlicht in IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 8, No. 3, Seiten 1395-1401, Jul. 1993, bekannt sind. Diese sind vergleichsweise aufwändig und benötigten große, passive Filterkomponenten (L, C) als sog. „current injection network“. Zudem weisen diese Schaltungen mitunter eine nennenswerte verbleibende Netzstromverzerrung (THD) auf.A similar problem occurs with the circuits known as Minnesota rectifiers, e.g. from the article "A novel approach to minimize line-current harmonics in interfacing power electronics equipment with 3-phase utility systems" by the author N. Mohan, published in IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 8, No. 3, pp. 1395-1401, Jul. 1993. These are comparatively complex and require large, passive filter components (L, C) as a so-called "current injection network". In addition, these circuits sometimes have significant residual line current distortion (THD).
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik noch der sogenannte Vienna-Rectifier, z.B. aus dem Artikel „A novel three-phase three-switch three-level pwm rectifier“ der Autoren J. W. Kolar and F. C. Zach, veröffentlicht in Proc. 28th Power Conversion Conference, PCIM '94, Jun. 28-30, 1994, Seiten 125-138, bekannt. Dieser ist jedoch auch aufwändig und benötigt drei hochfrequent getaktete Halbleiterschalter sowie drei Hochsetzdrosseln auf der Wechselspannungs-Seite und kann zudem nicht als inhärent gleichtaktarm bezeichnet werden. Insbesondere weist dieser schaltfrequente (oder: hochfrequente) Gleichtaktstörspannungen an seinem Ausgang auf, die nur durch eingangsseitige Filterschaltungen aus großvolumigen passiven Komponenten (Drosseln, Kondensatoren) hinreichend unterdrückt werden können.Furthermore, the so-called Vienna rectifier is also known from the prior art, e.g. from the article "A novel three-phase three-switch three-level pwm rectifier" by the authors J. W. Kolar and F. C. Zach, published in Proc. 28th Power Conversion Conference, PCIM '94, Jun. 28-30, 1994, pp. 125-138. However, this is also complex and requires three high-frequency clocked semiconductor switches and three step-up chokes on the AC voltage side and, moreover, cannot be described as inherently low in common mode. In particular, this has switching-frequency (or: high-frequency) common-mode interference voltages at its output, which can only be sufficiently suppressed by input-side filter circuits made of large-volume passive components (chokes, capacitors).
Der sogenannte Taipei-Rectifier, siehe Artikel „The TAIPEI Rectifier - A New Three-Phase Two-Switch ZVS PFC DCM Boost Rectifier“ der Autoren Y. Jang and M. M. Jovanovic, veröffentlicht in IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 28, No. 2, 2013, hingegen benötigt insgesamt fünf Leistungsdrosseln auf der Wechselspannungs- wie auch der Gleichspannungs-Seite und kann aber prinzipbedingt nur im lückenden Hochsetzbetrieb (DCM-Boost) arbeiten, was ihn auf kleinere übertragbare Leistungen beschränkt.The so-called Taipei Rectifier, see article "The TAIPEI Rectifier - A New Three-Phase Two-Switch ZVS PFC DCM Boost Rectifier" by the authors Y. Jang and MM Jovanovic, published in IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 28, No . 2, 2013, on the other hand, requires a total of five power chokes on the AC and DC side and, due to the principle, can only work in discontinuous step-up mode (DCM boost), which limits it to smaller transmittable powers.
Die als Swiss-Rectifier bezeichnete Topologie, welche z.B. aus dem Artikel „SWISS rectifier - A Novel Three-Phase Buck-Type PFC Rectifier Topology for Electric Vehicle Battery Charging“ der Autoren T. B. Soeiro, T. Friedli, und J. W. Kolar, veröffentlicht in Proc. 27th Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012, bekannt ist, weist erhebliche schaltfrequente Gleichtaktstörspannungen (CM) auf und zum anderen arbeitet der Swiss-Rectifier im Tiefsetzbetrieb (Buck). Beide Punkte führen zu einem deutlich erhöhten EMV-Filterbedarf (CM-Anteil und DM-Anteil) auf der Netzseite.The topology known as the Swiss Rectifier, which can be found, for example, in the article "SWISS rectifier - A Novel Three-Phase Buck-Type PFC Rectifier Topology for Electric Vehicle Battery Charging" by the authors T. B. Soeiro, T. Friedli, and J. W. Kolar, published in Proc . 27th Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012, has significant switching-frequency common-mode interference voltages (CM) and, on the other hand, the Swiss rectifier works in buck mode (buck). Both points lead to a significantly increased EMC filter requirement (CM component and DM component) on the mains side.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur gleichtaktarmen Umrichtung von Wechselspannung anzugeben, die ein oder mehrere Probleme aus dem Stand der Technik vermeidet.Proceeding from this, it is the object of the invention to specify a device for converting AC voltage with low common mode, which avoids one or more problems from the prior art.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur gleichtaktarmen Umrichtung von Wechselspannung. Die Vorrichtung weist eine Spannungszuführung auf, wobei die Spannungszuführung im Betrieb über ein 1-Phasen-2-Leiter Wechselspannungsnetz, ein 1-Phasen-3-Leiter Wechselspannungsnetz oder ein 3-Phasen-Mehrleiter Wechselspannungsnetz erfolgt. Weiterhin weist die Vorrichtung drei erste Schaltzweige auf, wobei jeder erste Schaltzweig einen niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter aufweist, wobei die Ausgänge der ersten Schaltzweige jeweils schaltbar auf einen ersten Leiter geführt werden kann, wobei jeder der Eingänge der Spannungszuführung mittels einer ersten Gleichrichtereinrichtung in einer positiven Halbschwingung auf einen zweiten Leiter im Betrieb geführt wird, wobei jeder der Eingänge der Spannungszuführung mittels einer zweiten Gleichrichtereinrichtung in einer negativen Halbschwingung auf einen dritten Leiter im Betrieb geführt wird. Die Vorrichtung weist weiterhin zumindest zwei zweite Schaltzweige auf, wobei jeder zweite Schaltzweig einen hochfrequent taktbaren Schalter aufweist, wobei ein erster der zweiten Schaltzweige zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter angeordnet ist, wobei ein zweiter der zweiten Schaltzweige zwischen dem ersten Leiter und dem dritten Leiter angeordnet ist. In der Zuführung des zweiten Leiters zu dem ersten der zweiten Schaltzweige ist genau eine erste effektive Hochsetzdrossel angeordnet. Ebenso ist in der Zuführung des dritten Leiters zu dem zweiten der zweiten Schaltzweige genau eine zweite effektive Hochsetzdrossel angeordnet.The object is achieved by a device for low-common-mode conversion of AC voltage. The device has a voltage supply, with the voltage being supplied during operation via a 1-phase, 2-wire AC voltage network, a 1-phase, 3-wire AC voltage network or a 3-phase multi-wire AC voltage network. Furthermore, the device has three first switching branches, with each first switching branch having a bidirectional switch that can be clocked at a low frequency, with the outputs of the first switching branches each being able to be routed in a switchable manner to a first conductor, with each of the inputs of the voltage supply using a first rectifier device in a positive half-oscillation is routed to a second conductor during operation, each of the inputs of the voltage supply being routed to a third conductor during operation in a negative semi-oscillation by means of a second rectifier device. The device also has at least two second switching branches, with each second switching branch having a switch that can be clocked at high frequency, with a first of the second switching branches being arranged between the first conductor and the second conductor, with a second of the second switching branches being arranged between the first conductor and the third Head is arranged. Exactly one first effective step-up inductor is arranged in the feed line of the second conductor to the first of the second switching branches. Exactly one second effective step-up inductor is also arranged in the supply of the third conductor to the second of the second switching branches.
D.h. mit minimalem Aufwand, nämlich nur zwei Hochfrequenzdrosseln, kann hier eine kostengünstige, leichtgewichtige, energieeffiziente und gleichtaktarme Umrichtung zur Verfügung gestellt werden.This means that a cost-effective, lightweight, energy-efficient and low-common-mode converter can be made available with minimal effort, namely only two high-frequency chokes.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.Further advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims, the description and the figures.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
2 eine weitere schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
3 eine schematische Darstellung eines Aspektes der Erfindung, -
4a-4c unterschiedliche Netzanschlüsse an Ausführungsformen der Erfindung, -
5a und5b eine Auswahl von Schalterimplementierungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
6 eine weitere schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
7 eine weitere schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
8 eine weitere schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
9 eine weitere schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
10 eine weitere schematische Darstellung von Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
11 ein beispielhafter Verlauf von Eingangsspannungen und das Schaltverhalten gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und -
12 einen weiteren Aspekt gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
-
1 a schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
2 a further schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
3 a schematic representation of an aspect of the invention, -
4a-4c different power connections on embodiments of the invention, -
5a and5b a selection of switch implementations according to embodiments of the invention, -
6 a further schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
7 a further schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
8th a further schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
9 a further schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
10 a further schematic representation of elements according to embodiments of the invention, -
11 an exemplary course of input voltages and the switching behavior according to embodiments of the invention, and -
12 a further aspect according to embodiments of the invention.
Ausführliche Darstellung der Erfindung in Bezug auf die ZeichnungenDetailed presentation of the invention with reference to the drawings
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.In the following the invention will be illustrated in more detail with reference to the figures. It should be noted that different aspects are described, which can be used individually or in combination. That is, each aspect can be used with different embodiments of the invention unless explicitly presented as purely alternative.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.Furthermore, for the sake of simplicity, only one entity will generally be referred to below. Unless explicitly noted, however, the invention can also have several of the entities concerned. In this respect, the use of the words “a”, “an” and “an” is only to be understood as an indication that at least one entity is used in a simple embodiment.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.Insofar as methods are described below, the individual steps of a method can be arranged and/or combined in any order, unless something different is explicitly stated in the context. Furthermore, the processes can be combined with one another, unless expressly stated otherwise.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.Specifications with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% to +/- 10%.
Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - auch zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.References to standards or specifications or norms are to be understood as a reference to standards or specifications or norms which are/were applicable at the time of filing and/or - insofar as priority is claimed - also at the time of priority filing. However, this is not to be understood as a general exclusion of applicability to subsequent or superseding standards or specifications or norms.
In
Ganz allgemein weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur gleichtaktarmen Umrichtung von Wechselspannung eine Spannungszuführung auf. Je nach verwendetem Netztyp und Aufgabe kann dabei eine unterschiedliche Anzahl von Eingängen vorgesehen sein.Very generally, a device according to the invention for converting AC voltage with low common mode has a voltage supply. Depending on the type of network used and the task, a different number of inputs can be provided.
Beispielsweise kann für ein (europäisches) Drehstromnetz die Bereitstellung von 3 Eingängen E1 ... E3 ausreichend sein. Diese können z.B. wie in
Für bestimmte Netztypen kann eine besondere Schaltstelllung vorgesehen sein, die natürlich in fest verdrahten Anwendungen (für nur einen Netztyp) auch anders gestaltet sein kann.A special switching position can be provided for certain network types, which of course can also be designed differently in hard-wired applications (for only one network type).
In Ausführungsformen der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass nur eine Spannungszuführung und ein Neutralleiter vorhanden ist. Dieser Fall kann z.B. auch dann auftreten, wenn in einem Drehstromnetz nicht alle Phasen vorhanden sind.In embodiments of the invention, it can also be provided that there is only one voltage supply and one neutral conductor. This case can also occur, for example, if not all phases are present in a three-phase system.
D.h. ganz allgemein kann die Spannungszuführung im Betrieb über ein 1-Phasen-2-Leiter Wechselspannungsnetz, ein 1-Phasen-3-Leiter Wechselspannungsnetz oder ein 3-Phasen-Mehrleiter Wechselspannungsnetz erfolgen.That means, in general, the voltage can be supplied during operation via a 1-phase, 2-wire AC voltage network, a 1-phase, 3-wire AC voltage network or a 3-phase multi-wire AC voltage network.
Die Vorrichtung weist weiterhin drei erste Schaltzweige auf, wobei jeder erste Schaltzweig einen niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc aufweist.The device also has three first switching branches, each first switching branch having a bidirectional switch Sa, Sb, Sc that can be clocked at a low frequency.
Die genaue Ausgestaltung der niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc ist für das Verständnis ohne Belang. Insbesondere können jedoch die in
Die Ausgänge der ersten Schaltzweige können jeweils schaltbar auf einen ersten Leiter m - dargestellt in den
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jeder der Eingänge der Spannungszuführung E1 ... E4 mittels einer ersten Gleichrichtereinrichtung D1a, D2a, D3a in einer positiven Halbschwingung auf einen zweiten Leiter p im Betrieb geführt während jeder der Eingänge der Spannungszuführung E1 ... E4 mittels einer zweiten Gleichrichtereinrichtung D1b, D2b, D3b in einer negativen Halbschwingung auf einen dritten Leiter n im Betrieb geführt wird.In the device according to the invention, each of the inputs of the voltage supply E1 Rectifier device D1b, D2b, D3b is performed in a negative semi-oscillation on a third conductor n in operation.
Die Vorrichtung weist weiterhin zumindest zwei zweite Schaltzweige auf, wobei jeder der zweiten Schaltzweige einen hochfrequent taktbaren Schalter S1, S2 aufweist, wobei ein erster der zweiten Schaltzweige - z.B. S1 - zwischen dem ersten Leiter m und dem zweiten Leiter p angeordnet ist, und wobei ein zweiter der zweiten Schaltzweige - z.B. S2 - zwischen dem ersten Leiter m und dem dritten Leiter n angeordnet ist.The device also has at least two second switching branches, each of the second switching branches having a high-frequency switch S1, S2, wherein a first of the second switching branches - e.g. S1 - is arranged between the first conductor m and the second conductor p, and wherein a second of the second switching branches - e.g. S2 - is arranged between the first conductor m and the third conductor n.
Die genaue Ausgestaltung der hochfrequent taktbaren Schalter S1, S2 ist für das Verständnis ohne Belang. Insbesondere können jedoch die in
In der Zuführung des zweiten Leiters p zu dem ersten der zweiten Schaltzweige S1 ist genau eine erste effektive Hochsetzdrossel Lp angeordnet. Ebenso ist in der Zuführung des dritten Leiters n zu dem zweiten der zweiten Schaltzweige S2 genau eine zweite effektive Hochsetzdrossel Ln angeordnet.Exactly one first effective step-up inductor Lp is arranged in the feed line of the second conductor p to the first of the second switching branches S1. Exactly one second effective step-up inductor Ln is also arranged in the supply of the third conductor n to the second of the second switching branches S2.
Eine effektive Hochsetzdrossel kann aus mehreren einzelnen Hochsetzdrosseln aufgebaut sein, die parallel bzw. in Reihe geschaltet sind, um bestimmte elektrische Eigenschaften aufzuweisen.An effective step-up choke can be constructed from a number of individual step-up chokes which are connected in parallel or in series in order to have specific electrical properties.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc der ersten Schaltzweige im Betrieb so ansteuerbar, dass eine jeweils betragsmäßig kleinste Eingangsphasenspannung der Spannungszuführung auf den ersten Leiter m geschaltet werden kann.In the device according to the invention, the bidirectional switches Sa, Sb, Sc of the first switching branches can be controlled during operation in such a way that the smallest input phase voltage of the voltage supply can be switched to the first conductor m.
Damit resultiert eine gleichtaktarme Ausgangsspannung mit den Teilspannungen uZK1 und uZK2, die keine schaltfrequenten Anteile enthält und so zum einen einem vereinfachten und verkleinerten EMV-Filter ermöglicht. Zum anderen lassen sich dadurch die in der Anwendung für Onboard-Lader nachgeschalteten DC-DC-Stufen transformatorlos (potentialgebunden) aufbauen, wodurch sich im Betrieb Verluste und beim Aufbau Materialkosten als auch Gewicht und Baugröße einsparen lassen. D.h. es kann eine verbesserte Energie- und Kosteneffizienz bereitgestellt werden.This results in a low-common-mode output voltage with the partial voltages uZK1 and uZK2, which does not contain any switching-frequency components and thus enables a simplified and smaller EMC filter. On the other hand, the downstream DC-DC stages in the application for onboard chargers can be constructed without a transformer (non-floating), which means that losses during operation and material costs as well as weight and size can be saved during construction. That is, improved energy efficiency and cost efficiency can be provided.
Aber auch unabhängig von der exemplarischen OBL-Anwendung weist die vorgeschlagene dreiphasige PFC-Topologie einige weitere vorteilhafte Eigenschaften auch für andere Einsatzgebiete auf. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kommen mit nur zwei hochfrequent getakteten Leistungsschaltern S1, S2 aus. Diese können mit vergleichsweise geringen Taktraten von 100 kHz getaktet sein. D.h., in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im ersten Leiter m keine effektive Hochsetzdrossel angeordnet.But also independent of the exemplary OBL application, the proposed three-phase PFC topology has some other advantageous properties for other areas of application. The devices according to the invention manage with only two high-frequency clocked circuit breakers S1, S2. These can be clocked with comparatively low clock rates of 100 kHz. That is, in the device according to the invention, no effective step-up choke is arranged in the first conductor m.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen kommen zudem mit nur zwei Hochsetzdrosseln Lp, Ln aus, während die meisten konventionellen Schaltungen jeweils drei (d.h. jeweils einen hochfrequenten Schalter und eine Drossel pro Netzphase) benötigen.The devices according to the invention also manage with only two step-up chokes Lp, Ln, while most conventional circuits each require three (i.e. one high-frequency switch and one choke per mains phase).
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen arbeiten zudem im Hochsetzbetrieb (Boost Operation), was zu kontinuierlich verlaufenden, nicht-pulsierenden, Eingangsströmen führt und damit auch die Gegentaktanforderungen (Differential Mode, Abk. DM) an das netzseitige EMV-Filter minimiert.The devices according to the invention also work in boost operation, which leads to continuous, non-pulsating input currents and thus also minimizes the push-pull requirements (differential mode, abbreviation DM) on the line-side EMC filter.
Generell kann der Gegentaktanteil des EMV-Filters vorteilhaft auch auf die DC-Seite der Schaltung verschoben werden. Beispielsweise können in
Dazu kann in Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass nachfolgend zu der ersten Gleichrichtereinrichtung D1a, D2a, D3a im zweiten Leiter p eine erste Induktivität L1 und nachfolgend zu der zweiten Gleichrichtereinrichtung D1b, D2b, D3b im dritten Leiter n eine zweite Induktivität L2 angeordnet ist, wobei nachfolgend zu der ersten Induktivität L1 zum ersten Leiter m hin eine erste Filterkapazität CF1 und nachfolgend zu der zweiten Induktivität L2 zum ersten Leiter m hin eine zweite Filterkapazität CF2 angeordnet ist.For this purpose, it can be provided in embodiments of the invention that a first inductance L1 is arranged downstream of the first rectifier device D1a, D2a, D3a in the second conductor p and a second inductance L2 is arranged downstream of the second rectifier device D1b, D2b, D3b in the third conductor n, a first filter capacitance CF1 being arranged downstream of the first inductance L1 towards the first conductor m and a second filter capacitance CF2 downstream of the second inductance L2 towards the first conductor m.
In Ausführungsformen der Erfindung kann zusätzlich noch ein (weiteres) eingangsseitig angeordnetes EMV-Filter vorhanden sein. Dieses kann allerdings gegenüber bisherigen Schaltungsanordnungen deutlich kleiner dimensioniert sein. Insbesondere kann das eingangsseitig angeordnete EMV-Filter so dimensioniert sein, dass es im Wesentlichen zur Gleichtakt-Filterung (engl. Common Mode) eingerichtet ist.In embodiments of the invention, a (further) EMC filter arranged on the input side can also be present. However, this can be dimensioned significantly smaller compared to previous circuit arrangements. In particular, the EMC filter arranged on the input side can be dimensioned in such a way that it Essentially for common mode filtering (engl. Common Mode) is set up.
Des Weiteren kann die vorgeschlagene Schaltung zwar auch im lückenden- (DCM), bzw. Lückgrenzbetrieb (BM bzw. CrCM) arbeiten, aber als in erster Linie vorteilhafte Betriebsweise ist der lückfreie Betrieb (CCM) zu sehen, der hohe Übertragungsleistungen (>10 kW) bei geringen Leitverlusten ermöglicht. Wird dennoch der DCM- oder BM-Betrieb verwendet, so lassen sich die erhöhten Leitverluste im höheren Leistungsbereich, wie üblich, durch Parallelschaltung (und phasenversetzte Ansteuerung „Interleaving“) mehrerer Stränge reduzieren.Furthermore, the proposed circuit can also work in discontinuous (DCM) or discontinuous limit operation (BM or CrCM), but discontinuous operation (CCM) is to be seen as the primarily advantageous mode of operation, which requires high transmission power (>10 kW ) with low conduction losses. However, if DCM or BM operation is used, the increased conduction losses in the higher power range can, as usual, be reduced by parallel connection (and phase-shifted control "interleaving") of several strands.
Es sei zudem angemerkt, dass die in den Figuren dargestellten Trafosymbole im Hintergrund der DC-DC-Stufen als optional anzusehen sind. Bei Verwendung entsprechend eines konventionellen Onboard-Laders können beispielsweise Trafos verwendet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch sowohl DC-DC-Stufen mit Trafo als auch ohne Trafo versorgen, da die Vorrichtung gleichtaktarm ist. Aus diesem Grund sind in den
Da die vorgeschlagene Schaltung im hochfrequent getakteten Teil aus nur zwei Strängen besteht, ist auch der Gesamtaufwand bei leistungsskalierter Parallelschaltung geringer als bei den meisten konventionellen Topologien (2N vs. 3N Gesamtstränge, N: Anzahl paralleler Stränge).Since the proposed circuit consists of only two strands in the high-frequency clocked part, the overall effort with power-scaled parallel circuitry is lower than with most conventional topologies (2N vs. 3N total strands, N: number of parallel strands).
Eine solche Stranganordnung ist in
Vorteilhafterweise wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Durchschaltung der jeweils betragsminimalen Netzphase auf den Mittelpunkt m bereitgestellt, der auch das Mittenpotential der beiden Zwischenkreisteilspannungen uZK1, uZK2 definiert. Für diese Durchschaltung ist je Netzphase ein bidirektionaler Halbleiterschalter Sa, Sb, Sc vorgesehen.Advantageously, in the device according to the invention, the network phase with the minimum absolute value is switched through to the center point m, which also defines the center potential of the two intermediate circuit partial voltages uZK1, uZK2. A bidirectional semiconductor switch Sa, Sb, Sc is provided for each network phase for this connection.
In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können die bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc der ersten Schaltzweige im Betrieb mit bis zu dem dreifachen der jeweiligen Eingangsnetzfrequenz, insbesondere dem doppelten der jeweiligen Eingangsnetzfrequenz, angesteuert bzw. umgeschaltet werden.In the devices according to the invention, the bidirectional switches Sa, Sb, Sc of the first switching branches can be controlled or switched during operation with up to three times the respective input network frequency, in particular twice the respective input network frequency.
Damit entstehen praktisch keine relevanten Schaltverluste in diesen Schalten Sa, Sb, Sc, sodass sie den Gesamtwirkungsgrad der Schaltung nur wenig beeinflussen - insbesondere da somit auf Leistungshalbleitertypen zurückgegriffen werden kann, die auf niedrige Durchlassverluste optimiert sind. Damit ergibt sich aber ein hoher Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.This means that there are practically no relevant switching losses in these circuits Sa, Sb, Sc, so that they have little effect on the overall efficiency of the circuit - especially since it is possible to use power semiconductor types that are optimized for low on-state losses. However, this results in a high overall efficiency of the devices according to the invention.
Begünstigt wird durch die Durchschaltung der jeweils betragsminimalen Netzphase zum Punkt m, neben dem EMV-Verhalten, auch der realisierbare Stromverlauf in dieser Phase, der ja prinzipbedingt immer die Nulldurchgänge vollführen muss. Bei einigen konventionellen dreiphasigen PFC Topologien (z.B. Vienna Rectifier) kommt es im Bereich der Stromnulldurchgänge zum unerwünschten Lückbetrieb und damit zu Stromverzerrungen (Abweichungen von der Sinusform). Da in der vorgeschlagenen Vorrichtung der bidirektionale Schalter praktisch zu jeder Zeit die betragsminimale Netzphase direkt mit dem Mittelpunkt m verbindet, entsteht auch kein temporärer Lückbetrieb mit einhergehenden Stromverzerrungen.The through-connection of the network phase with the minimum amount at point m, in addition to the EMC behavior, also benefits the realizable current flow in this phase, which, due to the principle, always has to go through the zero crossings. With some conventional three-phase PFC topologies (e.g. Vienna Rectifier), unwanted gap operation occurs in the area of the current zero crossings and thus current distortions (deviations from the sinusoidal shape). Since in the proposed device the bidirectional switch practically always connects the network phase with the minimum absolute value directly to the midpoint m, there is also no temporary discontinuous operation with associated current distortions.
Das Betriebsprinzip der vorgeschlagenen PFC-Schaltung sieht eine jeweils unabhängige Regelung der beiden Ströme ip und in in den Hochsetzdrosseln Lp, Ln vor, der Differenzsztrom (ip - in = im) wird über den betreffenden bidirektionalen Schalter zur oder aus der betragsminimalen Netzphase geleitet. Bei entsprechender Sollwertvorgabe für ip und in resultiert für alle drei Netzströme ia, ib, ic ein sinusförmiger Verlauf. ip entspricht dabei dem Strom in der jeweils maximalen Netzphase (positiver Polarität), in entspricht analog dem Strom in der jeweiligen minimalen Netzphase (negativer Polarität).The operating principle of the proposed PFC circuit provides independent control of the two currents ip and in in the step-up chokes Lp, Ln, the differential current (ip - in = im) is routed via the relevant bidirectional switch to or from the network phase with the minimum absolute value. With a corresponding setpoint specification for ip and in, a sinusoidal curve results for all three mains currents ia, ib, ic. ip corresponds to the current in the respective maximum mains phase (positive polarity), in corresponds analogously to the current in the respective minimum mains phase (negative polarity).
In
Es gibt aber noch alternative Implementierungen, die dann zumeist zwei IGBT (z.B. auch rückwärts sperrende RB-IGBT antiparallel angeordnet) pro niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter S1SA, S2SB, S3SC und dafür weniger Dioden aufweisen. Solche Ausgestaltungen erlauben es die Leitverluste pro niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc weiter zu verringern.However, there are still alternative implementations, which then usually have two IGBTs (eg also reverse-blocking RB-IGBTs arranged antiparallel) per bidirectional switch S1SA, S2SB, S3SC that can be clocked at a low frequency and therefore have fewer diodes. Such configurations allow the To further reduce conduction losses per bidirectional switch Sa, Sb, Sc that can be clocked at a low frequency.
IGBTs weisen vergleichsweise geringe Leitverluste, aber höhere Schaltverluste (als z.B. MOSFETs) auf.IGBTs have comparatively low conduction losses, but higher switching losses (than, for example, MOSFETs).
Durch die nur niederfrequente Umschaltung der niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc wirken sich aber die Schaltverluste damit praktisch nicht aus, während von den niedrigen Leitverlusten profitiert werden kann. Weiterhin sind IGBT sehr robuste Halbleiterschalter und kostengünstig in vielen Ausführungen verfügbar. Auch zur fertigungstechnischen Integration in ein gemeinsames Leistungsmodul (gemeinsam mit den umgebenden Dioden, damit resultiert beispielsweise ein Leistungsmodul pro Brückenzweig) sind sie bestens geeignet, was ein wichtiges Argument für die Automobil- (Onboard-Lader-) und Industrieanwendung ist.Due to the only low-frequency switching of the bidirectional switches Sa, Sb, Sc, which can be clocked at low frequencies, the switching losses have practically no effect, while benefit can be gained from the low conduction losses. Furthermore, IGBTs are very robust semiconductor switches and are available in many versions at low cost. They are also ideally suited for production-related integration into a common power module (together with the surrounding diodes, which results in one power module per bridge branch, for example), which is an important argument for automotive (onboard charger) and industrial applications.
Darüber hinaus sind IGBTs in den verschiedenen relevanten Spannungsklassen erhältlich. Dies ist nennenswert, da die Spannungsbelastung der bidirektionalen Schalter, wie auch der beiden hochfrequent angesteuerten Schalter S1, S2 in der vorgeschlagenen PFC-Topologie beim Betrieb am typischen europäischen Drehstromnetz (400 V AC) einen Zwischenwert in Bezug auf Standard-Spannungsklassen annimmt. So wären in dieser Anwendung Typen mit 1000 V Sperrspannung zu bevorzugen, was von IGBT abgedeckt wird.In addition, IGBTs are available in the various relevant voltage classes. This is worth mentioning, since the voltage load of the bidirectional switches, as well as the two high-frequency controlled switches S1, S2 in the proposed PFC topology, when operated on a typical European three-phase network (400 V AC), assumes an intermediate value in relation to standard voltage classes. In this application, types with a blocking voltage of 1000 V would be preferable, which is covered by IGBTs.
Eine weitere vorteilhafte Implementierung der bidirektionalen Halbleiterschalter ist in der Nutzung von monolithischen, bidirektionalen GaN-Transistoren zu sehen. Solche auf GaN-Material basierten Transistoren können einen niederfrequent taktbaren bidirektionalen Schalter Sa, Sb, Sc direkt als Einzelelement realisieren. Neben nochmals verminderter Schaltungskomplexität, resultieren hieraus weiter verringerte Leitverluste und damit ein nochmals gesteigerter Gesamtwirkungsgrad.A further advantageous implementation of the bidirectional semiconductor switch can be seen in the use of monolithic, bidirectional GaN transistors. Such transistors based on GaN material can implement a low-frequency clockable bidirectional switch Sa, Sb, Sc directly as a single element. In addition to a further reduction in circuit complexity, this results in further reduced conduction losses and thus a further increase in overall efficiency.
Monolithisch bidirektionale GaN-Transistoren haben auch ein vergleichsweise schwaches Schaltverhalten, welches in der vorgeschlagenen Anwendung aufgrund der niederfrequenten Umschaltung nicht zum Tragen käme. Stattdessen könnten auf minimale Leitverluste optimierte Typen voll ausgenutzt werden.Monolithic, bidirectional GaN transistors also have a comparatively weak switching behavior, which would not have an effect in the proposed application due to the low-frequency switching. Instead, types optimized for minimal conduction losses could be fully utilized.
Wie bereits eingangs erwähnt kann durch eine geeignete Beschaltung faktisch jedes Netz / jeder Netztyp verwendet werden. Im Folgenden soll auf die Verwendung mit einem einphasigen Netz bzw. der Fallbacklösung eines einphasigen Betriebes kurz eingegangen werden.As already mentioned at the beginning, any network / network type can be used with suitable wiring. In the following, the use with a single-phase network or the fallback solution of a single-phase operation will be briefly discussed.
Durch einen weiteren Diodenzweig D4a, D4b lässt sich der Anschluss des Neutralleiters N realisieren. Dies ist insbesondere bei Verwendung der Erfindung als Onboard-Lader (abgek. OBL) von Vorteil, weil auf diese Weise das im Notfall wichtige Laden auch an einer einphasigen Haushaltssteckdose gewährleistet werden kann. In diesem Fall kann eine der Netzphasen a,b,c mit N als Rückleiter arbeiten.The neutral conductor N can be connected by means of a further diode branch D4a, D4b. This is particularly advantageous when the invention is used as an onboard charger (abbreviated OBL), because in this way charging, which is important in an emergency, can also be ensured at a single-phase household socket. In this case, one of the mains phases a,b,c can work with N as a return conductor.
Der in diesem Zweig eingezeichnete bidirektionale Schalter Sd ist dabei nur als optional anzusehen. Bei Weglassung oder dauerhafter Abschaltung von Sd würden auch im Einphasenbetrieb jederzeit beide Zwischenkreiskapazitäten CZK1, CZK2 gleichzeitig geladen, was vorteilhaft zu einem geringeren Gesamtkapazitätsbedarf und kleineren Baugrößen bei den Zwischenkreiskondensatoren führt.The bidirectional switch Sd drawn in this branch is only to be regarded as optional. If Sd were omitted or permanently switched off, both intermediate circuit capacitances CZK1, CZK2 would be charged simultaneously at all times, even in single-phase operation, which advantageously leads to a lower total capacitance requirement and smaller sizes for the intermediate circuit capacitors.
Wird Sd verwendet und im Einphasenbetrieb eingeschaltet, ergibt sich ein Betriebsverhalten, bei dem die beiden Zwischenkreiskapazitäten CZK1, CZK2 im Netzhalbperiodenrythmus (bei 50 Hz entsprechend 10 ms) nacheinander geladen werden, was bei gleicher Ladeleistung höhere Kapazitätswerte erfordert.If Sd is used and switched on in single-phase operation, the operating behavior results in which the two intermediate circuit capacitances CZK1, CZK2 are charged one after the other in the mains half-period rhythm (at 50 Hz corresponding to 10 ms), which requires higher capacitance values with the same charging power.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass im ersten Leiter m eine (kleine) Kapazität (z.B. 3 µF) angeordnet ist. Dies ermöglicht auch den Betrieb bei einer kleineren Ausgangsgleichspannung. Beispielhaft ist dies in
Die Vorrichtung der Erfindung kann jedoch auch in einem Splitphase-Netz betrieben werden (siehe
Somit befindet sich der Mittelpunkt m auf dem äußerst ruhigen Neutralleiterpotential (0 V), was eventuelle niederfrequente Ableitströme von einer Hochvolt- (abgek. HV) Batterie-Seite her minimiert.The center point m is therefore on the extremely quiet neutral conductor potential (0 V), which minimizes any low-frequency leakage currents from a high-voltage (abbreviated HV) battery side.
Aufgrund der speziellen Netzform (uL1,US und uL2,US um 180° phasenversetzt) können in diesem Fall auch beide Zwischenkreiskapazitäten CZK1, CZK2 gleichzeitig geladen werden, sodass kein erhöhter Kapazitätsbedarf entsteht. Insbesondere kann beim Betrieb am nordamerikanischen Split-Phase-Netz bereitgestellt werden, dass eine HV-Batterie (Antriebsbatterie) mit einem Ladespannungsbereich von etwa 400 - 800 V auch durch die vorgeschlagene Vorrichtung allein, d.h. ohne nachgeschaltete DC-DC-Stufen zur Herabsetzung der Zwischenkreisspannung uZK1/2, geladen werden kann.Due to the special network configuration (uL1,US and uL2,US phase-shifted by 180°), both intermediate circuit capacitances CZK1, CZK2 can also be charged simultaneously in this case, so that no increased capacity requirement arises. In particular, when operating on the North American split-phase grid, it can be provided that an HV battery (traction battery) with a charging voltage range of about 400-800 V can also be charged by the proposed device alone, ie without downstream DC-DC stages for reducing the intermediate circuit voltage uZK1/2, can be loaded.
Sofern ein einheitliches OBL-Gerät für das europäische und das nordamerikanische Netz beibehalten werden soll, könnten also beim Betrieb am Split-Phase Netz die vorhandenen potentialgebundenen DC-DC-Stufen deaktiviert, d.h. die zugehörigen Tiefsetzschalter dauerhaft durchgeschaltet werden. Dies vermeidet dort Schaltverluste und steigert so nochmals den Gesamtwirkungsgrad.If a uniform OBL device is to be retained for the European and North American grids, the existing non-floating DC-DC stages could be deactivated during operation on the split-phase grid, i.e. the associated step-down switches could be switched through permanently. This avoids switching losses there and thus further increases the overall efficiency.
Generell ist festzuhalten, dass die vorgeschlagene dreiphasige PFC-Topologie, unabhängig von der - Anwendung, gerade auch für den Einsatz in Nordamerika interessant ist, da sie hier universell für das beschriebene 120/240V-Split-Phase Netz, wie auch für die ebenfalls vorhandenen 208V AC- und 240V AC- Drehstromnetze (mit geerdetem Sternpunkt) zu verwenden ist - und zwar mit Leistungshalbleitern, die sämtlich in der Sperrspannungsklasse von 600 V liegen können.In general, it should be noted that the proposed three-phase PFC topology, regardless of the application, is also of particular interest for use in North America, since it is universal here for the 120/240V split-phase network described, as well as for the existing 208V AC and 240V AC three-phase networks (with grounded star point) is to be used - with power semiconductors that can all be in the blocking voltage class of 600 V.
D.h. insbesondere auch die hochfrequent getakteten Schalter S1, S2 könnten hier vorteilhaft durch effiziente Standard-MOSFETs in Si-Technologie oder durch bereits verfügbare, hocheffiziente GaN-Transistoren ausgeführt sein.This means that in particular the high-frequency clocked switches S1, S2 could advantageously be implemented using efficient standard MOSFETs in Si technology or using highly efficient GaN transistors that are already available.
Neben den oben abgebildeten und näher erläuterten Implementierungen der vorgeschlagenen PFC-Schaltung sind darüber hinaus noch weitere Varianten nennenswert, die auf dem geschilderten Grundprinzip basieren.In addition to the implementations of the proposed PFC circuit shown and explained in more detail above, there are also other variants worth mentioning that are based on the basic principle described.
Beispielsweise ist in
Weiterhin ist in
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung können auch Varianten mit bidirektionalem Leistungsfluss, sowohl für die potentialgebundene Tief- / Hochsetz-Ausführung (Buck-Boost), als auch für die potentialgetrennten Ausführungen, ermöglicht werden.Without restricting the generality of the invention, variants with a bidirectional power flow can also be made possible, both for the non-floating buck/boost version (buck-boost) and for the non-floating versions.
Zur Ermöglichung des bidirektionalen Leistungsflusses ist variantenunabhängig den Gleichrichterdioden der vorgeschlagenen PFC-Grundtopologie je ein antiparalleler Leistungstransistor (z.B. IGBT) mit niederfrequenter Ansteuerung beizustellen. Praktisch könnte damit beispielsweise für OBL-Anwendungen (Leistungsfluss: Ladesäule ↔ EV) die künftige SmartGrid-Integration (Vehicle-to-Grid, Vehicle-to-Load) aufwandsarm realisiert werden.To enable the bidirectional power flow, the rectifier diodes of the proposed PFC basic topology must each be provided with an anti-parallel power transistor (e.g. IGBT) with low-frequency control, regardless of the variant. In practice, for example, the future SmartGrid integration (vehicle-to-grid, vehicle-to-load) for OBL applications (power flow: charging station ↔ EV) could be implemented with little effort.
D.h., mittels der Erfindung wird eine besonders einfache Verwendung einer Vorrichtung als Onboard-Lader für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Dabei können z.B. durch geeignete Netzkabel die Anschlüsse an ein passendes Netz (entsprechend
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015204766A1 (en) | 2014-03-17 | 2015-09-17 | Infineon Technologies Austria Ag | OPERATIONAL GALLIUM NITRIDE COMPONENTS |
EP3113345A1 (en) | 2015-07-01 | 2017-01-04 | ABB Technology AG | Electrical converter and control method |
US20190288539A1 (en) | 2016-12-14 | 2019-09-19 | Renault S.A.S. | Method for controlling a charging device on board an electric or hybrid vehicle |
WO2020089419A1 (en) | 2018-11-02 | 2020-05-07 | Prodrive Technologies B.V. | Electrical power converter |
DE102019106485A1 (en) | 2019-03-14 | 2020-09-17 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Weissach rectifier arrangement |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6545887B2 (en) * | 1999-08-06 | 2003-04-08 | The Regents Of The University Of California | Unified constant-frequency integration control of three-phase power factor corrected rectifiers, active power filters and grid-connected inverters |
KR102486104B1 (en) * | 2018-04-03 | 2023-01-09 | 현대자동차주식회사 | Battery charger for electric vehicle |
-
2020
- 2020-11-12 DE DE102020214265.3A patent/DE102020214265A1/en active Pending
-
2021
- 2021-11-12 WO PCT/EP2021/081496 patent/WO2022101396A1/en unknown
- 2021-11-12 EP EP21814724.7A patent/EP4244966A1/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015204766A1 (en) | 2014-03-17 | 2015-09-17 | Infineon Technologies Austria Ag | OPERATIONAL GALLIUM NITRIDE COMPONENTS |
EP3113345A1 (en) | 2015-07-01 | 2017-01-04 | ABB Technology AG | Electrical converter and control method |
US20190288539A1 (en) | 2016-12-14 | 2019-09-19 | Renault S.A.S. | Method for controlling a charging device on board an electric or hybrid vehicle |
WO2020089419A1 (en) | 2018-11-02 | 2020-05-07 | Prodrive Technologies B.V. | Electrical power converter |
DE102019106485A1 (en) | 2019-03-14 | 2020-09-17 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Weissach rectifier arrangement |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Chongming Qiao;K.M. SmedleyA general three-phase PFC controller for rectifiers with a series-connected dual-boost topology.Journal Article: IEEE Transactions on Industry Applications 2002, Volume: 38, Issue: 1 |
Johann W. Kolar; Thomas FriedliThe essence of three-phase PFC rectifier systems. Conference Paper: 2011 IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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EP4244966A1 (en) | 2023-09-20 |
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