DE102021100761A1 - Resonanztopologie für einen gleichstrom-wechselstrom-wechselrichter - Google Patents

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Seba Alnajjar
Tayler Jouja
Theodore Atanassov
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Abstract

Ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem umfasst einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Gleichspannungseingabe empfängt, und einen sekundären Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter. Der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst eine Vielzahl von Schaltnetzen und eine Vielzahl von Transformatoren, die eine Vielzahl von primären Wicklungen und eine Vielzahl von sekundären Wicklungen aufweisen. Wie üblich sind die Vielzahl von sekundären Wicklungen in Reihe angeordnet, um einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang vorzusehen. Ein LC-Schwingkreis ist in Reihe mit dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang verbunden. Ein Gleichrichter richtet eine Wechselspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang gleich, um eine erste gleichgerichtete Ausgabe zu erzeugen. Der sekundäre Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter empfängt die erste gleichgerichtete Ausgabe oder eine gefilterte Ausgabe derselben und sieht eine hohe Wechselstromausgabe vor. Eine Steuereinrichtung vermittelt das Schalten der Vielzahl von Schaltnetzen .

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Gemäß wenigstens einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung elektrische Systeme für Kraftfahrzeuge, in denen eine niedrige Gleichspannungseingabe zu einer hohen Wechselspannungsausgabe gewandelt wird. Insbesondere wird ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter vorgesehen, der in Elektro- oder Hybridfahrzeugen oder in anderen Fahrzeugen, die eine hohe Wechsel- oder Gleichspannung benötigen, verwendet werden kann.
  • HINTERGRUND
  • Viele moderne Kraftfahrzeuge benötigen hohe Wechsel- und Gleichspannungen für das Betreiben der in ihnen enthaltenen elektronischen Einrichtungen und Systeme. Beispiele für Wechselrichter und/oder Wandler sind in den US-Patenten Nr. 10,023,072, 9,705,41 9,537,401, 8,587,207, 7,514,817, 7,049,712, 6,807,072 und 6,205,035 angegeben. Diese Aufbauten aus dem Stand der Technik funktionieren gut, wobei jedoch ein Bedarf für Wechselrichter mit einer reduzierten Größe und einer verbesserten Effizienz besteht.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß wenigstens einem Aspekt wird ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem für das Stromversorgen und Betreiben von Kraftfahrzeugkomponenten vorgesehen. Das Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem umfasst einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Gleichspannungseingabe empfängt, und einen sekundären Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter. Der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst eine Vielzahl von Schaltnetzen und eine Vielzahl von Transformatoren, die eine Vielzahl von primären Wicklungen und eine Vielzahl von sekundären Wicklungen aufweisen. Wie üblich sind die Vielzahl von sekundären Wicklungen in Reihe angeordnet, um einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang vorzusehen. Ein LC-Schwingkreis ist in Reihe mit dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang verbunden. Ein Gleichrichter richtet eine Wechselspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang gleich, um eine erste gleichgerichtete Ausgabe zu erzeugen. Der sekundäre Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter empfängt die erste gleichgerichtete Ausgabe oder eine gefilterte Ausgabe derselben und sieht eine hohe Wechselspannungsausgabe vor. Eine Steuereinrichtung vermittelt das Schalten der Vielzahl von Schaltnetzen .
  • Gemäß einem anderen Aspekt umfasst ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Vielzahl von Push-Pull-Wandlern umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Vielzahl von Flyback-Wandlern umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Vielzahl von H-Brücke-Wandlern umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler eine hohe Wechselspannung (z.B. eine Effektivwert (RMS)-Spannung, die größer oder gleich 180 Volt ist), die für das Betreiben eines Systems oder einer Einrichtung in einem Kraftfahrzeug verwendet werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt sieht der Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler eine hohe Wechsel- oder Gleichspannung vor, die in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann der hier vorgesehene Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler ohne einen Ventilator betrieben werden und dennoch hohe Wandlungseffizienzen (z.B. größer als 90%) vorsehen.
  • Figurenliste
  • Die Beschaffenheit, die Aufgaben und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet werden.
    • 1 ist eine schematische Ansicht eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselrichtersystems, das hohe Gleich- und Wechselspannungen für das Betreiben von elektrischen Systemen und Einrichtungen in einem Kraftfahrzeug vorsieht.
    • 2 ist eine schematische Ansicht eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselrichtersystems, das zwei Push-Pull-Wandler umfasst.
    • 3 ist eine schematische Ansicht eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselrichtersystems, das zwei Flyback-Wandler umfasst.
    • 4 ist eine schematische Ansicht eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselrichtersystems, das zwei H-Brücke-Wandler umfasst.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden derzeit durch die Erfinder bevorzugte Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Es ist jedoch zu beachten, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die auch durch verschiedene andere Ausführungsformen realisiert werden kann. Deshalb sind die hier beschriebenen spezifischen Details nicht einschränkend aufzufassen, sondern lediglich als repräsentative Basis für bestimmte Aspekte der Erfindung und/oder als repräsentative Basis für den Fachmann, der die Erfindung realisieren möchte.
  • Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, deren spezifische Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variiert werden können. Außerdem ist die hier verwendete Terminologie beispielhaft zu verstehen und schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
  • Formulierungen im Singular sind so zu verstehen, dass es sich jeweils auch um mehrere der genannten Einheiten handeln kann, außer wenn dies eindeutig durch den Kontext ausgeschlossen wird.
  • Formulierungen mit „umfassen“ sind synonym zu Formulierungen „enthalten“, „aufweisen“ oder „gekennzeichnet durch“ zu verstehen. Derartige Formulierungen sind inklusiv und offen zu verstehen und schließen also weitere nicht genannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
  • Formulierungen mit „bestehen aus“ schließen andere als die im Anspruch genannten Elemente, Schritte oder Inhaltsstoffe aus. Wenn eine derartige Formulierung in einem folgenden Absatz eines Anspruchs und nicht direkt nach der Präambel verwendet wird, schränkt sie nur das in diesem Absatz genannte Element ein, während andere Elemente nicht aus dem gesamten Anspruch ausgeschlossen sind.
  • Formulierungen mit „bestehen im Wesentlichen aus“ schränken den Umfang eines Anspruchs auf die genannten Materialien oder Schritte ein, wobei aber auch andere Materialien oder Schritte vorhanden sein können, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften des beanspruchten Gegenstands nicht wesentlich beeinflussen.
  • Formulierungen mit „umfassen“, „bestehen aus“ oder „bestehen im Wesentlichen aus“ können durchgehend durch eine der anderen Formulierungen ersetzt werden.
  • Es ist zu beachten, dass Ganzzahlbereiche ausdrücklich alle eingeschlossenen Ganzzahlen umfassen. Zum Beispiel umfasst der Ganzzahlbereich 1-10 ausdrücklich 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10. Entsprechend umfasst der Ganzzahlbereich von 1 bis 100 die Ganzzahlen 1, 2, 3, 4 ... 97, 98, 99, 100. Wenn entsprechend ein beliebiger Bereich genannt wird, können eingeschlossene Zahlen, die Inkremente der Differenz zwischen der oberen Grenze und der unteren Grenze dividiert durch 10 sind, als alternative obere oder untere Grenzen genommen werden. Wenn der Bereich zum Beispiel 1,1 bis 2,1 ist, können die Zahlen 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 und 2,0 als die unteren oder oberen Grenzen genommen werden.
  • Eine Formulierung mit „verbunden mit“ bedeutet, dass die als verbunden bezeichneten elektrischen Komponenten in einer elektrischen Verbindung stehen. In einer Verfeinerung bedeutet „verbunden mit“, dass die als verbunden bezeichneten elektrischen Komponenten direkt miteinander verdrahtet sind. In einer weiteren Verfeinerung bedeutet „verbunden mit“, dass die elektrischen Komponenten verdrahtet und/oder drahtlos miteinander verbunden sind. In einer weiteren Verfeinerung bedeutet „verbunden mit“, dass eine oder mehrere zusätzliche elektrische Komponenten zwischen den als verbunden bezeichneten elektrischen Komponenten angeordnet sind, wobei ein von einer Komponente ausgehendes elektrisches Signal verarbeitet (z.B. gefiltert, verstärkt, moduliert, gleichgerichtet, gedämpft, summiert, subtrahiert usw.) wird, bevor es durch die damit verbundene Komponente empfangen wird.
  • Unter einer „elektrischen Kommunikation“ ist zu verstehen, dass ein elektrisches Signal direkt oder indirekt von einer sendenden elektronischen Einrichtung zu einer empfangenden elektrischen Einrichtung gesendet wird. Eine indirekte elektrische Kommunikation kann eine Verarbeitung des elektrischen Signals wie etwa ein Filtern des Signals, ein Verstärken des Signals, ein Gleichrichten des Signals, ein Modulieren des Signals, ein Dämpfen des Signals, ein Addieren des Signals zu einem anderen Signal, ein Subtrahieren des Signals von einem anderen Signal, ein Subtrahieren eines anderen Signals von dem Signal usw. umfassen. Eine elektrische Kommunikation kann mit verdrahteten Komponenten, drahtlos verbundenen Komponenten oder einer Kombination aus diesen bewerkstelligt werden.
  • Unter einem „elektrischen Signal“ ist die elektrische Ausgabe von einer elektronischen Einrichtung oder die elektrische Eingabe zu einer elektronischen Einrichtung zu verstehen. Das elektrische Signal ist durch eine Spannung und/oder einen Strom gekennzeichnet. Das elektrische Signal kann gleichbleibend in Bezug auf die Zeit (z.B. ein Gleichstromsignal) sein oder in Bezug auf die Zeit variieren.
  • Unter einem „Gleichstromsignal“ sind elektrische Signale zu verstehen, die über ein vordefiniertes Zeitintervall hinweg nicht wesentlich variieren. In dieser Hinsicht ist das Signal ein Gleichstrom über das vordefinierte Intervall. „Gleichstromsignale“ können Gleichstromausgaben von elektrischen Einrichtungen und Gleichstromeingaben zu Einrichtungen sein.
  • Unter einem „Wechselstromsignal“ sind elektrische Signale zu verstehen, die über das für das Gleichstromsignal vordefinierte Zeitintervall hinweg variieren. In dieser Hinsicht ist ein Wechselstromsignal ein Wechselstrom über das vordefinierte Intervall. „Wechselstromsignale“ können Wechselstromausgaben von elektrischen Einrichtungen und Wechselstromeingaben zu Einrichtungen sein.
  • Es ist zu beachten, dass ein Signal mit einem nicht-null-Durchschnittswert für die Spannung oder den Strom ein Gleichstromsignal ist (das mit einem Wechselstromsignal kombiniert wurde oder wird). Deshalb wird bei einem derartigen Signal die nicht über die Zeit variierende Komponente als „Gleichstrom“ bezeichnet und wird die über die Zeit variierende Komponente als „Wechselstrom“ bezeichnet. Es kann ein entsprechendes Filtern verwendet werden, um das Wechselstromsignal oder das Gleichstromsignal wiederherzustellen.
  • Unter einer „elektrischen Komponente“ ist eine physikalische Einheit in einer elektronischen Einrichtung oder einem elektronischen System zu verstehen, die verwendet wird, um Zustände von Elektronen, einen Elektronenfluss oder die mit Elektronen assoziierten elektrischen Felder zu beeinflussen. Beispiele für elektronische Komponenten sind Kondensatoren, Induktoren, Widerstände, Thyristoren, Dioden, Transistoren usw. Elektronische Komponenten können passiv oder aktiv sein.
  • Unter einer „elektronischen Einrichtung“ oder einem „elektronischen System“ ist eine physikalische Einheit zu verstehen, die aus einer oder mehreren elektronischen Komponenten für das Durchführen einer vorbestimmten Funktion an einem elektrischen Signal besteht.
  • Unter einem „Nullstromschalten“ ist ein Transistorschalten zu verstehen, in dem der Transistor bei einem Nullstrom zu einem Abschalten übergeht.
  • Wenn in dieser Anmeldung auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, sind diese Veröffentlichungen hier vollständig unter Bezugnahme in die Anmeldung eingeschlossen, um den Stand der Technik der Erfindung zu verdeutlichen.
  • Es können die folgenden Abkürzungen verwendet werden: „AC“ steht für Wechselstrom; „DAC“ steht für Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler; „DC“ steht für Gleichstrom; „RMS“ steht für Effektivwert; „V“ steht für Volt; „ZCS“ steht für Nullstromschalten.
  • In einer Ausführungsform wird ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem mit einer Resonanztopologie vorgesehen. Vorzugsweise kann das Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem eine 230V-Wechselstromausgabe mit 400 Watt von einer 12V-Wechselstrombatterieeingabe vorsehen, was hilfreich für elektrische Fahrzeuganwendungen ist. 1 ist eine schematische Ansicht des Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystems. Das Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichtersystem 10 umfasst einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 und einen sekundären Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter 14. Der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 empfängt eine Gleichspannungseingabe Vin von einer Eingangsstromquelle 16 und gibt eine hohe Gleichspannungsausgabe Vout aus. In einer Verfeinerung beträgt die Gleichspannungseingabe Vin zwischen 5 und 20 Volt. In einer weiteren Verfeinerung beträgt die Gleichspannungseingabe Vin zwischen 11 und 16 Volt. Der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 umfasst eine Vielzahl von Schaltnetzen 18, die geschaltet werden, um eine Vielzahl von Hochstufungsisolationstransformatoren 20 zu aktivieren. Wie üblich weist die Vielzahl von Transformatoren 20 eine Vielzahl von primären Wicklungen und eine Vielzahl von sekundären Wicklungen auf. In einer Verfeinerung beträgt die Ausgabespannung der Transformatoren ungefähr 120 V. Jedes Schaltnetz enthält einen oder mehrere Transistorschalter. Weiterhin weist jeder Hochstufungsisolationstransformator ein assoziiertes Schaltnetz zum Aktivieren seines assoziierten Transformators auf. Wie üblich enthält der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 2n Transformatoren und 2n assoziierte Schaltnetze, wobei n eine Ganzzahl ist (z.B. ist n gleich 1, 2, 3, 4, 5, 6 usw.). In einer Verfeinerung enthält der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 2 Transformatoren und 2 assoziierte Schaltnetze. Die sekundären Wicklungen der Vielzahl von Transformatoren 20 sind in Reihe mit einem ersten Ausgang 24 und einem zweiten Ausgang 26 der in Reihe angeordneten sekundären Wicklungen verbunden. Im Gegensatz dazu ist die primäre Seite der Transformatoren mit parallelen Schaltnetzen konfiguriert, die assoziierte primäre Wicklungen der Transformatoren betreiben. Ein LC-Schwingkreis 30 ist in Reihe mit dem ersten Ausgang 24 und dem zweiten Ausgang 26 verbunden. Der LC-Schwingkreis 30 enthält wie üblich einen Kondensator und einen Induktor. In einer Verfeinerung funktioniert eine Leckinduktanz der Vielzahl von sekundären Wicklungen als der Induktor. Ein Gleichrichter 32 richtet die Wechselspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang zu einer ersten gleichgerichteten Ausgabe gleich. In einer Verfeinerung weist die erste gleichgerichtete Ausgabe eine durchschnittliche Spannungsgröße von ungefähr 80 bis 400 Volt auf. Zum Beispiel ist der Gleichrichter 32 in einer elektrischen Kommunikation mit der Wechselspannung zwischen dem ersten Ausgang 24 und dem zweiten Ausgang 26 und sieht eine Gleichspannungsausgabe Vout vor. Ein sekundärer Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter 14 empfängt die erste gleichgerichtete Ausgabe oder eine gefilterte (z.B. durch einen Kondensator 31 geglättete) Ausgabe derselben und sieht eine hohe Wechselspannungsausgabe (VAC) vor. In einer Verfeinerung weist die hohe Wechselspannungsausgabe eine Effektivwert (RMS)-Spannung von ungefähr 80 bis 250 Volt auf. Wie weiter unten im größeren Detail erläutert, vermittelt (z.B. steuert) die Steuereinrichtung 36 das Schalten der Vielzahl von Schaltnetzen 18.
  • Es ist zu beachten, dass der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit verschiedenen Aufbauten umfassen kann. Zum Beispiel kann der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 2n Push-Pull-Wandler, wobei n eine Ganzzahl ist, umfassen. In einem anderen Beispiel kann der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 2n Flyback-Wandler, wobei n eine Ganzzahl ist, umfassen. In einem weiteren Beispiel kann der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 2n H-Brücke-Wandler, wobei n eine Ganzzahl ist, umfassen.
  • Vorzugsweise kann der DC/AC-Wandler 10 ohne einen Kühlventilator betrieben werden und dennoch hohe Wandlungseffizienzen von mehr als 90% vorsehen.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystems, das zwei Push-Pull-Wandler mit einer Resonanztopologie umfasst. Wie üblich sind die primären Seiten parallel verbunden, um die Transformatorgröße zu minimieren, während die sekundären Seiten der Isolationstransformatoren in Reihe über die Resonanzschaltung verbunden sind. Dieser Aufbau verbessert die Effizienz der Konfiguration durch das Minimieren von Isolationstransformatorverlusten. Die primären Niederspannungsseiten der Isolationstransformatoren sind parallel verbunden, während die sekundären Wicklungen in Reihe elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise ist die Niederspannungsseite von der Hochspannungsseite wenigstens teilweise durch eine Trennung in den Isolationstransformatoren isoliert. Das Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem 10 umfasst einen ersten Push-Pull-Wandler 40 und einen zweiten Push-Pull-Wandler 42. Der erste Push-Pull-Wandler 40 umfasst ein erstes Schaltnetz 44 und einen ersten Isolationstransformator 46. Der erste Isolationstransformator 46 weist eine erste Vielzahl von primären Wicklungen 48 und eine erste Vielzahl von sekundären Wicklungen 50 auf. Der zweite Push-Pull-Wandler 42 umfasst ein zweites Schaltnetz 52 und einen zweiten Isolationstransformator 54. Der zweite Isolationstransformator 54 weist eine zweite Vielzahl von primären Wicklungen 56 und eine zweite Vielzahl von sekundären Wicklungen 58 auf. In einer Verfeinerung beträgt die Ausgabespannung der Transformatoren ungefähr 120 V. Das erste Schaltnetz ist konfiguriert zum Alternieren einer Gleichspannungseingabe Vin über die erste Vielzahl von primären Wicklungen 48. Die Gleichspannungseingabe Vin wird wie üblich durch eine Gleichstromquelle 16 vorgesehen. In einer Verfeinerung beträgt die Gleichspannungseingabe zwischen 5 und 20 Volt. In einer weiteren Verfeinerung beträgt die Gleichspannungseingabe zwischen 11 und 16 Volt. Entsprechend ist das zweite Schaltnetz konfiguriert zum Alternieren der Gleichspannungseingabe über die zweite Vielzahl von primären Wicklungen 56. Wie üblich sind die erste Vielzahl von sekundären Wicklungen 50 und die zweite Vielzahl von sekundären Wicklungen 58 in Reihe mit einem ersten Ausgang 24 und einem zweiten Ausgang 26 verbunden. Der LC-Schwingkreis 30 (d.h. ein Resonanzkreis) ist in Reihe mit dem ersten Ausgang 24 verbunden. Der LC-Schwingkreis 30 ist in Reihe mit der ersten Vielzahl von sekundären Wicklungen 50 und der zweiten Vielzahl von sekundären Wicklungen 56 verbunden. In einer Verfeinerung enthält der LC-Schwingkreis 30 einen Kondensator in Reihe mit einem Induktor. In einer Verfeinerung wird das Lecken der sekundären Wicklungen im Wesentlichen als der Induktor verwendet. In einer weiteren Verfeinerung wird die Leckinduktanz der sekundären Wicklungen als der Induktor verwendet und ist kein separater oder diskreter Induktor als Teil des Schwingkreises 30 vorgesehen.
  • Der Gleichrichter 32 von 2 empfängt die zweite Ausgabe oder eine verarbeitete Ausgabe derselben und gibt eine erste gleichgerichtete Ausgabe Vout aus. Wie üblich ist die erste gleichgerichtete Ausgabe 50 eine Gleichstromausgabe oder wird gefiltert, um eine Gleichstromausgabe vorzusehen. In einer Variation ist der Gleichrichter 32 ein Vollbrückengleichrichter. In einer Verfeinerung weist die erste gleichgerichtete Ausgabe eine durchschnittliche Spannungsgröße von ungefähr 80 bis 400 Volt auf. In einer weiteren Verfeinerung ist die erste gleichgerichtete Ausgabe eine hohe Gleichspannungsausgabe (Vout) von ungefähr 200-380 V.
  • In einer Variation enthält das Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem 10 einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (DAC) 48, der die erste gleichgerichtete Ausgabe oder eine gefilterte Ausgabe derselben empfängt und eine stabile Wechselstromausgabe vorsieht. In einer Verfeinerung weist die Wechselstromausgabe eine Effektivwert (RMS)-Spannung von ungefähr 80 bis 250 V auf. Vorzugsweise kann eine stabile Wechselspannungsausgabe verwendet werden, um Wechselstromlasten, die für den 230V-Standard und ungefähr 400 Watt ausgerichtet sind, mit Strom zu versorgen.
  • Die Steuereinrichtung 36 von 2 wird für das Steuern des Schaltens des ersten Schaltnetzes und des zweiten Schaltnetzes angewendet. Wie üblich ist die Steuereinrichtung 36 ein Mikrocontroller. In einer Verfeinerung sind der erste Isolationstransformator 46 und der zweite Isolationstransformator 54 jeweils unabhängig mit einer Zwei-Schalter-Topologie konfiguriert. In einer derartigen Topologie enthält das erste Schaltnetz 44 Schalter S1 und S2 und enthält das zweite Schaltnetz 52 Schalter S3 und S4. Insbesondere sind die Gates der Schalter s1, s2, s3 und s4 in einer elektrischen Kommunikation mit der Steuereinrichtung 46. Der Source/Drain-Anschluss des Schalters s1 ist zwischen einem ersten Anschluss 62 des ersten Isolationstransformators 46 und einer Referenzspannung 64 (z.B. einer Erde) verbunden; und der Source/Drain-Anschluss des Schalters s2 ist zwischen einem zweiten Anschluss 66 des ersten Isolationstransformators 46 und einer Referenzspannung 64 (z.B. einer Erde) verbunden. Der Source/Drain-Anschluss des Schalters s3 ist zwischen einem ersten Anschluss 68 des zweiten Isolationstransformators 54 und einer Referenzspannung 64 (z.B. einer Erde) verbunden; und der Source/Drain-Anschluss des Schalters s4 ist zwischen einem zweiten Anschluss 70 des zweiten Isolationstransformators 54 und einer Referenzspannung 64 (z.B. einer Erde) verbunden. Wie üblich werden die Schalter S1-S4 auf den primären Seiten der Isolationstransformatoren unter Verwendung von Leistungs-MOSFETs, die durch einen Mikrocontroller 36 gesteuert werden, implementiert. Die primären Transistoren S1-S4 verwenden ein Nullstromschalten (ZCS)-Schema für das Minimieren von Schaltverlusten. In einer Verfeinerung werden die Schalter S1 und S3 gleichzeitig betätigt (d.h. eingeschaltet) und werden die Schalter S2 und S4 gleichzeitig betätigt. Weiterhin werden die Schalter S1 und S3 mit den Schaltern S2 und S4 betätigt. In einer Verfeinerung liegt die Frequenz, mit der jeder Schalter betätigt wird, zwischen 40 kHz und 100 kHz. In einer anderen Variation sind der erste Isolationstransformator 46 und der zweite Isolationstransformator 54 jeweils unabhängig mit einer geteilten primären Wicklung wie in 2 gezeigt konfiguriert.
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystems, das zwei Flyback-Wandler mit einer Resonanztopologie umfasst. In dieser Variation umfasst das Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem 10 einen ersten Flyback-Wandler 80 und einen zweiten Flyback-Wandler 82. Der erste Flyback-Wandler 80 umfasst einen Transformator 46, der einen mit einer Gleichspannungseingabe verbundenen Eingang zu primären Wicklungen und einen mit dem Transistorschalter S1 verbundenen anderen Eingang aufweist. Entsprechend umfasst der zweite Flyback-Wandler 82 einen zweiten Transformator 54, der einen mit einer Gleichspannungseingabe verbundenen Eingang von primären Wicklungen 56 und einen mit dem Transistorschalter S2 verbundenen anderen Eingang aufweist. Die Vielzahl von sekundären Wicklungen 50 des ersten Transformators 46 und die Vielzahl von sekundären Wicklungen 58 des zweiten Transformators 54 sind in Reihe wie oben beschrieben verbunden. In dieser Variation steuert die Steuereinrichtung 36 das Schalten von Schaltern S1 und S2. Weiterhin ist in dieser Variation der Gleichrichter 32 eine Einweg-Signaldiode. Die Aufbauten des LC-Schwingkreises 30 und des primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 12 sind gleich den oben beschriebenen.
  • 4 ist eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystems, das zwei H-Brücke-Wandler mit einer Resonanztopologie umfasst. In dieser Variation umfasst das Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem 10 einen ersten H-Brücke-Wandler 90 und einen zweiten H-Brücke-Wandler 92. Der erste H-Brücke-Wandler 90 umfasst einen Transformator 46 und Transistorschalter S1, S2, S3 und S4, die in einer H-Brückenkonfiguration angeordnet sind. Die Transistorschalter S1, S2, S3 und S4 werden betrieben, um die Richtung des Stromflusses durch eine erste Vielzahl von primären Wicklungen 48 zu alternieren. Entsprechend umfasst der zweite H-Brücke-Wandler 92 zweite Transformatoren 54 und Transistorschalter S5, S6, S7 und S8, die in einer H-Brücke-Konfiguration angeordnet sind. Die Transistorschalter S5, S6, S7 und S8 werden betrieben, um die Richtung des Stromflusses durch eine zweite Vielzahl von Wicklungen 56 zu alternieren. Wie weiter oben genannt, sind die Vielzahl von sekundären Wicklungen 50 des ersten Transformators 46 und die Vielzahl von sekundären Wicklungen 58 des zweiten Transformators 54 in Reihe verbunden. In dieser Variation steuert die Steuereinrichtung 36 das Schalten der Schalter S1 und S8. Die Aufbauten des LC-Schwingkreises 30, des Gleichrichters 32 und des primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 12 sind gleich den oben beschriebenen.
  • Es wurden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die Beschreibung ist beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen, wobei verschiedene Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Außerdem können Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu realisieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (20)

  1. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem, umfassend: einen primären Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Gleichspannungseingabe empfängt und enthält: eine Vielzahl von Schaltnetzen eine Vielzahl von Transformatoren, die eine Vielzahl von primären Wicklungen und eine Vielzahl von sekundären Wicklungen aufweisen, wobei die Vielzahl von sekundären Wicklungen in Reihe angeordnet sind, um einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang vorzusehen, einen LC-Schwingkreis, der in Reihe mit dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang verbunden ist, und einen Gleichrichter, der eine Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang gleichrichtet, um eine erste gleichgerichtete Ausgabe zu erzeugen, einen sekundären Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter, der die erste gleichgerichtete Ausgabe oder eine gefilterte Ausgabe derselben empfängt und eine Wechselspannungsausgabe vorsieht, und eine Steuereinrichtung, die das Schalten der Vielzahl von Schaltnetzen steuert.
  2. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 2n Push-Pull-Wandler, wobei n eine Ganzzahl ist, umfasst.
  3. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 2n Flyback-Wandler, wobei n eine Ganzzahl ist, umfasst.
  4. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei der primäre Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 2n H-Brücke-Wandler, wobei n eine Ganzzahl ist, umfasst.
  5. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die Wechselspannungsausgabe eine RMS-Spannung von ungefähr 80 bis 250 Volt ist.
  6. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei der LC-Schwingkreis einen Kondensator in Reihe mit einem Induktor umfasst.
  7. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 6, wobei eine Leckinduktanz der Vielzahl von sekundären Wicklungen als der Induktor funktioniert.
  8. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungseingabe zwischen 11 und 16 Volt beträgt.
  9. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die erste gleichgerichtete Ausgabe eine Gleichspannungsausgabe oder eine gefilterte Ausgabe derselben ist.
  10. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die erste gleichgerichtete Ausgabe eine durchschnittliche Spannungsgröße von ungefähr 80 bis 400 Volt aufweist.
  11. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem, umfassend: einen ersten Push-Pull-Wandler, der ein erstes Schaltnetz und einen ersten Isolationstransformator umfasst, wobei der erste Isolationstransformator eine erste Vielzahl von primären Wicklungen und eine erste Vielzahl von sekundären Wicklungen aufweist, wobei das erste Schaltnetz konfiguriert ist zum Alternieren einer Gleichspannungseingabe über die erste Vielzahl von primären Wicklungen, einen zweiten Push-Pull-Wandler, der ein zweites Schaltnetz und einen zweiten Isolationstransformator umfasst, wobei der zweite Isolationstransformator eine zweite Vielzahl von primären Wicklungen und eine zweite Vielzahl von sekundären Wicklungen aufweist, wobei die erste Vielzahl von sekundären Wicklungen und die zweite Vielzahl von sekundären Wicklungen in Reihe verbunden sind, um einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang vorzusehen, einen LC-Schwingkreis, der in Reihe mit dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang verbunden ist, einen Gleichrichter, der eine Wechselspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang gleichrichtet, um eine erste gleichgerichtete Ausgabe zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung, die das Schalten des ersten Schaltnetzes und des zweiten Schaltnetzes steuert.
  12. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 11, das weiterhin einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler umfasst, der die erste gleichgerichtete Ausgabe oder eine gefilterte Ausgabe derselben empfängt und eine hohe Wechselspannungsausgabe vorsieht.
  13. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 12, wobei die hohe Wechselspannungsausgabe eine RMS-Spannung von ungefähr 80 bis 250 Volt ist.
  14. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 11, wobei der erste Isolationstransformator und der zweite Isolationstransformator jeweils unabhängig mit einer Zwei-Schalter-Topologie konfiguriert sind.
  15. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei der erste Isolationstransformator und der zweite Isolationstransformator jeweils unabhängig mit einer geteilten primären Wicklung konfiguriert sind.
  16. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei der erste Isolationstransformator einen ersten Schalter, der an einem ersten Anschluss des ersten Isolationstransformators vorgesehen ist, und einen zweiten Schalter, der in einer elektrischen Kommunikation mit einem zweiten Anschluss des ersten Isolationstransformators ist, umfasst.
  17. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 11, wobei der LC-Schwingkreis in Reihe mit der ersten Vielzahl von sekundären Wicklungen und der zweiten Vielzahl von sekundären Wicklungen verbunden ist.
  18. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 11, wobei der LC-Schwingkreis einen Kondensator in Reihe mit einem Induktor umfasst.
  19. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 18, wobei eine Leckinduktanz der ersten Vielzahl von sekundären Wicklungen und der zweiten Vielzahl von sekundären Wicklungen als der Induktor funktioniert.
  20. Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtersystem nach Anspruch 11, wobei die Gleichspannungseingabe zwischen 11 und 16 Volt beträgt und die erste gleichgerichtete Ausgabe eine durchschnittliche Spannungsgröße von ungefähr 80 bis 400 Volt beträgt.
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