DE102021117076A1 - DC voltage converter and converter arrangement with a DC voltage converter - Google Patents

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Abstract

Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung V1in eine zweite Gleichspannung V2, umfassend eine Wandlereinheit (2) mit einer Zahl M elektronisch steuerbarer Halbbrücken (3, 3'), wobei M größer als eins ist, und eine Steuerungseinheit (4), die dazu ausgebildet ist, die Halbbrücken (3, 3') in einem Modulationsverfahren zeitversetzt mit einer im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenz fr zu aktivieren, wobei die Ausgänge der Halbbrücken (3, 3') jeweils über Interleaving-Drosseln (5, 5') zusammengeschaltet sind, und wobei zur Ableitung hochfrequenter Störungen der Gleichspannung V2eine erste LC-Filterstufe (11) vorgesehen ist, die durch die Interleaving-Drosseln (5, 5') und erste Filterkondensatoren (8, 8') gebildet ist, sowie eine Umrichteranordnung mit einem derartigen Gleichspannungswandler.DC-DC converter for converting a first DC voltage V1 into a second DC voltage V2, comprising a converter unit (2) with a number M of electronically controllable half-bridges (3, 3'), where M is greater than one, and a control unit (4) which is designed for this purpose to activate the half-bridges (3, 3') in a modulation method with a time delay with an essentially identical switching frequency fr, the outputs of the half-bridges (3, 3') each being connected together via interleaving chokes (5, 5'), and wherein a first LC filter stage (11) formed by the interleaving chokes (5, 5') and first filter capacitors (8, 8') is provided for deriving high-frequency interference from the direct voltage V2, as well as a converter arrangement with such a direct voltage converter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und eine Umrichteranordnung mit einem derartigen Gleichspannungswandler.The invention relates to a DC voltage converter and a converter arrangement with a DC voltage converter of this type.

Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, dienen zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung V1 in eine zweite Gleichspannung V2 auf höherem, niedrigerem oder invertiertem Niveau und sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Die Umsetzung der Spannung erfolgt mithilfe einer geschalteten Wandlereinheit mit elektronisch steuerbaren Halbleiter-Brückenschaltungen, die durch ein Modulationsverfahren, beispielsweise Pulsweitenmodulation (PWM), die erste Gleichspannung mit hoher Frequenz abtasten, sowie einer Induktivität als Energiespeicher. Die Schaltfrequenz des Modulationsverfahrens liegt dabei weit über der Netzfrequenz und meist im Bereich von über 20 kHz.Direct voltage converters, also called DC-DC converters, are used to convert a first direct voltage V 1 into a second direct voltage V 2 at a higher, lower or inverted level and are basically known from the prior art. The voltage is converted using a switched converter unit with electronically controllable semiconductor bridge circuits that sample the first DC voltage at a high frequency using a modulation method, for example pulse width modulation (PWM), as well as an inductance as an energy store. The switching frequency of the modulation method is far above the mains frequency and mostly in the range of over 20 kHz.

Derartige Gleichspannungswandler eignen sich für vielfältige Anwendungen im Bereich der Industrie, aber auch für Anwendungen im Fahrzeugbereich. Beispielsweise kann eine Gleichspannung aus einer Batterie oder einem Gleichspannungs-Zwischenkreis zur Versorgung verschiedener elektrischer Verbraucher auf unterschiedliche Spannungsniveaus konvertiert werden, um beispielsweise die Batteriespannung im Fahrzeug auf das Niveau des Bordnetzes zu transformieren. Auch bei Prüfständen elektrischer und mechanischer Antriebe wird zur Versorgung der Belastungsmaschinen (Dynamometer) eine zentral zur Verfügung gestellte Gleichspannung hohen Niveaus auf Spannungen wesentlich niedrigeren Niveaus konvertiert. Durch zusätzliche eingangsseitige Gleich- bzw. Wechselrichter können mehrstufige Umrichteranordnungen für verschiedenste Anwendungszwecke geschaffen werden.Such DC voltage converters are suitable for a wide range of applications in the industrial sector, but also for applications in the automotive sector. For example, a DC voltage from a battery or a DC voltage intermediate circuit for supplying various electrical loads can be converted to different voltage levels, for example in order to transform the battery voltage in the vehicle to the level of the on-board network. In test stands for electrical and mechanical drives, too, a centrally available high-level direct voltage is converted to voltages of significantly lower levels to supply the load machines (dynamometers). With additional rectifiers or inverters on the input side, multi-stage converter arrangements can be created for a wide variety of applications.

Bei industriellen Anwendungen und Prüfständen sind derartige Umrichteranordnungen vorzugsweise für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt, d.h., sie ermöglichen sowohl einen elektrischen Leistungsfluss von der ersten Gleichspannung V1 zur zweiten Gleichspannung V2, als auch umgekehrt. Dies wird durch die Verwendung bidirektional geschalteter Umrichter ermöglicht.In industrial applications and test stands, converter arrangements of this type are preferably designed for bidirectional operation, ie they enable electrical power to flow from the first direct voltage V 1 to the second direct voltage V 2 and vice versa. This is made possible by the use of bidirectionally switched converters.

Durch die hohe Schaltfrequenz des Modulationsverfahrens der Wandlereinheit entstehen jedoch hochfrequente Störungen, welche die erzeugten Signale überlagern. Diese Störungen führen zu einem Verstoß gegen Vorschriften betreffend EMV (elektromagnetische Verträglichkeit). Um die Störungen abzuleiten, ist es bekannt, am Ausgang der Wandlereinheit LC-Filteranordnungen vorzusehen. Derartige Filteranordnungen sind jedoch aufgrund der verwendeten LC-Komponenten groß und erschweren eine kompakte Bauweise, was wiederum den Einsatz in Fahrzeugen erschwert.Due to the high switching frequency of the modulation method of the converter unit, however, high-frequency interference occurs, which superimposes the generated signals. These disturbances lead to a violation of regulations regarding EMC (electromagnetic compatibility). In order to divert the interference, it is known to provide LC filter arrangements at the output of the converter unit. However, due to the LC components used, such filter arrangements are large and make a compact design more difficult, which in turn makes their use in vehicles more difficult.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diese und andere Probleme zu lösen und einen kompakten Gleichspannungswandler sowie eine modulare Umrichteranordnung zur Verfügung zu stellen, die beispielsweise in einem Fahrzeug als DC/DC-Wandler, in einer industriellen Anwendung oder in einem Prüfstand zur Generierung eines störungsfreien Gleichspannungs-Zwischenkreises eingesetzt werden kann. Dabei soll die Erzeugung hochfrequenter Störungen der erzeugten Gleichspannung vermieden oder auf ein Minimum reduziert werden.It is an object of the invention to solve these and other problems and to provide a compact DC-DC converter and a modular converter arrangement that can be used, for example, in a vehicle as a DC / DC converter, in an industrial application or in a test bench to generate a trouble-free DC voltage intermediate circuit can be used. The generation of high-frequency interference in the generated direct voltage should be avoided or reduced to a minimum.

Diese und andere Aufgaben werden durch einen Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 gelöst.These and other objects are achieved by a DC voltage converter according to claim 1.

Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler ist zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung V1 in eine zweite Gleichspannung V2 ausgeführt und umfasst eine geschaltete Wandlereinheit mit zumindest M elektronisch steuerbaren Halbbrücken, wobei M größer als eins ist. Die Wandlereinheit kann einphasig oder mehrphasig sein; die Zahl M der Halbbrücken je Phase kann beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs oder höher sein. Jede der Halbbrücken kann zwei gesteuerte Halbleiterschalter, vorzugsweise SiC-Transistoren oder GaN-Transistoren, umfassen.A DC voltage converter according to the invention is designed to convert a first DC voltage V 1 into a second DC voltage V 2 and comprises a switched converter unit with at least M electronically controllable half bridges, M being greater than one. The converter unit can be single-phase or multi-phase; the number M of half bridges per phase can be, for example, two, three, four, five, six or more. Each of the half bridges can comprise two controlled semiconductor switches, preferably SiC transistors or GaN transistors.

Erfindungsgemäß ist eine elektronische Steuerungseinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die M Halbbrücken in einem Modulationsverfahren zeitversetzt mit einer im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenz fT zu aktivieren. Dadurch ergibt sich am Ausgang der Wandlereinheit eine Erhöhung der effektiven Schaltfrequenz um den Faktor M auf M × fT und es kann eine genauere Auflösung und Wandlung der Gleichspannung erreicht werden.According to the invention, an electronic control unit is provided which is designed to activate the M half-bridges in a modulation method with a time delay at a substantially identical switching frequency f T. This results in an increase in the effective switching frequency by the factor M to M × f T at the output of the converter unit, and a more precise resolution and conversion of the direct voltage can be achieved.

Erfindungsgemäß sind die Ausgänge der Halbbrücken jeweils über Interleaving-Drosseln zusammengeschaltet. Das heißt, die M Halbbrücken der Wandlereinheit sind über M Interleavingdrosseln zusammengeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass ein glatter Übergang des Stroms zwischen den geschalteten Halbbrücken möglich ist und Störungen reduziert werden. Bei den Interleaving-Drosseln kann es sich um stromkompensierte Drosseln handeln. Insbesondere kann das bedeuten, dass ihre Wicklungen gegensinnig auf einem gemeinsamen Eisenkern angeordnet sind.According to the invention, the outputs of the half bridges are each interconnected via interleaving chokes. That is, the M half bridges of the converter unit are interconnected via M interleaving chokes. This has the advantage that a smooth transition of the current between the switched half bridges is possible and interference is reduced. The interleaving chokes can be current-compensated chokes. In particular, this can mean that their windings are arranged in opposite directions on a common iron core.

Der Einsatz von stromkompensierten Interleaving-Drosseln ist insbesondere bei der Verwendung von SiC-Transistoren in den Halbbrücken vorteilhaft.The use of current-compensated interleaving chokes is particularly advantageous when using SiC transistors in the half bridges.

Erfindungsgemäß ist zur Ableitung hochfrequenter Störungen der Gleichspannung V2 eine erste LC-Filterstufe vorgesehen. Diese erste LC-Filterstufe ist durch die Interleaving-Drosseln und erste Filterkondensatoren gebildet. Die erste LC-Filterstufe ist am Ausgang der Wandlereinheit angeordnet, und zwar insbesondere zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Gleichspannung V2. Insbesondere die ersten Filterkondensatoren können symmetrisch zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Gleichspannung V2 angeordnet sein.According to the invention, a first LC filter stage is provided to divert high-frequency interference from the direct voltage V 2. This first LC filter stage is formed by the interleaving chokes and first filter capacitors. The first LC filter stage is arranged at the output of the converter unit, in particular between the DC voltage connections of the DC voltage V 2 . In particular, the first filter capacitors can be arranged symmetrically between the DC voltage connections of the DC voltage V 2 .

Die Interleaving-Drosseln weisen erfindungsgemäß eine getrennt dimensionierbare Longitudinal- und Transversalinduktivität auf. Erfindungsgemäß ist die, in gattungsgemäßen Gleichspannungswandlern nicht benötigte Longitudinalinduktivität bzw. Longitudinalreaktanz der Interleaving-Drossel derart dimensioniert, dass sich die gewünschte Filterwirkung ergibt. Durch die Nutzung der Longitudinalreaktanz der Interleaving-Drosseln zur Bildung der ersten LC-Filterstufe ist es nicht erforderlich, ein separates Filterelement vorzusehen.According to the invention, the interleaving chokes have longitudinal and transverse inductances which can be dimensioned separately. According to the invention, the longitudinal inductance or longitudinal reactance of the interleaving choke, which is not required in generic DC voltage converters, is dimensioned in such a way that the desired filter effect is obtained. By using the longitudinal reactance of the interleaving chokes to form the first LC filter stage, it is not necessary to provide a separate filter element.

Insbesondere kann erreicht werden, dass ein Gesamtoberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) der Gleichspannung V2 von 3% nicht überschritten wird.In particular, it can be achieved that a total harmonic content (distortion factor) of the direct voltage V 2 of 3% is not exceeded.

Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Grenzfrequenz der ersten LC-Filterstufe im Bereich der M-fachen Schaltfrequenz fT liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,8 × M × fT bis 1,2 × M × fT. Dadurch sorgt diese Filterstufe für die effiziente Ableitung von Störungen, die etwa mit dem M-fachen der Schaltfrequenz auftreten.For this purpose it can be provided that the cutoff frequency of the first LC filter stage is in the range of M times the switching frequency f T , preferably in the range of approximately 0.8 × M × f T to 1.2 × M × f T. As a result, this filter stage ensures the efficient removal of interference that occurs with approximately M times the switching frequency.

Das Verhältnis der Longitudinalinduktivität zur Transversalinduktivität der Interleaving-Drosseln kann in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10000 liegen. Die Interleaving-Drosseln können insbesondere eine Longitudinalinduktivität von etwa 7,5 µH und eine Transversalinduktivität von etwa 1,94 mH aufweisen. Die ersten Filterkondensatoren können beispielsweise eine Kapazität von etwa 30 µF aufweisen.The ratio of the longitudinal inductance to the transverse inductance of the interleaving chokes can be in a range from approximately 100 to approximately 10,000. The interleaving chokes can in particular have a longitudinal inductance of approximately 7.5 μH and a transverse inductance of approximately 1.94 mH. The first filter capacitors can, for example, have a capacitance of approximately 30 μF.

Ferner kann erfindungsgemäß eine zweite Filterstufe vorgesehen sein, die durch eine Filterdrossel und zweite Filterkondensatoren gebildet ist. Die Grenzfrequenz der ersten LC-Filterstufe kann sich von der Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe unterscheiden. Insbesondere kann die Grenzfrequenz der ersten LC-Filterstufe kleiner sein als die Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe. Die Induktivität der Filterdrossel kann etwa 1 µH betragen. Die Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe kann im Bereich eines Vielfachen der M-fachen Schaltfrequenz fT liegen, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 × M × fT bis etwa 10 × M × fT. Dadurch sorgt diese Filterstufe für die effiziente Ableitung von Oberschwingungen der Schaltfrequenz.Furthermore, a second filter stage can be provided according to the invention, which is formed by a filter choke and second filter capacitors. The cutoff frequency of the first LC filter stage can differ from the cutoff frequency of the second LC filter stage. In particular, the cutoff frequency of the first LC filter stage can be smaller than the cutoff frequency of the second LC filter stage. The inductance of the filter choke can be around 1 µH. The cutoff frequency of the second LC filter stage can be in the range of a multiple of the M times the switching frequency f T , preferably in the range of approximately 4 × M × f T to approximately 10 × M × f T. As a result, this filter stage ensures the efficient derivation of harmonics of the switching frequency.

Bei den ersten Filterkondensatoren und zweiten Filterkondensatoren kann es sich um separate Bauelemente handeln. Es sind jedoch auch Ausführungsbeispiele vorgesehen, bei denen die ersten Filterkondensatoren und die zweiten Filterkondensatoren durch ein und dieselben Bauelemente gebildet sind.The first filter capacitors and second filter capacitors can be separate components. However, embodiments are also provided in which the first filter capacitors and the second filter capacitors are formed by one and the same components.

Die zweiten Filterkondensatoren können symmetrisch zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Gleichspannung V2 angeordnet sein.The second filter capacitors can be arranged symmetrically between the DC voltage connections of the DC voltage V 2 .

Die Filterdrossel kann die Symmetriepunkte der ersten Filterkondensatoren und der zweiten Filterkondensatoren verbinden.The filter reactor can connect the symmetry points of the first filter capacitors and the second filter capacitors.

Die erste LC-Filterstufe und gegebenenfalls auch die zweite LC-Filterstufe können derart dimensioniert sein, dass ein Gesamtoberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) der Gleichspannung V2 von 3% nicht überschritten wird.The first LC filter stage and possibly also the second LC filter stage can be dimensioned in such a way that a total harmonic content (distortion factor) of the direct voltage V 2 of 3% is not exceeded.

Die Steuerungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die Halbbrücken der Wandlereinheit mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen anzusteuern. Beispielsweise kann bei der Verwendung von SiC-Transistoren in der Wandlereinheit eine Schaltfrequenz fT von 24 kHz, 33 kHz, 75 kHz, oder höher bis zu 200 kHz vorgesehen sein. Hingegen kann bei der Verwendung von GaN-Transistoren in der Wandlereinheit eine wesentlich höhere Schaltfrequenz fr vorgesehen sein, etwa bis zu 2 MHz. Die Wandlereinheit kann auch zur Erzeugung einer Gleichspannung V2 von bis zu 60 V, bis zu 200 V, bis zu 1000 V oder bis zu 1500 V ausgebildet sein, wobei die Spannungen von bis zu 200 V vorzugsweise bei der Verwendung von GaN-Transistoren vorgesehen sind, und für höhere Spannungen SiC-Transistoren verwendet werden. Wird der Gleichspannungswandler beispielsweise an eine Brennstoffzelle angeschlossen, so kann die Gleichspannung V1 beispielsweise einen Wert von 200V bis 400V annehmen. In industriellen Anwendungen (Gleichspannungs-Inselnetz) oder beim Betrieb eines Prüfstands (Gleichspannungs-Zwischenkreis) kann V1 zum Beispiel 850 V sein.The control unit can be designed to control the half bridges of the converter unit with different switching frequencies. For example, when using SiC transistors in the converter unit, a switching frequency f T of 24 kHz, 33 kHz, 75 kHz or higher up to 200 kHz can be provided. In contrast, when using GaN transistors in the converter unit, a significantly higher switching frequency fr can be provided, for example up to 2 MHz. The converter unit can also be designed to generate a DC voltage V 2 of up to 60 V, up to 200 V, up to 1000 V or up to 1500 V, with voltages of up to 200 V preferably provided when using GaN transistors and SiC transistors are used for higher voltages. If the DC voltage converter is connected to a fuel cell, for example, the DC voltage V 1 can assume a value of 200V to 400V, for example. In industrial applications (DC voltage island network) or when operating a test bench (DC voltage intermediate circuit), V 1 can be 850 V, for example.

Erfindungsgemäß kann der Gleichspannungswandler auch über mehrere parallel geschaltete Wandlereinheiten mit jeweils M Halbbrücken verfügen, wobei die Ausgänge der Halbbrücken über Interleaving-Drosseln zusammengeschaltet sind. Beispielsweise können zwei parallelgeschaltete Wandlereinheiten vorgesehen sein, die jeweils über zwei Halbbrücken verfügen, deren Ausgänge über zwei Interleavingdrosseln zusammengeschaltet sind.According to the invention, the DC voltage converter can also have several converter units connected in parallel, each with M half bridges, the outputs of the half bridges being connected together via interleaving chokes. For example, two converter units connected in parallel can be provided, each of which has two half bridges, the outputs of which are connected together via two interleaving chokes.

Eine derartige Anordnung kann einerseits verwendet werden, um die übertragene elektrische Leistung auf die parallelgeschalteten Wandlereinheiten aufzuteilen, sodass die Halbleiterschalter eine geringere Leistung schalten müssen. In diesem Fall ist die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die Wandlereinheiten synchron zueinander zu aktivieren. Die effektive Schaltfrequenz liegt in diesem Fall etwa beim M-fachen der Schaltfrequenz fT.Such an arrangement can be used on the one hand to distribute the transmitted electrical power to the converter units connected in parallel, so that the semiconductor switches have to switch a lower power. In this case, the control unit is designed to activate the converter units synchronously with one another. The effective switching frequency in this case is approximately M times the switching frequency f T.

Zusätzlich kann eine derartige Anordnung auch verwendet werden, um die effektive Schaltfrequenz zu erhöhen. Zu diesem Zweck kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die parallelgeschalteten Wandlereinheiten zeitversetzt zueinander zu aktivieren. Die effektive Schaltfrequenz liegt dann etwa bei N × M × fT, wobei N die Anzahl der parallelgeschalteten Wandlereinheiten bezeichnet. Durch die höhere effektive Schaltfrequenz können die Filterbauteile verkleinert werden.In addition, such an arrangement can also be used to increase the effective switching frequency. For this purpose, the control unit can be designed to activate the converter units connected in parallel with one another in a time-shifted manner. The effective switching frequency is then approximately N × M × f T , where N denotes the number of converter units connected in parallel. The filter components can be made smaller due to the higher effective switching frequency.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung V2 umfassend einen erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Zu diesem Zweck ist ein geschalteter und vorzugsweise ebenfalls von der Steuereinheit angesteuerter Gleichrichter zur Umwandlung der Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung V1 vorgesehen. Dies kann insbesondere zur Erzeugung eines Gleichspannungs-Zwischenkreises dienen.The invention also extends to a converter arrangement for converting an alternating voltage V ac into a direct voltage V 2, comprising a direct voltage converter according to the invention. For this purpose, a switched rectifier, which is preferably also activated by the control unit, is provided for converting the alternating voltage V ac into a direct voltage V 1 . This can be used in particular to generate a DC voltage intermediate circuit.

Der Gleichrichter und die Wandlereinheit können vorzugsweise als integrierte Umrichterbaugruppe ausgebildet sein, sodass eine besonders kompakte Lösung erreicht wird. Eine derartige integrierte Umrichterbaugruppe kann auch als „Inverter-Stack“ bezeichnet werden.The rectifier and the converter unit can preferably be designed as an integrated converter assembly, so that a particularly compact solution is achieved. Such an integrated converter assembly can also be referred to as an “inverter stack”.

Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass ein Wechselrichter zur Umwandlung einer Eingangs-Gleichspannung Vin in die Wechselspannung Vac vorgesehen ist. Gegebenenfalls kann ein Netzumrichter zur Bereitstellung der Eingangs-Gleichspannung Vin vorgesehen sein. Ferner kann ein Transformator zur Transformierung der Wechselspannung Vac in eine galvanisch getrennte Wechselspannung Vac' vorgesehen sein. Die Wandlereinheit und gegebenenfalls auch der Wechselrichter können für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt sein, sodass die Umrichteranordnung auch zur Umwandlung einer Gleichspannung V2 in eine Wechselspannung Vac ausgebildet ist. Auch der Wechselrichter kann gegebenenfalls für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt sein, sodass die Umrichteranordnung auch zur Umwandlung einer Gleichspannung V2 in eine andere Gleichspannung Vin ausgebildet ist. Diese und eine Vielzahl anderer Anwendungen werden durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit erster und gegebenenfalls auch zweiter Filterstufe ermöglicht.According to the invention it can also be provided that an inverter is provided for converting an input direct voltage Vin into the alternating voltage V ac . If necessary, a network converter can be provided to provide the DC input voltage V in . Furthermore, a transformer can be provided for transforming the alternating voltage V ac into a galvanically separated alternating voltage V ac '. The converter unit and possibly also the inverter can be designed for bidirectional operation, so that the converter arrangement is also designed to convert a direct voltage V 2 into an alternating voltage V ac . If necessary, the inverter can also be designed for bidirectional operation, so that the converter arrangement is also designed to convert a direct voltage V 2 into another direct voltage Vin. These and a large number of other applications are made possible by the use of a DC voltage converter according to the invention with a first and optionally also a second filter stage.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird im Folgenden anhand nicht ausschließlicher Ausführungsbeispiele erläutert:

  • 1a - 1d zeigen schematische Ausführungsbeispiele verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler als Blockschaltbild und als vereinfachtes elektrisches Schaltbild;
  • 2a - 2d zeigen weitere schematische Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlern anhand vereinfachter Schaltbilder;
  • 3 - 4 zeigen zwei schematische Ausführungsbeispiele von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Umrichteranordnungen anhand von vereinfachten Blockschaltbildern.
Further features according to the invention emerge from the patent claims, the figures and the following description of the figures. The invention is explained below using non-exclusive exemplary embodiments:
  • 1a - 1d show schematic exemplary embodiments of various embodiments of DC voltage converters according to the invention as a block diagram and as a simplified electrical circuit diagram;
  • 2a - 2d show further schematic exemplary embodiments of DC voltage converters according to the invention on the basis of simplified circuit diagrams;
  • 3 - 4th show two schematic exemplary embodiments of embodiments of converter arrangements according to the invention on the basis of simplified block diagrams.

1a zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers als vereinfachtes Blockschaltbild. Der Gleichspannungswandler umfasst eine, von einer elektronischen Steuereinheit 4 über eine Schnittstelle angesteuerte geschaltete Wandlereinheit 2 zur Umwandlung einer Gleichspannung V1 in eine Gleichspannung V2. Die Gleichspannung V1 wird von einer Batterie bereitgestellt. 1a shows a schematic embodiment of an embodiment of a DC voltage converter according to the invention as a simplified block diagram. The DC voltage converter comprises a switched converter unit 2, controlled by an electronic control unit 4 via an interface, for converting a direct voltage V 1 into a direct voltage V 2 . The DC voltage V 1 is provided by a battery.

1b zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers als vereinfachtes Blockschaltbild. Der Gleichspannungswandler umfasst eine, von einer elektronischen Steuereinheit 4 angesteuerte geschaltete Wandlereinheit 2 zur Umwandlung einer Gleichspannung V1 in eine Gleichspannung V2. Die Gleichspannung V1 wird in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 15 von einem Gleichrichter 1 zur Verfügung gestellt, der eine Eingangs-Wechselspannung Vac in eine Zwischenkreis-Gleichspannung V1 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 wandelt die Zwischenkreis-Gleichspannung V1 in die Ausgangs-Gleichspannung V2 um. Es ist eine elektronische Steuerungseinheit 4 vorgesehen, die zur Ansteuerung des Gleichrichters 1 und der Wandlereinheit 2 mit diesen über eine Schnittstelle verbunden ist. Die Steuerungseinheit 4 kann auch in separate Einheiten aufgeteilt sein. 1b shows a schematic embodiment of a further embodiment of a DC voltage converter according to the invention as a simplified block diagram. The DC voltage converter comprises a switched converter unit 2, controlled by an electronic control unit 4, for converting a direct voltage V 1 into a direct voltage V 2 . The direct voltage V 1 is made available in a direct voltage intermediate circuit 15 by a rectifier 1 which converts an input alternating voltage V ac into an intermediate circuit direct voltage V 1. The converter unit 2 converts the intermediate circuit direct voltage V 1 into the output direct voltage V 2 . An electronic control unit 4 is provided, which is connected to the rectifier 1 and the converter unit 2 via an interface to control them. The control unit 4 can also be divided into separate units.

1c zeigt ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild des Ausführungsbeispiels aus 1b. Die Eingangs-Wechselspannung Vac wird durch einen geschalteten BrückenGleichrichter 1 in eine Gleichspannung V1 an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 15 bereitgestellt. Eine geschaltete Wandlereinheit 2 wandelt die Zwischenkreis-Gleichspannung V1 in eine Ausgangs-Gleichspannung V2 um. 1c FIG. 4 shows a simplified electrical circuit diagram of the exemplary embodiment from FIG 1b . The input alternating voltage V ac is converted by a switched bridge rectifier 1 into a direct voltage V 1 at a direct voltage intermediate Schenkkreis 15 provided. A switched converter unit 2 converts the intermediate circuit direct voltage V 1 into an output direct voltage V 2 .

Der Gleichrichter 1 und die Wandlereinheit 2 umfassen jeweils zwei elektronisch schaltbare Halbbrücken 3a, 3a', 3, 3'. Die Halbbrücken umfassen jeweils zwei elektronisch schaltbare Halbleiterschalter, die von einer elektronischen Steuereinheit 4 angesteuert werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 4 als integriertes elektronisches Bauelement realisiert; die Halbleiterschalter sind als SiC-Transistoren mit parallel geschalteten Freilaufdioden ausgebildet. Die Steuereinheit 4 ist dazu ausgebildet, die Halbbrücken 3a, 3a' des Gleichrichters 1 und die Halbbrücken 3, 3' der Wandlereinheit 2 in einem Modulationsverfahren mit einer Periodendauer T, einer Schaltfrequenz fT und einem zeitlich variablen Tastverhältnis ton/T zu aktivieren. Im gegenständlichen Ausführungsbeispiel beträgt die Schaltfrequenz fT jeder einzelnen Halbbrücke etwa 33 kHz.The rectifier 1 and the converter unit 2 each comprise two electronically switchable half bridges 3a, 3a ', 3, 3'. The half bridges each include two electronically switchable semiconductor switches that are controlled by an electronic control unit 4. In this exemplary embodiment, the control unit 4 is implemented as an integrated electronic component; the semiconductor switches are designed as SiC transistors with free-wheeling diodes connected in parallel. The control unit 4 is designed to activate the half-bridges 3a, 3a 'of the rectifier 1 and the half-bridges 3, 3' of the converter unit 2 in a modulation method with a period T, a switching frequency f T and a time-variable duty cycle t on / T. In the present exemplary embodiment, the switching frequency f T of each individual half bridge is approximately 33 kHz.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge der Halbbrücken 3, 3' der Wandlereinheit 2 über zwei Interleaving-Drosseln 5, 5' zusammengeschaltet. Die Interleaving-Drosseln 5, 5' umfassen jeweils einen eigenen unabhängigen Eisenkern. Indem die Steuereinheit 4 die Halbbrücken 3, 3' der Wandlereinheit 2 zeitversetzt aktiviert, ergibt sich am Ausgang eine Verdopplung (M = 2) der effektiven Schaltfrequenz fT.In this exemplary embodiment, the outputs of the half bridges 3, 3 'of the converter unit 2 are interconnected via two interleaving chokes 5, 5'. The interleaving chokes 5, 5 'each have their own independent iron core. The fact that the control unit 4 activates the half bridges 3, 3 'of the converter unit 2 with a time delay results in a doubling (M = 2) of the effective switching frequency f T at the output.

Am Ausgang der Wandlereinheit 2 ist eine erste LC-Filterstufe 11 vorgesehen. Die erste LC-Filterstufe 11 ist durch die Longitudinal-Induktivität der Interleaving-Drosseln 5, 5' und erste Filterkondensatoren 8, 8' gebildet. Die Longitudinalinduktivität bezeichnet hier die Induktivität zwischen den Halbbrücken 3 bzw. 3' und dem Symmetriepunkt 14; die Transversalinduktivität jene Induktivität zwischen den Halbbrücken 3 und 3', d.h. jene Induktivität, die eine Begrenzung der Kreisströmen zwischen den Halbbrücken bewirkt.A first LC filter stage 11 is provided at the output of the converter unit 2. The first LC filter stage 11 is formed by the longitudinal inductance of the interleaving chokes 5, 5 'and first filter capacitors 8, 8'. The longitudinal inductance here denotes the inductance between the half bridges 3 or 3 'and the point of symmetry 14; The transverse inductance is the inductance between the half bridges 3 and 3 ', i.e. the inductance which limits the circulating currents between the half bridges.

Die ersten Filterkondensatoren 8, 8' liegen sternförmig symmetrisch zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 13, 13'. Die ersten Filterkondensatoren 8, 8' wirken dabei mit der ungenutzten Longitudinalreaktanz der Interleaving-Drosseln 5, 5' zusammen, um die erste LC-Filterstufe 11 zu bilden.The first filter capacitors 8, 8 'are arranged symmetrically in a star shape between the DC voltage connections 13, 13'. The first filter capacitors 8, 8 ′ interact with the unused longitudinal reactance of the interleaving chokes 5, 5 ′ in order to form the first LC filter stage 11.

1d zeigt eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels nach 1c. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine nachgeschaltete zweite LC-Filterstufe 12 vorgesehen. Die zweite Filterstufe 12 ist durch eine Filterdrossel 9 und zweite Filterkondensatoren 10, 10' gebildet. In diesem Beispiel liegen sowohl die ersten Filterkondensatoren 8, 8', als auch die zweiten Filterkondensatoren 10, 10' jeweils sternförmig symmetrisch zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 13, 13', und die Filterdrossel 9 verbindet die Stern- bzw. Symmetriepunkte 14, 14' der ersten Filterkondensatoren 8, 8' mit jenen der zweiten Filterkondensatoren 10, 10'. 1d shows a further development of the embodiment according to 1c . In this exemplary embodiment, a downstream, second LC filter stage 12 is provided. The second filter stage 12 is formed by a filter choke 9 and second filter capacitors 10, 10 '. In this example, both the first filter capacitors 8, 8 'and the second filter capacitors 10, 10' are each in a star shape symmetrically between the DC voltage connections 13, 13 ', and the filter choke 9 connects the star or symmetry points 14, 14' of the first Filter capacitors 8, 8 'with those of the second filter capacitors 10, 10'.

2a zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung mit einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Eine Eingangs-Wechselspannung Vac wird in eine Gleichspannung V1 umgewandelt, wobei die erste LC-Filterstufe 11 und die zweite LC-Filterstufe 12 im Wesentlichen wie im Ausführungsbeispiel der 1d ausgebildet sind. Die Interleavingdrosseln 5, 5' sind hier jedoch als stromkompensierte Drosseln ausgebildet. Eine derartige Anordnung, bei der zwei Interleavingdrosseln 5, 5' auf einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind, kann auch als einzige stromkompensierte Interleavingdrossel mit zwei Wicklungen bezeichnet werden. 2a shows a schematic electrical circuit diagram of an embodiment of a converter arrangement according to the invention with a DC voltage converter according to the invention. An input AC voltage V ac is converted into a DC voltage V 1 , the first LC filter stage 11 and the second LC filter stage 12 essentially as in the exemplary embodiment in FIG 1d are trained. However, the interleaving chokes 5, 5 'are designed here as current-compensated chokes. Such an arrangement, in which two interleaving chokes 5, 5 'are wound on a common iron core, can also be referred to as a single current-compensated interleaving choke with two windings.

Der Wechselrichter 1 und die Wandlereinheit 2 sind in einer baulich integrierten Umrichterbaugruppe 16, nämlich einem sogenannten Inverter-Stack, integriert. Dieser enthält vier elektronisch schaltbare Halbbrücken 3, 3', 3a, 3a', die von der Steuereinheit 4 angesteuert werden, um die Funktion der Gleichrichtung (Halbbrücken 3a, 3a') und Gleichspannungswandlung (Halbbrücken 3, 3') zu erfüllen. Es ist kein separat herausgeführter Gleichspannungs-Zwischenkreis 15 vorgesehen.The inverter 1 and the converter unit 2 are integrated in a structurally integrated converter assembly 16, namely a so-called inverter stack. This contains four electronically switchable half bridges 3, 3 ', 3a, 3a', which are controlled by the control unit 4 in order to fulfill the function of rectification (half bridges 3a, 3a ') and DC voltage conversion (half bridges 3, 3'). No separate DC voltage intermediate circuit 15 is provided.

Die Interleaving-Drosseln 5, 5' sind mit nicht-bifilaren Hochkant-Wicklungen mit etwa neun Wicklungen je Schenkel auf einem nanokristallinem Schnittbandkern mit hoher relativer magnetischer Permeabilität (µr von etwa 40 000), einem Kernquerschnitt von etwa 17 cm2 und einem sehr geringen Luftspalt von etwa 150 µm ausgeführt. Die Induktivität jeder Einzelwicklung beträgt etwa 500 µH, der Koppelfaktor 0,97, die Longitudinalinduktivität etwa 7,5 µH und die Transversalinduktivität etwa 1,94 mH.The interleaving chokes 5, 5 'are with non-bifilar edgewise windings with about nine windings per leg on a nanocrystalline cut ribbon core with high relative magnetic permeability (µ r of about 40,000), a core cross-section of about 17 cm 2 and a very small air gap of about 150 µm. The inductance of each individual winding is about 500 µH, the coupling factor 0.97, the longitudinal inductance about 7.5 µH and the transverse inductance about 1.94 mH.

Die zugeordneten ersten Filterkondensatoren 8, 8' weisen jeweils eine Kapazität von etwa 30 µF je Phase auf, sodass die Grenzfrequenz des durch die erste Filteranordnung 8 gebildeten Tiefpasses einen Wert von etwa 67 kHz annimmt: ƒ = 1 L C = 1 7,5 μ H ⋅ 30 μ F = 66,67 k H z

Figure DE102021117076A1_0001
The assigned first filter capacitors 8, 8 'each have a capacitance of approximately 30 µF per phase, so that the cut-off frequency of the low-pass filter formed by the first filter arrangement 8 assumes a value of approximately 67 kHz: ƒ = 1 L. C. = 1 7.5 μ H ⋅ 30th μ F. = 66.67 k H z
Figure DE102021117076A1_0001

Dies entspricht etwa dem 2-fachen (M-fachen) der Schaltfrequenz von 33 kHz, sodass die Störungen durch Schaltvorgänge effektiv gefiltert werden können.This corresponds to about 2 times (M times) the switching frequency of 33 kHz, so that the interference caused by switching processes can be effectively filtered.

2b zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. Die Eingangs-Wechselspannung Vac wird in eine Gleichspannung V1 umgewandelt, wobei die erste LC-Filterstufe 11 und die zweite LC-Filterstufe 12 im Wesentlichen wie im Ausführungsbeispiel der 2a ausgebildet sind. 2 B shows a schematic electrical circuit diagram of a further embodiment of a converter arrangement according to the invention. The input alternating voltage V ac is converted into a direct voltage V 1 , the first LC filter stage 11 and the second LC filter stage 12 essentially as in the exemplary embodiment in FIG 2a are trained.

Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 2a ist kein separater Wechselrichter 1 und Wandlereinheit 2 vorgesehen, sondern diese Komponenten sind in einer baulich integrierten Umrichterbaugruppe 16, nämlich einem sogenannten Inverter-Stack, integriert. Dieser enthält jedoch sechs elektronisch schaltbare Halbbrücken 3, 3', 3a, 3a', 3b, 3b', die von der Steuereinheit 4 angesteuert werden, um die Funktion der Gleichrichtung (Halbbrücken 3a, 3a') und Gleichspannungswandlung (Halbbrücken 3, 3', 3b, 3b') zu erfüllen.As in the embodiment according to 2a no separate inverter 1 and converter unit 2 are provided, but these components are integrated in a structurally integrated converter assembly 16, namely a so-called inverter stack. However, this contains six electronically switchable half-bridges 3, 3 ', 3a, 3a', 3b, 3b ', which are controlled by the control unit 4 in order to perform the function of rectification (half-bridges 3a, 3a') and DC voltage conversion (half-bridges 3, 3 ' , 3b, 3b ').

Die Halbbrücken 3, 3' und die Halbbrücken 3b, 3b' bilden in diesem Ausführungsbeispiel zwei parallele geschaltete Wandlereinheiten 2, 2', wobei jede Halbbrücke jeweils auf eine Interleaving-Drossel 5, 5', 5a, 5a' geführt wird.In this exemplary embodiment, the half bridges 3, 3 'and the half bridges 3b, 3b' form two parallel connected converter units 2, 2 ', each half bridge being led to an interleaving throttle 5, 5', 5a, 5a '.

Die Interleavingdrosseln 5, 5' und 5a, 5a' sind jeweils gegenläufig auf einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt und dadurch stromkompensiert. Eine derartige Anordnung von je zwei stromkompensierten Interleavingdrosseln kann auch als einzige Interleavingdrossel mit zwei stromkompensierten Wicklungen bezeichnet werden.The interleaving chokes 5, 5 'and 5a, 5a' are each wound in opposite directions on a common iron core and are thus current-compensated. Such an arrangement of two current-compensated interleaving chokes can also be referred to as a single interleaving choke with two current-compensated windings.

Die Steuereinheit 4 ist derart ausgebildet, dass sie die Halbbrücken 3, 3', 3b, 3b' zeitversetzt aktiviert, sodass sich die die effektive Schaltfrequenz fT vervierfacht (Anzahl der Halbbrücken M = 2 und Anzahl der parallelen Wandlereinheiten N = 2). Alternativ kann die Steuerungseinheit 4 die Halbbrücken 3, 3', 3b, 3b' synchron ansteuern, sodass sich die effektive Schaltfrequenz verdoppelt (M = 2 und N = 1). In beiden Varianten teilt sich die übertragene elektrische Leistung zwischen den parallel geschalteten Wandlereinheiten 2, 2' auf. Im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel jenem aus 2a.The control unit 4 is designed in such a way that it activates the half bridges 3, 3 ', 3b, 3b' with a time delay, so that the effective switching frequency f T quadruples (number of half bridges M = 2 and number of parallel converter units N = 2). Alternatively, the control unit 4 can control the half bridges 3, 3 ', 3b, 3b' synchronously, so that the effective switching frequency doubles (M = 2 and N = 1). In both variants, the transmitted electrical power is divided between the converter units 2, 2 'connected in parallel. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to that from 2a .

2c zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. Eine Eingangs-Wechselspannung Vac wird in eine Gleichspannung V2 umgewandelt, wobei lediglich eine erste LC-Filterstufe 11 vorgesehen ist. Wiederum ist kein separater Wechselrichter 1 und Wandlereinheit 2 vorgesehen, sondern diese Komponenten sind in einer baulich integrierten Umrichterbaugruppe 16, nämlich einem sogenannten Inverter-Stack, integriert. 2c shows a schematic electrical circuit diagram of a further embodiment of a converter arrangement according to the invention. An input alternating voltage V ac is converted into a direct voltage V 2 , only a first LC filter stage 11 being provided. Again, no separate inverter 1 and converter unit 2 are provided, but these components are integrated in a structurally integrated converter assembly 16, namely a so-called inverter stack.

Wie im Ausführungsbeispiel der 2b sind zwei parallel geschaltete Wandlereinheiten 2, 2' mit je zwei Halbbrücken 3, 3' und 3b, 3b' vorgesehen, deren Ausgänge über stromkompensierte Interleaving-Drosseln 5, 5', 5a, 5a' zusammengeschaltet sind. Die Steuerungseinheit 4 ist dazu ausgebildet, die Wandlereinheiten 2, 2' synchron zueinander zu aktivieren. Wiederum teilt sich die übertragene elektrische Leistung auf die Wandlereinheiten 2, 2' auf. Die effektive Schaltfrequenz beträgt somit in diesem Ausführungsbeispiel 2 × fT. Die Ausgangs-Gleichspannung V2 wird in diesem Ausführungsbeispiel, im Unterschied zu 2b, als Differenzspannung zwischen den Ausgängen der beiden Wandlereinheiten 2, 2' gebildet. As in the embodiment of 2 B two converter units 2, 2 'connected in parallel, each with two half-bridges 3, 3' and 3b, 3b 'are provided, the outputs of which are interconnected via current-compensated interleaving chokes 5, 5', 5a, 5a '. The control unit 4 is designed to activate the converter units 2, 2 'synchronously with one another. Again, the transmitted electrical power is divided between the converter units 2, 2 '. The effective switching frequency is thus 2 × f T in this exemplary embodiment. The output DC voltage V 2 is in this embodiment, in contrast to 2 B , formed as a differential voltage between the outputs of the two converter units 2, 2 '.

2d zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. Eine dreiphasige Eingangs-Wechselspannung Vac wird in eine Gleichspannung V2 umgewandelt, wobei eine erste LC-Filterstufe 11 und eine zweite LC-Filterstufe 12 vorgesehen sind. Wiederum ist eine baulich integrierte Umrichterbaugruppe 16 mit sechs elektronisch schaltbaren Halbbrücken 3, 3', 3a, 3a', 3b, 3b' vorgesehen, von denen jedoch nur fünf von der Steuereinheit 4 angesteuert werden, um die Funktion der Gleichrichtung (Halbbrücken 3a, 3a', 3b) und Gleichspannungswandlung (Halbbrücken 3, 3') zu erfüllen. Die Halbbrücke 3b' ist dabei unbenutzt; auf eine Aufteilung der übertragenen elektrische Leistung auf zwei parallele Zweige bzw. Erhöhung der effektiven Schaltfrequenz durch weiteres Interleaving wird hier verzichtet. Im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel jenem aus 2a. 2d shows a schematic electrical circuit diagram of a further embodiment of a converter arrangement according to the invention. A three-phase input AC voltage V ac is converted into a DC voltage V 2 , a first LC filter stage 11 and a second LC filter stage 12 being provided. Again, a structurally integrated converter assembly 16 with six electronically switchable half bridges 3, 3 ', 3a, 3a', 3b, 3b 'is provided, but only five of which are controlled by the control unit 4 to enable the rectification function (half bridges 3a, 3a ', 3b) and DC voltage conversion (half bridges 3, 3'). The half bridge 3b 'is not used; a division of the transmitted electrical power into two parallel branches or an increase in the effective switching frequency through further interleaving is dispensed with here. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to that from 2a .

3 zeigt ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. Es ist wiederum eine integrierte Umrichterbaugruppe 16 vorgesehen, die eine Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung V2 wandelt. Eingangsseitig ist ein Wechselrichter 17 zur Umwandlung einer Eingangs-Gleichspannung V1 in die Wechselspannung Vac vorgesehen. Der Wechselrichter 17 wird ebenfalls von der Steuereinheit 4 angesteuert. 3 shows a further schematic embodiment of an embodiment of a converter arrangement according to the invention. In turn, an integrated converter assembly 16 is provided which converts an alternating voltage V ac into a direct voltage V2. On the input side, an inverter 17 is provided for converting an input direct voltage V 1 into the alternating voltage V ac . The inverter 17 is also controlled by the control unit 4.

Zwischen dem Wechselrichter 17 und der integrierten Umrichterbaugruppe 16 ist ein Transformator 7 zur Transformierung der Wechselspannung Vac in eine galvanisch getrennte Wechselspannung Vac' vorgesehen, wobei der Transformator 7 mit einem Übersetzungsverhältnis ausgebildet ist, das nicht gleich eins ist. A transformer 7 for transforming the alternating voltage V ac into an electrically isolated alternating voltage V ac 'is provided between the inverter 17 and the integrated converter assembly 16, the transformer 7 being designed with a transformation ratio that is not equal to one.

4 zeigt ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eingangsseitig ein Netzumrichter 6 zur Bereitstellung der Eingangs-Gleichspannung V1 vorgesehen; im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel jenem aus 3. 4th shows a further schematic embodiment of an embodiment of a converter arrangement according to the invention. In this exemplary embodiment, there is a network converter 6 on the input side to provide the input DC voltage voltage V 1 provided; Otherwise, this embodiment corresponds to that from 3 .

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.The invention is not restricted to the present exemplary embodiments, but rather comprises all devices and methods within the scope of the following patent claims.

Hierin verwendete Begriffe sollen nicht zu eng ausgelegt werden. Auch ist die konkrete schaltungstechnische Realisierung der Wechselrichter oder Gleichrichter nicht erfindungswesentlich. Erfindungsgemäß vorgesehene Wechselrichter oder Gleichrichter können stets auch eine interne galvanische Trennung vorsehen und können für mittlere bis hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, beispielsweise Leistungen im Bereich von 10 kW bis 100 kW bei einer Gleichspannung von 12V, 24V, 48V, 230V oder 850 V bzw. bis zu 300 kVA Wechselstromleistung.Terms used herein are not intended to be interpreted too narrowly. The specific circuit implementation of the inverter or rectifier is also not essential to the invention. Inverters or rectifiers provided according to the invention can always provide internal galvanic isolation and can be provided for medium to high electrical outputs, for example outputs in the range from 10 kW to 100 kW with a DC voltage of 12V, 24V, 48V, 230V or 850 V or up to 300 kVA AC power.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
GleichrichterRectifier
22
WandlereinheitConverter unit
3, 3', 3a, 3a', 3b, 3b'3, 3 ', 3a, 3a', 3b, 3b '
HalbbrückeHalf bridge
44th
SteuerungseinheitControl unit
5, 5', 5a, 5a'5, 5 ', 5a, 5a'
InterleavingdrosselInterleaving throttle
66th
NetzumrichterGrid converter
77th
Transformatortransformer
8, 8'8, 8 '
Erster FilterkondensatorFirst filter capacitor
99
FilterdrosselFilter choke
10, 10'10, 10 '
Zweiter FilterkondensatorSecond filter capacitor
1111th
Erste FilterstufeFirst filter stage
1212th
Zweite FilterstufeSecond filter stage
13, 13'13, 13 '
GleichspannungsanschlüsseDC voltage connections
14, 14'14, 14 '
SymmetriepunkteSymmetry points
1515th
Gleichspannungs-ZwischenkreisDC voltage intermediate circuit
1616
Integrierte UmrichterbaugruppeIntegrated converter assembly
1717th
WechselrichterInverter

Claims (23)

Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung V1 in eine zweite Gleichspannung V2, umfassend a. eine Wandlereinheit (2) mit zumindest M elektronisch steuerbaren Halbbrücken (3, 3'), wobei M größer als eins ist, und b. eine Steuerungseinheit (4), die dazu ausgebildet ist, die Halbbrücken (3, 3') in einem Modulationsverfahren zeitversetzt mit einer im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenz fT zu aktivieren, wobei c. die Ausgänge der Halbbrücken (3, 3') über Interleaving-Drosseln (5, 5') zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung hochfrequenter Störungen der Gleichspannung V2 eine erste LC-Filterstufe (11) vorgesehen ist, die durch die Interleaving-Drosseln (5, 5') und erste Filterkondensatoren (8, 8') gebildet ist.DC voltage converter for converting a first DC voltage V 1 into a second DC voltage V 2 , comprising a. a converter unit (2) with at least M electronically controllable half bridges (3, 3 '), where M is greater than one, and b. a control unit (4) which is designed to activate the half bridges (3, 3 ') in a modulation process with a time delay at an essentially identical switching frequency f T , wherein c. the outputs of the half bridges (3, 3 ') are interconnected via interleaving chokes (5, 5'), characterized in that a first LC filter stage (11) is provided to divert high-frequency interference from the DC voltage V 2, which is caused by the interleaving - Chokes (5, 5 ') and first filter capacitors (8, 8') is formed. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Interleaving-Drosseln (5, 5') stromkompensiert sind.DC-DC converter according to Claim 1 , characterized in that the interleaving chokes (5, 5 ') are current-compensated. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz der ersten LC-Filterstufe (11) im Bereich der M-fachen Schaltfrequenz fT liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,8 × M × fT bis 1,2 × M × fT.DC-DC converter according to Claim 1 or 2 , characterized in that the cutoff frequency of the first LC filter stage (11) is in the range of M times the switching frequency f T , preferably in the range of approximately 0.8 × M × f T to 1.2 × M × f T. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Longitudinalinduktivität zur Transversalinduktivität der Interleaving-Drosseln (5, 5') in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10000 liegt.DC voltage converter according to one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the ratio of the longitudinal inductance to the transverse inductance of the interleaving chokes (5, 5 ') is in a range from about 100 to about 10,000. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Interleaving-Drosseln (5, 5') eine Longitudinalinduktivität von etwa 7,5 µH und eine Transversalinduktivität von etwa 1,94 mH aufweisen.DC voltage converter according to one of the Claims 2 until 4th , characterized in that the interleaving chokes (5, 5 ') have a longitudinal inductance of about 7.5 µH and a transverse inductance of about 1.94 mH. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Filterkondensatoren (8, 8') eine Kapazität von etwa 30 µF aufweisen.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the first filter capacitors (8, 8 ') have a capacitance of about 30 µF. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Filterkondensatoren (8, 8') symmetrisch zwischen Gleichspannungsanschlüssen (13, 13') der Gleichspannung V2 angeordnet sind.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the first filter capacitors (8, 8 ') are arranged symmetrically between DC voltage connections (13, 13') of the DC voltage V 2 . Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Filterstufe (12) vorgesehen ist, die durch eine Filterdrossel (9) und zweite Filterkondensatoren (10, 10') gebildet ist.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that a second filter stage (12) is provided, which is formed by a filter choke (9) and second filter capacitors (10, 10 '). Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Filterdrossel (9) etwa 1 µH beträgt.DC-DC converter according to Claim 8 , characterized in that the inductance of the filter choke (9) is approximately 1 µH. Gleichspannungswandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe (12) im Bereich eines Vielfachen der M-fachen Schaltfrequenz fr liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 × M × fT bis etwa 10 × M × fT.DC-DC converter according to Claim 8 or 9 , characterized in that the border frequency of the second LC filter stage (12) is in the range of a multiple of the M times the switching frequency fr, preferably in the range of about 4 × M × f T to about 10 × M × f T. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Filterkondensatoren (10, 10') symmetrisch zwischen Gleichspannungsanschlüssen (13, 13') der Gleichspannung V2 angeordnet sind und die Filterdrossel (9) die Symmetriepunkte (14, 14') der ersten Filterkondensatoren (8, 8') und der zweiten Filterkondensatoren (10, 10') verbindet.DC voltage converter according to one of the Claims 8 until 10 , characterized in that the second filter capacitors (10, 10 ') are arranged symmetrically between DC voltage connections (13, 13') of the DC voltage V 2 and the filter choke (9) the points of symmetry (14, 14 ') of the first filter capacitors (8, 8 ') and the second filter capacitors (10, 10') connects. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste LC-Filterstufe (11) und gegebenenfalls auch die zweite LC-Filterstufe (12) derart dimensioniert sind, dass ein Gesamtoberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) der Gleichspannung V2 von 3% nicht überschritten wird.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 11th , characterized in that the first LC filter stage (11) and possibly also the second LC filter stage (12) are dimensioned such that a total harmonic content (distortion factor) of the direct voltage V 2 of 3% is not exceeded. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl M der Halbbrücken (3, 3') der Wandlereinheit (2) gleich zwei, drei, vier, fünf, sechs oder höher ist.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 12th , characterized in that the number M of half bridges (3, 3 ') of the converter unit (2) is two, three, four, five, six or higher. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Halbbrücken (3, 3') der Wandlereinheit (2) zwei gesteuerte Halbleiterschalter, vorzugsweise SiC-oder GaN-Transistoren umfasst.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 13th , characterized in that each of the half bridges (3, 3 ') of the converter unit (2) comprises two controlled semiconductor switches, preferably SiC or GaN transistors. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) dazu ausgebildet ist, die Halbbrücken (3, 3') bei der Verwendung von SiC-Transistoren mit einer Schaltfrequenz fr von bis zu 200 kHz, beispielsweise 24 kHz, 33 kHz, oder 75 kHz, und bei der Verwendung von GaN-Transistoren mit einer Schaltfrequenz fr von bis zu 2 MHz anzusteuern.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 14th , characterized in that the control unit (4) is designed to control the half bridges (3, 3 ') when using SiC transistors with a switching frequency fr of up to 200 kHz, for example 24 kHz, 33 kHz, or 75 kHz, and when using GaN transistors to be controlled with a switching frequency fr of up to 2 MHz. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Erzeugung einer Gleichspannung V2 von bis zu 60 V, bis zu 200 V, bis zu 1000 V oder bis zu 1500 V ausgebildet ist.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 15th , characterized in that it is designed to generate a DC voltage V 2 of up to 60 V, up to 200 V, up to 1000 V or up to 1500 V. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass a. mehrere parallel geschaltete Wandlereinheiten (2, 2') mit je einer Zahl M Halbbrücken (3, 3', 3b, 3b') vorgesehen sind, deren Ausgänge über Interleaving-Drosseln (5, 5', 5a, 5a') zusammengeschaltet sind, wobei b. die Steuerungseinheit (4) dazu ausgebildet ist, die Wandlereinheiten (2, 2') synchron zueinander zu aktivieren.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 16 , characterized in that a. several converter units (2, 2 ') connected in parallel, each with a number M half bridges (3, 3', 3b, 3b ') are provided, the outputs of which are interconnected via interleaving chokes (5, 5', 5a, 5a '), where b. the control unit (4) is designed to activate the converter units (2, 2 ') synchronously with one another. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass a. mehrere parallel geschaltete Wandlereinheiten (2, 2') mit je einer Zahl M Halbbrücken (3, 3', 3b, 3b') vorgesehen sind, deren Ausgänge über Interleaving-Drosseln (5, 5', 5a, 5a') zusammengeschaltet sind, wobei b. die Steuerungseinheit (4) dazu ausgebildet ist, die Wandlereinheiten (2, 2') zeitversetzt zueinander zu aktivieren, um die effektive Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers zu erhöhen.DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 16 , characterized in that a. several converter units (2, 2 ') connected in parallel, each with a number M half bridges (3, 3', 3b, 3b ') are provided, the outputs of which are interconnected via interleaving chokes (5, 5', 5a, 5a '), where b. the control unit (4) is designed to activate the converter units (2, 2 ') at a time offset from one another in order to increase the effective switching frequency of the DC-DC converter. Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung V2 umfassend einen Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschalteter und vorzugsweise von der Steuereinheit (4) angesteuerter Gleichrichter (1) zur Umwandlung der Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung V1, beispielsweise in Form eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (15) vorgesehen ist.Converter arrangement for converting an AC voltage V ac into a DC voltage V 2 comprising a DC voltage converter according to one of the Claims 1 until 18th , characterized in that a switched rectifier (1), preferably controlled by the control unit (4), is provided for converting the alternating voltage V ac into a direct voltage V 1 , for example in the form of a direct voltage intermediate circuit (15). Umrichteranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1) und die Wandlereinheit (2) als integrierte Umrichterbaugruppe (16) ausgebildet sind.Inverter arrangement according to Claim 19 , characterized in that the rectifier (1) and the converter unit (2) are designed as an integrated converter assembly (16). Umrichteranordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselrichter (17) zur Umwandlung einer Eingangs-Gleichspannung Vin in die Wechselspannung Vac vorgesehen ist, wobei gegebenenfalls ein Netzumrichter (6) zur Bereitstellung der Eingangs-Gleichspannung Vin vorgesehen ist, und ein Transformator (7) zur Transformierung der Wechselspannung Vac in eine galvanisch getrennte Wechselspannung Vac' vorgesehen ist.Inverter arrangement according to Claim 19 or 20th , characterized in that an inverter (17) is provided for converting an input direct voltage V in into the alternating voltage V ac , with a network converter (6) optionally being provided for providing the input direct voltage V in , and a transformer (7) for transforming the alternating voltage V ac into a galvanically separated alternating voltage V ac '. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) und gegebenenfalls auch der Wechselrichter (1) für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt ist, sodass die Umrichteranordnung auch zur Umwandlung einer Gleichspannung V2 in eine Wechselspannung Vac ausgebildet ist.Converter arrangement according to one of the Claims 19 until 21 , characterized in that the converter unit (2) and possibly also the inverter (1) is designed for bidirectional operation, so that the converter arrangement is also designed to convert a direct voltage V 2 into an alternating voltage V ac . Umrichteranordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Wechselrichter (17) für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt ist, sodass die Umrichteranordnung auch zur Umwandlung einer Gleichspannung V2 in eine andere Gleichspannung Vin ausgebildet ist.Inverter arrangement according to Claim 22 , characterized in that the inverter (17) is also designed for bidirectional operation, so that the converter arrangement is also designed to convert a direct voltage V 2 into another direct voltage Vin.
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