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Die vorliegende Erfindung betrifft Drei-Level-Wandler mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt, auch als Active Neutral Point Clamped, ANPC, Wandler bezeichnet. Ausführungsbeispiele betreffen einen ANPC-Wandler mit einem Entlastungsnetzwerk, welches in Form eines Wandlers ausgebildet ist, der gemäß dem Auxiliary Resonant Commutated Pole, ARCP, Konzept arbeitet.
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Wandlerschaltungen, wie beispielsweise ANPC-Wandler, umfassen Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter. Solche Halbleiterschalter sind keine idealen Bauelemente, so dass bei jedem Schaltvorgang Verluste entstehen. Tatsächlich können nur ideale Schalter mit unendlich schnellen Schaltvorgängen verlustlos von einem leitenden Zustand in einen sperrenden Zustand umschalten. Reale Bauelemente, wie beispielsweise die erwähnten Halbleiterschalter, haben dagegen endliche Ein- und Ausschaltzeiten, wodurch gleichzeitig hohe Spannungen und Ströme am Bauteil anliegen, beispielsweise an einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT (engl.: Insulated Gate Bipolar Transistor), an einem MOSFET (engl.: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder an einer Diode. Die endlichen Ein- und Ausschaltzeiten führen kurzzeitig zu hohen Verlustleistungen bei jedem Schaltvorgang. Diese Verluste potenzieren sich mit steigenden Schaltfrequenzen.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, die gerade erwähnten Schaltverluste bei Wandlerschaltungen, wie beispielsweise bei einem ANPC-Wandler, zu vermeiden oder mindestens zu reduzieren. Die
DE 10 2010 008 426 A1 beschreibt einen Drei-Stufen-Pulswechselrichter mit einem Entlastungsnetzwerk, welches aus wenigstens einer Spule, zwei Kondensatoren und einer Reihenschaltung aus vier in gleicher Richtung gepolten Dioden gebildet ist. Nachteilig an der offenbarten Topologie ist insbesondere die Größe der verwendeten Spule bzw. Resonanzdrossel. Da die Resonanzdrossel im Hauptleistungspfad liegt, muss diese für den gesamten Laststrom des Wandlers bzw. Wechselrichters dimensioniert sein. Ein weiterer Nachteil dieser Topologie ist die erhöhte Spannungsbelastung der verwendeten Halbleiter-Hauptschalter des Wechselrichters, da die erhöhte Spannungsbelastung bzw. die damit einhergehende, benötigte höhere Sperrspannungsfestigkeit zu höheren Schaltverlusten führt.
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Eine weitere, bekannte Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit Entlastungsnetzwerk ist in der
DE 10 2014 110 490 A1 beschrieben, bei der der Nachteil der
DE 10 2010 008 426 A1 im Zusammenhang mit der Dimensionierung der Spule bzw. Resonanzdrossel dadurch vermieden wird, dass die Resonanzdrosseln nicht im Hauptstrompfad angeordnet sind, so dass eine Reduzierung der Größe derselben möglich ist. Weiterhin besteht aber der oben erwähnte Nachteil, dass die verwendeten Halbleiter-Hauptschalter einer erhöhten Spannungsbelastung ausgesetzt sind, die, wie erwähnt, zu höheren Schaltverlusten führt.
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Weitere Beispiele für Entlastungsschaltungen für einen Dreipunktwechselrichter in Neutral Point Clamped, NPC, Schaltung sind in der
US 5 949 669 A und in der
US 6 205 040 B1 beschrieben. Gemäß den dort erläuterten Topologien wird ein Spannungszwischenkreis in vier Kondensatoren unterteilt, die jeweils ¼ der Gesamtspannung aufnehmen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass der in den Hilfsschaltern Saux1 und Saux2 des Entlastungsnetzwerks fließende Strom einen Gleichanteil besitzt, der wiederum über eine Vielzahl von Schaltvorgängen zu einem Auseinanderdriften der Kondensatorspannungen in dem Spannungszwischenkreis führt. Dies erfordert eine aufwändige und verlustbehaftete Symmetrierung der Kondensatorspannungen, was ferner mit einem schaltungstechnischen Mehraufwand einhergeht, der wiederum zu Verlusten führt.
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Wang, J., Xun, Y., Liu, X. et al. „Soft switching circuit of high-frequency active neutral point clamped inverter based on SiC/Si hybrid device", J. Power Electron. 21, 71-84 (2021) bzw. die
CN 1 09 639 170 A beschreiben ein weiteres Beispiel für ein Schaltentlastungsnetzwerk für einen dreistufigen ANPC-Wandler bzw. Wechselrichter. Das Entlastungsnetzwerk ist auf der Ausgangsseite des Wechselrichters, parallel zur verwendeten Hauptinduktivität, angeordnet, was aber den Nachteil hat, dass das Schaltentlastungsnetzwerk nur für den Wirkleistungsbetrieb des Wechselrichters, also für einen Leistungsfaktor cos(<p) = 1, arbeiten kann. Somit ist die Schaltungsanordnung für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen die Bereitstellung von Blindleistung notwendig ist oder sogar normativ gefordert wird, z. B. im Bereich von Photovoltaik-Wechselrichtern oder Antriebsstromrichtern, nicht einsetzbar.
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J. Li; J. LIU, D. BOROYEVICH: A simplified three phase three-level zero-current-transition active neutral-point-clamped converter with three auxiliary switches, In: 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010 I Conference Paper, Publisher: IEEE beschreiben einen dreistufigen aktiven Wechselrichter mit Null-Strom-Übergang und geklemmtem Neutralpunkt, der eine Soft-Switching-Topologie aufweist, die nur einen Hilfsschalter und einen LC-Resonanztank zur Unterstützung der Hauptschalter in einem Phasenabschnitt verwendet.
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Die
WO 2015 / 098 651 A1 beschreibt einen Null-Strom-Schaltleistungswandler mit einer reduzierten Anzahl von Schaltelementen. Der Wandler umfasst eine Reihenschaltung von Gleichstromversorgungen und eine Reihenschaltung von Schaltelementen, die parallel geschaltet sind, und zwischen einem gemeinsamen Knoten der Gleichstromversorgungen und einem gemeinsamen Knoten der Schaltelemente sind weitere Schaltelemente geschaltet, die in zueinander entgegengesetzte Gegenspannungsrichtungen gesteuert werden können. Ein Ende eines Resonanzkreises, der durch Reihenschaltung eines Kondensators und einer Drossel gebildet wird, ist mit dem gemeinsamen Knoten der weiteren Schaltelemente verbunden, und ein zusätzliches Schaltelement ist zwischen dem anderen Ende des Resonanzkreises und dem gemeinsamen Knoten der Gleichstromversorgungen angeschlossen. Eine Klemmdiode ist zwischen dem gemeinsamen Knoten des zusätzlichen Schaltelements und dem Resonanzkreis und dem gemeinsamen Knoten einer der Gleichstromversorgungen und einem der Schaltelements angeschlossen.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drei-Level-Wandler mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt zu schaffen, der es ermöglicht, unter Vermeidung der im Stand der Technik bekannten Nachteile Schaltverluste zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch einen Drei-Level-Wandler mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Drei-Level-Wandler mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt, Active Neutral Point Clamped, ANPC, Wandler, mit:
- - einem Eingang,
- - einem Ausgang, und
- - einem Entlastungsnetzwerk, das mit dem Ausgang verbunden ist.
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Der Drei-Level-Wandler umfasst:
- - eine erste Reihenschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen umfasst, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen zumindest ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement umfasst, und wobei die erste Reihenschaltung zwischen einen ersten Eingangsanschluss des Eingangs und einen Ausgangsanschluss des Ausgangs geschaltet ist,
- - eine zweite Reihenschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen umfasst, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen zumindest ein drittes Schaltelement und ein viertes Schaltelement umfasst, und wobei die zweite Reihenschaltung zwischen den Ausgangsanschluss des Ausgangs und einen zweiten Eingangsanschluss des Eingangs geschaltet ist, und
- - eine dritte Reihenschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen umfasst, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen zumindest ein fünftes Schaltelement und ein sechstes Schaltelement umfasst, wobei die dritte Reihenschaltung zu dem zweiten Schaltelement und zu dem dritten Schaltelement parallel geschaltet ist, und wobei ein erster Knoten zwischen dem fünften Schaltelement und dem sechsten Schaltelement mit einem Neutralanschluss verbunden ist,
- - wobei das ARCP Entlastungsnetzwerk zwischen den Ausgangsanschluss, einen zweiten Knoten zwischen dem ersten Schaltelement, dem zweiten Schaltelement und dem fünften Schaltelement und einen dritten Knoten zwischen dem dritten Schaltelement, dem vierten Schaltelement und dem sechsten Schaltelement geschaltet ist.
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Das ARCP Entlastungsnetzwerk umfasst:
- - einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Knoten verbunden ist, und einen dritten Anschluss, der mit dem dritten Knoten verbunden ist,
- - eine erste Entlastungsnetzwerk-Reihenschaltung, die eine Mehrzahl von Eingangskondensatoren umfasst, wobei jeder der Eingangskondensatoren einen oder mehrere Kondensatoren umfasst, wobei die Mehrzahl von Eingangskondensatoren zumindest einen ersten Eingangskondensator und einen zweiten Eingangskondensator umfasst, und wobei die erste Entlastungsnetzwerk-Reihenschaltung zwischen den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss geschaltet ist,
- - eine zweite Entlastungsnetzwerk-Reihenschaltung, die eine Spule und einen oder mehrere Entlastungsnetzwerk-Schalter umfasst, wobei die zweite Entlastungsnetzwerk-Reihenschaltung zwischen den ersten Anschluss und einen vierten Knoten zwischen dem ersten Eingangskondensator und dem zweiten Eingangskondensator geschaltet ist, und
- - zumindest einen Resonanzkondensator.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das ARCP Entlastungsnetzwerk
- - zumindest eine erste Diode, die zwischen den zweiten Anschluss und einen fünften Knoten zwischen der Spule und dem Entlastungsnetzwerk-Schalter geschaltet ist, und
- - zumindest eine zweite Diode, die zwischen den dritten Anschluss und den fünften Knoten geschaltet ist.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das ARCP Entlastungsnetzwerk eine Mehrzahl von Resonanzkondensatoren, wobei jeder der Resonanzkondensatoren einen oder mehrere Kondensatoren umfasst, und wobei die Mehrzahl von Resonanzkondensatoren zumindest einen ersten Resonanzkondensator, der zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, und einen zweiten Resonanzkondensator, der zwischen den ersten Anschluss und den dritten Anschluss geschaltet ist, umfasst.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist der erste Resonanzkondensator ganz oder teilweise durch eine Kapazität des zweiten Schaltelements gebildet, und der zweite Resonanzkondensator ist ganz oder teilweise durch eine Kapazität des dritten Schaltelements gebildet.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist der zumindest eine Resonanzkondensator zwischen den ersten Anschluss und den vierten Knoten geschaltet, wobei der zumindest eine Resonanzkondensator einen oder mehrere Kondensatoren umfasst.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist die zweite Entlastungsnetzwerk-Reihenschaltung derart zwischen den ersten Anschluss und den vierten Knoten geschaltet, dass
- - die Spule mit dem ersten Anschluss und der Entlastungsnetzwerk-Schalter mit dem vierten Knoten verbunden sind, oder
- - die Spule mit dem vierten Knoten und der Entlastungsnetzwerk-Schalter mit dem ersten Anschluss verbunden sind.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die zweite Entlastungsnetzwerk-Reihenschaltung
- - eine Mehrzahl Entlastungsnetzwerk-Schaltern, wobei die Mehrzahl Entlastungsnetzwerk-Schaltern zumindest einen ersten Entlastungsnetzwerk-Schalter und einen zweiten Entlastungsnetzwerk-Schalter umfasst, die in Reihe verschaltet sind, wobei der erste Entlastungsnetzwerk-Schalter und der zweite Entlastungsnetzwerk-Schalter jeweils einen Halbleiterschalter und eine Diode umfassen, wobei die Dioden und die Entlastungsnetzwerk-Schalter verschaltet sind, um ein in beide Stromrichtungen sperrbares Schaltelement zu bilden, oder
- - einen bidirektionalen Schalter.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfassen das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement, das vierte Schaltelement, das fünfte Schaltelement und das sechste Schaltelement jeweils einen Halbleiterschalter und eine Diode, die parallel zu dem Halbleiterschalter angeschlossen ist.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfassen das erste und vierte bis sechste Schaltelement jeweils einen Halbleiterschalter eines ersten Typs, und das zweite und dritte Schaltelement jeweils einen Halbleiterschalter eines zweiten Typs, wobei der erste Typ und der zweite Typ gleich oder unterschiedlich sind.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst der der Halbleiterschalter einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate, IGBT, zu dem die Diode parallel geschaltet ist, oder einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, bei dem die Diode eine intrinsische Diode des MOSFET sein kann.
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Ausführungsbeispiele schaffen einen n-phasigen Wandler, der für jede Phase einen Drei-Level-Wandler gemäß einem der vorliegenden Erfindung umfasst, mit n > 1 und n ∈ ℤ.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Ausgestaltung eines Entlastungsnetzwerks für einen Drei-Level-Wandler mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt, Active Neutral Point Clamped, ANPC, Wandler, in Form eines Auxiliary Resonant Commutated Pole, ARCP, Entlastungsnetzwerks dazu führt, dass der Strom durch das Entlastungsnetzwerk über eine Netzspannungsperiode keinen Mittelwert hat, so dass die Spannungen über die Kondensatoren des Spannungszwischenkreises auch nicht Auseinanderdriften, wodurch die im Stand der Technik angetroffenen Ströme mit Gleichanteil über die äußeren Schalter der ANPC-Topologie (z.B. die äußeren Hilfsschalter eines ANPC mit ARCP gemäß der
US 6 205 040 B1 ) vermieden werden, und das damit einhergehenden Auseinanderdriften der Spannungen. Somit schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Schaltungstopologie in Form eines Drei-Level-ANPC-Wechselrichters mit einem resonanten Entlastungsnetzwerk, bei dem das ARCP-Wandlerprinzip angewendet wird.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen einphasigen Drei-Level-Wandler bzw. Dreipunktwechselrichter. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen mehrphasigen Drei-Level-Wandler bzw. Dreipunktwechselrichter mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Entlastungsnetzwerk.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen:
- 1(a) zeigt den Aufbau einer Zwei-Level-ARCP-Schaltung, wie sie im Wesentlichen aus der US 2004 / 0 246 756 A1 bekannt ist,
- 1(b) zeigt Strom- und Spannungsverläufe in der Schaltung aus 1(a),
- 2(a) zeigt die Erweiterung der anhand der 1 erläuterten Zwei-Level-ARCP-Schaltung auf eine Drei-Level-ARCP-Schaltung,
- 2(b) zeigt Strom- und Spannungsverläufe in der Schaltung aus 2(a),
- 3 zeigt die Ströme und Kondensatorspannungen der Drei-Level-ARCP-Schaltung gemäß 2(a) über mehrere Perioden,
- 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Drei-Level- bzw. Drei-Pegel-Wandlers mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt, dessen Entlastungsnetzwerk ein ARCP-Entlastungsnetzwerk ist,
- 5(a) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des ARCP-Entlastungsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 5(b) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des ARCP-Entlastungsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 5(c) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des ARCP-Entlastungsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 5(d) zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des ARCP-Entlastungsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 6 zeigt den Stromverlauf des Laststroms am Ausgangsanschluss A und des Resonanzstroms durch die Resonanzdrossel des Entlastungsnetzwerks eines Wandlers gemäß 4, bei dem Entlastungsnetzwerk in Form eines ARCP-Entlastungsnetzwerks, z.B. gemäß 5(a) bis 5(d), ausgestaltet ist,
- 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einphasigen ANPC-Wandlers, der ein ARCP-Entlastungsnetzwerk gemäß 5(a) aufweist,
- 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dreiphasigen ANPC-Wandlers, der für jede Phase ein ARCP-Entlastungsnetzwerk gemäß 5(a) aufweist,
- 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einphasigen ANPC-Wandlers, der ein ARCP-Entlastungsnetzwerk gemäß 5(c) aufweist, und
- 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dreiphasigen ANPC-Wandlers, der für jede Phase ein ARCP-Entlastungsnetzwerk gemäß 5(c) aufweist.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden gleich oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Drei-Level-Wandler mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt, Active Neutral Point Clamped, ANPC, Wandler, der ein entsprechend dem Auxiliary Resonant Commutated Pole, ARCP, Prinzip arbeitendes Entlastungsnetzwerk aufweist. Der Drei-Level-Wandler wird auch als Drei-Pegel-Wandler oder als Drei-Punkt-Wandler bezeichnet. Der erfindungsgemäß ausgestaltete Wandler vermeidet, wie oben bereits ausgeführt wurde, die im Stand der Technik angetroffenen Nachteile im Hinblick auf das unerwünschte Auseinanderdriften der Spannungen über die Kondensatoren des Spannungszwischenkreises, und die damit einhergehenden Ausgleichsströme in den äußeren Schaltern derANPC-Topologie (z.B. die äußeren Hilfsschalter Tr1-Tr22 in 2(a)) sowie die damit verbundenen Verluste.
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Grundsätzlich ist das ARCP-Prinzip zur Schaltentlastung im Zusammenhang mit Zwei-Level-Topologien bekannt. Die
US 2004 / 0 246 756 A1 beschreibt z.B. einen Zwei-Punkt-ARCP-Wandler bzw. Zwei-Punkt-ARCP-Wechselrichter mit zwei Hauptschaltern. Die dort beschriebene Topologie ermöglicht unter Verwendung von Halbleitern gleicher Sperrspannungsfestigkeit eine vergleichbare Spannungshöhe an den Kondensatoren im Spannungszwischenkreis, allerdings nur beim Betrieb des Wechselrichters als Zweipunktwechselrichter, der aber gegenüber Dreipunktwechselrichtern höhere Schaltverluste aufweist. Ferner ist die praktische Umsetzung der Reihenschaltung der verwendeten Schalter des Entlastungsnetzwerks anspruchsvoll bzw. aufwendig, da eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung auf die Bauelemente sichergestellt sein muss.
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Die Verwendung des ARCP-Prinzips zur Schaltentlastung bei Drei-Level-Wandlern bzw. Drei-Level-Wandlern ist im Stand der Technik nicht bekannt und die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass die Anwendung des ARCP-Prinzips im Drei-Level-ANPC-Topologien zu einer Schaltungsanordnung führt, bei der die in Stand der Technik angetroffenen Probleme auseinanderdriftender Kondensatorspannungen, und die damit einhergehenden höheren Ausgleichströme und Verluste, verhindert bzw. reduziert werden können.
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1(a) zeigt den Aufbau einer Zwei-Level-ARCP-Schaltung, wie sie im Wesentlichen aus der
US 2004 / 0 246 756 A1 bekannt ist, und
1(b) zeigt die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe.
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Die in 1(a) dargestellte Zwei-Level-ARCP-Schaltung umfasst die Eingangsanschlüsse 100a und 100b, sowie den mit der Last L verbundenen Ausgangsanschluss A. An die Eingangsanschlüsse 100a, 100b ist eine Gleichspannung VDC anlegbar, die mittels der dargestellten Schaltung in eine am Ausgang A anliegende, für die Last L geeignete Wechselspannung umgewandelt wird. Die Schaltung umfasst einen Spannungszwischenkreis 102 umfassend eine Serienschaltung oder Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren CZK1 und CZK2. Zwischen den ersten Eingangsanschluss 100a, beispielsweise dem positiven Anschluss der in 1(a) dargestellten Gleichspannungsquelle, und den Ausgangsanschluss A ist ein erstes Schaltelement T1 geschaltet. Zwischen den zweiten Eingangsanschluss 100b, beispielsweise den negativen Anschluss der Gleichspannungsquelle, und den Ausgangsanschluss A ist ein zweites Schaltelement T2 geschaltet. Die Schaltelemente T1 und T2 sind beispielsweise Halbleiterschalter, z. B. IGBTs, und die dargestellten Dioden D1, D2 sind Freilaufdioden, die zu den Schaltelementen T1 und T2 parallel geschaltet sind. Ferner ist zu jedem Schaltelement T1 und T2 ein Kondensator Cr1 und Cr2 parallel geschaltet. Zwischen einen Knoten MP, an dem die Kondensatoren CZK1 und CZK2 des Spannungszwischenkreises 102 miteinander verbunden sind, und den Ausgangsanschluss A ist das Entlastungsnetzwerk 104 geschaltet, welches eine Reihenschaltung aufweist, die eine Spule oder Resonanzdrossel Lr, ein erstes Schaltelement Tr1 und ein zweites Schaltelement Tr2 umfasst. Ferner sind die Freilaufdioden Dr1 und Dr2 dargestellt, die zu den Schaltelementen Tr1 und Tr2 parallel angeordnet sind. Die Schaltelemente Tr1 und Tr2 und die Freilaufdioden Dr1 und Dr2 sind verschaltet, um ein in beide Stromrichtungen sperrbares Schaltelement zu bilden. In der nachfolgenden Beschreibung wird dies auch als eine Verschaltung der Schaltelemente in entgegengesetzter Richtung bezeichnet.
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Beim Betrieb der in 1(a) dargestellten Zwei-Level-ARCP-Schaltung wird, wie in 1(b) dargestellt, für den Strom ILr in der Resonanzdrossel Lr ein positiver Wert bei positivem Laststrom ILoad und ein negativer Wert bei negativem Laststrom ILoad eingestellt. Der Resonanzstrom wird aktiv gesteuert, bei positivem Ausgangsstrom ist kein negativer Resonanzstrom ILr notwendig, da der Strom ILoad auf D2 kommutiert und die Einschaltverluste von T2 vernachlässigbar sind (umgedreht bei negativem Ausgangsstrom). Über eine Periode der Grundschwingung ergibt sich ein Mittelwert des Stroms in der Resonanzdrossel bzw. Resonanzinduktivität von 0 A. Die Aufteilung der Gesamtspannung VDC auf die Kondensatoren CZK1 und CZK2 schwankt, wie es durch die Spannungsverläufe UZK1 und UZK2 im unteren Teil der 1(b) dargestellt ist, da aber der Mittelwert des Stroms ILr in der Resonanzdrossel Lr 0 A beträgt, erfolgt kein Auseinanderdriften der Kondensatorspannungen UZK1 und UZK2.
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Für eine Zwei-Level-Topologie ist der Einsatz des ARCP-Prinzips somit vorteilhaft, so dass man auch davon ausgehen könnte, dass dieses Prinzip auch bei einer Drei-Level-Topologie diese Vorteile bringt. Die Untersuchungen der Erfinder haben jedoch ergeben, dass die Anwendung des ARCP-Prinzips auf eine Drei-Level-Schaltung nicht zu den bei der Zwei-Level-Schaltung beobachteten Vorteilen führt, im Gegenteil, bei der Erweiterung auf eine Drei-Level-Topologie kommt es zu einem unerwünschten Auseinanderdriften der Kondensatorspannungen im Spannungszwischenkreis der Schaltung.
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2 zeigt die Erweiterung des anhand der 1 erläuterten Zwei-Level-ARCP-Prinzips auf ein Drei-Level-ARCP-Prinzip, wobei 2(a) eine Drei-Level-ARCP-Schaltung darstellt und 2(b) die Strom- und Spannungsverläufe an einer solchen Drei-Level-ARCP-Schaltung.
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Die Drei-Level-ARCP-Schaltung gemäß 2(a) umfasst die Eingangsanschlüsse 100a und 100b, die mit dem positiven Anschluss bzw. dem negativen Anschluss der Gleichspannungsquelle verbindbar sind, um eine Gleichspannung VDC an den Wandler anzulegen und in eine für die Last L geeignete Wechselspannung umzuwandeln. Die Last L ist an einen Ausgangsanschluss A des Wandlers angeschlossen und zwischen den ersten Eingangsanschluss 100a und den Ausgangsanschluss A ist ein erstes Schaltelement T1 geschaltet, zu dem die Freilaufdiode D1, ähnlich wie in der Schaltung gemäß 1(a), parallel geschaltet ist. Zwischen den zweiten Eingangsanschluss 100b und den Ausgangsanschluss A ist ein viertes Schaltelement T4 geschaltet, zu dem ebenfalls die Freilaufdiode D4 parallel geschaltet ist. Zwischen die Eingangsanschlüsse 100a und 100b ist der Spannungszwischenkreis 102 geschaltet, der eine Reihenschaltung aus vier Kondensatoren CZK1 bis CZK4 umfasst, wobei die Kondensatoren CZK1 und CZK2 in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss 100a und den Knoten MP geschaltet sind, und die Kondensatoren CZK3 und CZK4 sind in Reihe zwischen den zweiten Eingangsanschluss 100b und den Knoten MP geschaltet sind. Zur Bildung der Drei-Level-Topologie umfasst die in 2(a) dargestellte Schaltung ferner die zwischen den Ausgangsanschluss A und den Knoten MP geschaltete Reihenschaltung der zweiten und dritten Schaltelemente T2 und T3, die entgegengesetzt zueinander verschaltet sind. Ferner sind die jeweiligen Freilaufdioden D2 und D3 dargestellt. Ferner umfasst die Schaltung das Entlastungsnetzwerk 104 umfassend die Spule oder Drosselresonanz Lr, sowie die zu den Schaltelementen T1 bis T4 parallel geschalteten Kondensatoren Cr1 bis Cr4. Das Schaltnetzwerk 104 umfasst einen ersten Zweig 104a mit einer ersten Reihenschaltung von entgegengesetzt verschalteten Schaltelementen Tr1 und Tr2, ähnlich wie in 1(a), die zwischen einen ersten Anschluss der Spule Lr und einen Knoten h zwischen den Kondensatoren CZK1 und CZK2 des Spannungszwischenkreises 102 geschaltet ist. Ein zweiter Zweig 104b des Entlastungsnetzwerks 104 umfasst eine zweite Reihenschaltung von entgegengesetzt verschalteten Schaltelementen Tr11 und Tr22 mit den dazugehörigen Freilaufdioden Dr11 und Dr22. Die zweite Reihenschaltung ist zwischen den ersten Anschluss der Spule Lr und den Knoten I zwischen den Kondensatoren CZK3 und CZK4 des Spannungszwischenkreises 102 geschaltet. Der andere Anschluss der Spule Lr ist mit dem Ausgangsanschluss A verbunden.
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In
2(b) ist der Verlauf des Stroms I
Lr in der Spule bzw. Resonanzinduktivität L
r bei positiver Ausgangsspannung dargestellt, bei der die Schaltelemente T
1 und T
3 getaktet (z.B. durch eine Puls Weiten Modulation, PWM, Ansteuerung) schalten, das Schaltelement T
4 dauerhaft ausgeschaltet ist, und das Schaltelement T
2 dauerhaft eingeschaltet ist. Grundsätzlich gilt: I
Lr = I
m1 + I
m2, aber bei positiver Ausgangsspannung ist I
m2 = 0 und damit I
Lr = I
m1. Im Bereich positiver Ausgangsspannung und bei negativem Laststrom I
Load schaltet der Hilfsschalter T
r1, und im Bereich positiver Ausgangsspannung und bei positivem Ausgangsstrom I
Load schaltet der Hilfsschalter T
r2, wie es im oberen Bereich der
2(b) durch die Bezeichnung „T
r1 angesteuert“ bzw. „T
r2 angesteuert“ bezeichnet ist. Dieser Betriebspunkt ist bei einem Betrieb mit hoher Wirkleistungsabgabe, z. B. beim Betrieb eines Photovoltaik-Wechselrichters, der dominierende Betrieb und entspricht beispielsweise dem Betrieb, der in der
US 6 205 040 B1 in den dortigen
7 bis
9 zum Zeitpunkt 4 dargestellt ist. In der Darstellung in
2(b) ist in der im unteren Teil vergrößerten Darstellung zu erkennen, dass der am Knoten h abgehende Strom I
m1, der dem Strom durch die Spule L
r entspricht, einen Mittelwert von größer als 0 A besitzt. Mit anderen Worten führt die Erweiterung der Zwei-Level-ARCP-Topologie gemäß
1(a) zu einer Drei-Level-Topologie zu Problemen, die auch in den Topologien gemäß der
US 5 949 669 A und der
US 6 205 040 B1 angetroffen werden, nämlich dass der nunmehr existierende Gleichanteil im Strom durch die Spule zu einem Auseinanderdriften der Kondensatorspannungen U
ZK1 und U
ZK2 der Kondensatoren C
ZK1 und C
ZK2 führt. Dies ist in
3 dargestellt, die die Ströme und Kondensatorspannungen der Drei-Level-ARCP-Schaltung gemäß
2(a) über mehrere Perioden darstellt.
3 verdeutlicht, dass der Verlauf des Stroms I
m1, anders als bei der Zwei-Level-Schaltung, zu einem Gleichanteil führt, aufgrund des Übergewichts des positiven Anteils 106a des Stroms I
m1 verglichen mit dessen negativem Anteil 106b, was zu dem in
3 dargestellten Auseinanderdriften der Kondensatorspannungen U
ZK1, U
ZK2 über der Zeit führt, und damit zu entsprechenden, unerwünschten Ausgleichsströmen, wie es oben bereits erläutert wurde. Das unerwünschte Auseinanderdriften der Kondensatorspannungen und die damit einhergehenden Nachteile könnten zwar entsprechend den Lehren der
US 6 205 040 B1 bekämpft werden, indem beide Schaltelemente oder Hilfsschalter T
r1, T
r2 bzw. T
r11, T
r22 im Bereich des Stromnulldurchgangs zur aktiven Beschleunigung des Kommutierungsvorgangs geschaltet werden. In diesem Fall ergäbe sich ein Resonanzstrom, der sowohl positive als auch negative Werte annimmt, wie es beispielsweise in der
US 6 205 040 B1 anhand der dortigen
12 zu den Zeitpunkten 4 und 7 dargestellt ist. Diese Betriebsweise hat aber den entscheidenden Nachteil, dass der Hauptschalter T
1 etwa das 2,3 bis 2,5-Fache des Laststroms als Spitzenstrom aufnehmen muss, so dass die Ausschaltverluste drastisch ansteigen. Ferner steigen auch die Verluste in den Elementen des Entlastungsnetzwerks 104.
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Nachdem erfinderseitig festgestellt wurde, dass die einfache Erweiterung der Zwei-Level-ARCP-Topologie auf eine Drei-Level-ARCP-Topologie nicht geeignet ist, die zur Vermeidung von Verlusten erforderliche symmetrische Spannungsaufteilung der Eingangsspannung auf die Kondensatoren des Spannungszwischenkreises zu gewährleisten, wurde im Zuge weiterer Untersuchungen herausgefunden, dass die bei einem ANPC-Wandler angetroffenen Probleme im Hinblick auf Schaltverluste unter Verwendung eines Entlastungsnetzwerks vermieden werden können, welches entsprechend dem ARCP-Prinzip arbeitet. Mit anderen Worten wurde herausgefunden, dass die Kombination eines ANPC-Wandlers mit einem ARCP-Entlastungsnetzwerk zu der gewünschten Reduzierung von Schaltverlusten in einem solchen Wandler führt, unter gleichzeitiger Beibehaltung der erforderlichen symmetrischen Spannungsaufteilung der Eingangsspannung auf die Kondensatoren des Spannungszwischenkreises, so dass keine unerwünschten Ausgleichsströme und damit auch keine unerwünschten Verluste auftreten.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drei-Level- bzw. Drei-Pegel-Wandlers mit aktivem angeschlossenem Neutralpunkt, dessen Entlastungsnetzwerk ein ARCP-Entlastungsnetzwerk ist. 4 zeigt die grundsätzliche ANPC-Wandlerschaltung, die die Eingangsanschlüsse 100a und 100b umfasst, die mit entsprechenden Anschlüssen einer Gleichspannungsquelle verbindbar sind. Ferner umfasst der Wandler den Spannungszwischenkreis 102, der eine Reihenschaltung von zumindest zwei Kondensatoren CZK1 und CZK2 umfasst. Die Kondensatorreihenschaltung ist zwischen die Eingangsanschlüsse 100a und 100b geschaltet und ferner ist der Knoten MP zwischen den Kondensatoren CZK1 und CZK2 mit einem Bezugspotenzial, z.B. Erde oder Masse, bzw. mit dem Neutralpunkt verbunden. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausgestaltung des Spannungszwischenkreises 102 gemäß 4 beschränkt ist. Vielmehr können die Kondensatoren CZK1 und/oder CZK2 durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet sein, die parallel und/oder seriell verschaltet sind. Mit anderen Worten können zwischen den Knoten 100a und MP und/oder zwischen den Knoten 100b und MP auch mehr als ein Kondensator angeordnet sein.
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Der Wandler gemäß 4 umfasst ferner den Ausgangsanschluss A. 4 zeigt eine einphasige Ausgestaltung des Wandlers, gemäß dem eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung der Phase a umgewandelt wird. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 100a und dem Ausgangsanschluss A liegt eine erste Reihenschaltung von Schaltern umfassend den ersten Schalter T1 und den zweiten Schalter T2. Zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 100b und dem Ausgangsanschluss A ist eine zweite Reihenschaltung geschaltet, die einen dritten Schalter T3 und einen vierten Schalter T4 umfasst. Ferner umfasst der Wandler einen fünften Schalter T5, der zwischen den Knoten MP des Spannungszwischenkreises 102 und einen Knoten ① zwischen dem ersten Schalter T1 und dem zweiten Schalter T2 geschaltet ist. Ein sechster Schalter T6 ist zwischen den Knoten MP und einen Knoten ② zwischen dem dritten Schalter T3 und dem vierten Schalter T4 der zweiten Reihenschaltung geschaltet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die anhand der 4 dargestellten Schalter bzw. Schaltelemente T1 bis T6 auch durch mehrere Schalter bzw. Schaltelemente ausgebildet sein können, die parallel oder seriell verschaltet sein können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Drei-Level-ANPC-Wandler zusätzlich das Entlastungsnetzwerk 104, das mit dem Ausgang A verbunden ist, und entsprechend dem ARCP-Prinzip arbeitet bzw. aufgebaut ist bzw. eine ARCP-Topologie aufweist.
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Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist das ARCP-Entlastungsnetzwerk 104 mit dem Ausgangsanschluss A verbunden. Das ARCP-Entlastungsnetzwerk 104 umfasst einen ersten Anschluss 200a, der mit dem Ausgangsanschluss A verbunden ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst das ARCP-Entlastungsnetzwerk 104 einen zweiten Anschluss 200b und einen dritten Anschluss 200c. Der zweite Anschluss 200b des ARCP-Entlastungsnetzwerks 104 ist mit dem Knoten ① des ANPC-Wandlers verbunden und der dritte Anschluss 200c ist mit dem Knoten ② des ANPC-Wandlers verbunden.
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Anhand der 5 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung des ARCP-Entlastungsnetzwerks 104 gemäß 4 näher erläutert. 5(a) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Ausgestaltung des ARCP-Entlastungsnetzwerks 104. Das Entlastungsnetzwerk 104 umfasst eine erste Reihenschaltung 202 aus einem ersten Kondensator C1 und einem zweiten Kondensator C2 und eine zweite Reihenschaltung 204 aus einer Spule Lr bzw. Drossel, auch als Resonanzdrossel oder Resonanzinduktivität bezeichnet, und zumindest zwei in entgegengesetzte Richtungen geschaltete Hilfsschalter Tr1 und Tr2 mit parallel geschalteten Freilaufdioden Dr1 und Dr2, die verschaltet sind, um ein in beide Stromrichtungen sperrbares Schaltelement zu bilden. Die erste Reihenschaltung 202 ist zwischen den zweiten Anschluss 200b und den dritten Anschluss 200c des Entlastungsnetzwerks 104 geschaltet, und die zweite Reihenschaltung 204 ist zwischen den ersten Anschluss 200a und einen Knoten m zwischen den Kondensatoren C1 und C2 der ersten Reihenschaltung 202 geschaltet. Das Entlastungsnetzwerk 104 umfasst ferner die zwei Resonanzkondensatoren Cr2 und Cr3, die zwischen den ersten Anschluss 200a und den zweiten Anschluss 200b bzw. zwischen den ersten Anschluss 200a und den dritten Anschluss 200c des Entlastungsnetzwerks 104 geschaltet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kondensatoren Cr2 und Cr3 durch einen oder mehrere seriell oder parallel verschaltete Kondensatoren realisiert sein können.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Verwendung des ARCP-Entlastungsnetzwerks 104 in dem Drei-Level-ANPC-Wandler bewirkt, dass der Strom durch die Kondensatoren C1 und C2 des Entlastungsnetzwerks 104 über eine Netzspannungsperiode keinen Mittelwert hat und die Spannungen von C1 und C2 somit nicht auseinander driften. Der bei einer Erweiterung des Zwei-Level-ARCP-Prinzips auf ein Drei-Level-ARCP-Prinzip (siehe 2(a)) vorliegende Einfluss auf die Aufteilung der Spannungen in CZK1 und CZK2 tritt bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht auf.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der Schaltungselemente in der zweiten Reihenschaltung 204 auch anders sein kann, z. B. kann die Spule Lr mit dem ersten Ausgang 200a verbunden sein und der zweite Hilfsschalter Tr2 kann mit dem Knoten m verbunden sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die Spule Lr zwischen den Hilfsschaltern angeordnet sein, so dass der erste Hilfsschalter Tr1 mit dem ersten Anschluss 200a oder dem Knoten m verbunden ist und der zweite Hilfsschalter Tr2 mit dem Knoten m oder dem ersten Anschluss 200a verbunden ist. Bei einer solchen Verschaltung (Spule Lr zwischen den Hilfsschaltern Tr1 und Tr2) ist vorzugsweise folgendes zu berücksichtigen:
- - die Hilfsschalter Tr1 bzw. Tr2 sind ausgelegt, die Energie bzw. eine entstehende Überspannung beim Abschalten der Spule Lr abzubauen
- - die Hilfsschalter Tr1 und Tr2 werden derart angesteuert, dass diese nur ausgeschaltet (geöffnet) werden, wenn der Strom ILr durch die Spule Lr Null ist, ILr=0.
- - die Freilaufdioden Da und Db sind vorhanden.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Anmeldung nicht auf die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt ist, vielmehr können die Schaltelemente bzw. die Spule in der zweiten Reihenschaltung 204 auch durch jeweils mehrere Spulen bzw. mehrere Schalter bzw. Schaltelemente realisiert sein. Gleiches gilt für die Ausgestaltung der Eingangskondensatoren C1 und C2 der ersten Reihenschaltung 202, die jeweils durch mehrere seriell oder parallel verschaltete Kondensatoren gebildet sein können.
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5(b) bis 5(d) zeigen weitere Ausführungsbeispiels eines ARCP-Entlastungsnetzwerks, wobei die im Zusammenhang mit der 5(a) erläuterten grundsätzlichen Prinzipien auf für diese Ausführungsbeispiele gelten.
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5(b) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines ARCP-Entlastungsnetzwerks, bei dem die in 5(a) gezeigten Resonanzkondensatoren Cr2 und Cr3 durch einen Kondensator Cr realisiert sind, der zwischen den ersten Anschluss 200a des Entlastungsnetzwerks 104 und den Knoten m des Spannungszwischenkreises 202 geschaltet ist. Der Kondensator Cr kann durch einen oder mehrere seriell oder parallel verschaltete Kondensatoren gebildet sein.
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5(c) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für ein ARCP-Entlastungsnetzwerk. Das Entlastungsnetzwerk gemäß 5(c) entspricht dem Entlastungsnetzwerk gemäß 5(a), das zusätzlich die Dioden Da und Db umfasst, die die Hilfsschalter Tr1 und Tr2 vor Überlast, z.B. Überspannungen, schützen und die zwischen den ersten Anschluss 200b und einen Knoten ② zwischen der Spule Lr und dem Hilfsschalter Tr2 bzw. zwischen den dritten Anschluss 200c und den Knoten ③ geschaltet sind.
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5(d) zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines ARCP-Entlastungsnetzwerks, welches auf dem Netzwerk gemäß 5(b) basiert, bei dem, ähnlich wie in 5(c), zusätzlich die Schutzdioden Da und Db vorgesehen sind.
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Das ARCP-Entlastungsnetzwerk, welches gemäß der vorliegenden Erfindung in einem ANPC-Wandler eingesetzt wird, wird sowohl für positive als auch für negative Ausgangsspannungen angesteuert, so dass sich der anhand der 6 dargestellte Stromverlauf für den Laststrom ILoad am Ausgangsanschluss A des Wandlers in 4 und für den Resonanzstrom ILr durch die Resonanzdrossel Lr des Entlastungsnetzwerks 104 einstellt. Wie zu erkennen ist, ergibt sich für den Resonanzstrom ILr ein Mittelwert von 0 A, wodurch ein dauerhaftes Auseinanderdriften der Spannungen der Kondensatoren C1 und C2 nicht auftritt. Die Kondensatoren C1 und C2 sind vorzugsweise so dimensioniert, dass die Spannungsschwankung über eine Periode einer Grundschwingung des Ausgangsstroms nicht zu groß wird Da die ARCP-Schaltung bzw. das ARCP-Entlastungsnetzwerk durch die Kondensatoren C1 und C2 gespeist wird, werden diese je nach dem Effektivwert des Resonanzstroms ausgelegt. Basierend auf der Spannungsschwankung ΔU und dem Spulenstrom ILr_rms werden die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 ermittelt. Je kleiner ΔU (@ILr_rms) ist, desto größer ist die Kapazität.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verbinden somit die Vorteile der ANPC-Wandler-Topologie und der ARCP-Wandler-Topologie, um eine Drei-Level-Topologie eines Wandlers zu schaffen, der minimale Schaltverluste aufweist, indem das Auseinanderdriften von Kondensatorspannungen vermieden wird. Erfindungsgemäß werden die Vorteile der Drei-Level-Topologien beibehalten, z.B. der hohe Wirkungsgrad, die geringen Filterinduktivitäten und der geringe Bauteilstress. Ferner wird erfindungsgemäß sichergestellt, dass die Anzahl von Hilfsschaltern klein gehalten wird, insbesondere wird deren Anzahl gegenüber der Anzahl bei bekannten Ansätzen reduziert. Ferner wird erfindungsgemäß das Problem der auseinanderdriftenden Kondensatorspannungen vermieden, so dass keine zusätzlichen Symmetriermaßnahmen, die mit einem weiteren, aufwändigen Schaltungseinsatz einhergehen, erforderlich sind.
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Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele von ein- und mehrphasigen Drei-Level-Wandlern näher beschrieben. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einphasigen ANPC-Wandlers 300, der ein ARCP-Entlastungsnetzwerk gemäß 5(a) aufweist. Bei dem in 7 dargestellten ANPC-Wandler sind die anhand der 4 erläuterten Schaltelemente T1 und T4 bis T6 durch IGBTs realisiert, zu denen jeweils die Freilaufdiode D1 und D4 bis Dr, antiparallel geschaltet sind. Die Dioden D1 und D4 bis Dr, sind derart verschaltet, dass deren Anode mit dem Emitter-Anschluss des zugeordneten IGBTs T1, T4, T6 bzw. T6 verbunden ist, und dass deren Katode mit dem Kollektor-Anschluss des zugeordneten IGBTs T1, T4, T5 bzw. T6 verbunden ist. Die Schaltelemente T2 und T3 sind durch MOSFETs realisiert, zu denen die Freilaufdioden D2 und D3 parallel geschaltet sind. Die Dioden D2 und D3 sind derart verschaltet, dass die deren Anode mit dem Source-Anschluss des zugeordneten MOSFETs T2 bzw. T3 verbunden ist, und dass deren Katode mit dem Drain-Anschluss des zugeordneten MOSFETs T2 bzw. T3 verbunden ist.
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Die Hilfsschalter Tr1 und Tr2 des ARCP-Entlastungsnetzwerks 104 sind durch MOSFETs mit antiparallel geschalteten Freilaufdioden Dr1 und Dr2 realisiert. Die Diode Dr1 ist derart verschaltet, dass deren Kathode mit dem Drain-Anschluss des MOSFET Tr1 verbunden ist, und dass deren Anode mit dem Source-Anschluss des MOSFET Tr1 verbunden ist. Die Diode Dr2 ist derart verschaltet, dass die Anode der Diode Dr2 mit dem Source-Anschluss des MOSFET Tr2 verbunden ist, und dass deren Katode mit dem Drain-Anschluss des MOSFET Tr2 verbunden ist.
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Bei der Realisierung der Hilfsschalter Tr1 und Tr2 durch MOSFETs können die Dioden Dr1 und Dr2 die intrinsischen Dioden der Hilfsschalter sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Hilfsschalter Tr1 und Tr2 durch IGBTs realisiert werden und die Dioden Dr1 und Dr2 sind dann als separate Elemente ausgeführt. Die Resonanzkondensatoren Cr2 und Cr3 des ARCP-Entlastungsnetzwerks sind in Parallelschaltung zu den Schaltelementen T2 und T3 dargestellt und sind gemäß Ausführungsbeispielen durch entsprechende Kondensatorbauelemente oder gemäß anderen Ausführungsbeispielen durch die den Schaltelementen T2 und T3 eigene Kapazität, die intrinsische Kapazität, gebildet. Der in 7 dargestellte ANPC-Wandler ist einphasig ausgestaltet, jedoch kann der erfindungsgemäße Ansatz, wie bereits erwähnt, auch auf mehrphasige Wandler angewendet werden, also auf zwei-, drei-, vier-, ... n-phasige Wandler, mit n > 1 und n ∈ ℤ.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dreiphasigen ANPC-Wandlers, der drei Wandlerstufen 300a, 300b und 300c aufweist, die seriell mit den Gleichspannungsanschlüssen DC+ und DC- verbunden sind. An den jeweiligen Ausgängen A der Stufen 300a bis 300b werden die Wechselspannungen mit den Phasen a, b und c bereitgestellt. Die jeweiligen Stufen 300a bis 300c sind aufgebaut wie die Stufe 300 in 7.
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Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf dreiphasige Wandlertopologien beschränkt, vielmehr kann auch eine zweiphasige Wandlertopologie realisiert werden oder eine Wandlertopologie mit mehr als drei Phasen.
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9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einphasigen ANPC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des in 9 dargestellten ANPC-Wandlers 400 entspricht dem Aufbau des Wandlers 300 aus 7, außer dass das ARCP-Entlastungsnetzwerk 104 gemäß 5(c) realisiert ist, also zusätzlich die Entlastungsdioden Da und Db aufweist.
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10 zeigt ein Beispiel für einen dreistufigen ANPC-Wandler, der die Phasen a, b, c einer Wechselspannung ausgibt, und drei in Reihe verschaltete Stufen 400a, 400b, 400c aufweist, die mit den Gleichspannungsanschlüssen DC+ und DC- verbunden sind, wobei die einzelnen Stufen 400a bis 400c aufgebaut sind wie die anhand der 9 beschriebene Stufe 400.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die nicht dargestellt sind, können die Wandlerstufen in den 7 bis 10 auch unter Verwendung der ARCP-Entlastungsnetzwerke gemäß 5(b) oder 5(d) realisiert werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des ARCP-Entlastungsnetzwerks 104 gemäß 5(a) und 5(c) umfassen die zumindest zwei Resonanzkondensatoren Cr2 und Cr3, die entweder durch ein oder mehrere Kondensatorbauelemente realisiert sein können, oder die ganz oder teilweise durch eine Kapazität der Schaltelemente T2 und T3 realisiert sind.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des Entlastungsnetzwerks 104 enthält die zweite Reihenschaltung zwischen dem Ausgangsanschluss A und dem Knoten m die gegeneinander entgegengesetzt verschalteten Hilfsschalter Tr1 und Tr2. Die vorliegende Anmeldung ist aber nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt, vielmehr kann gemäß anderen Ausführungsbeispielen anstelle der Verwendung mehrerer Hilfsschalter, die auch als Entlastungsnetzwerk-Schalter bezeichnet werden und die ein in beide Stromrichtungen sperrbares Schaltelement bilden, auch ein einzelnes Schaltelement, welches in beide Richtungen sperren kann, verwendet werden, beispielsweise ein bidirektionaler Schalter.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Schaltelemente T1 und T4 bis T6 von einem ersten Typ, beispielsweise in Form eines IGBT, und die Schaltelemente T2, T3 sowie Tr1 und Tr2 von einem zweiten Typ, beispielsweise in Form eines MOSFET. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können alle Schaltelemente vom gleichen Typ sein.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Details für Fachleute offensichtlich sind. Die Erfindung wird daher nur durch den Umfang der nachstehenden Patentansprüche begrenzt, nicht aber durch die spezifischen Details der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
