DE102022128819A1 - Wandlerschaltung, Gleichspannungswandler, Stromversorgungseinrichtung sowie Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises - Google Patents

Wandlerschaltung, Gleichspannungswandler, Stromversorgungseinrichtung sowie Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises und dafür eine Wandlerschaltung (360), insbesondere Sperrwandlerschaltung, zum Vorladen eines Zwischenkreises (200), insbesondere für einen Gleichspannungswandler (362) zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises (ZK), wobei die Wandlerschaltung (360) einen Wandler hat, insbesondere Sperrwandler (316) hat, und der Wandler aufweist:- einen Transformator, insbesondere Speichertransformator (T)- einen zur gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite (TP1) des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein (510), der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist,- eine auf einer Sekundärseite (TP2) des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode (D2).Erfindungsgemäß ist die Wandlerschaltung (360) gekennzeichnet durch- eine auf der Primärseite (TP1) des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode (D1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung, insbesondere eine Sperrwandlerschaltung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Gleichspannungswandler mit der Wandlerschaltung, und eine Stromversorgungseinrichtung und ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises.
  • Eine vorgenannte Wandlerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Sperrwandlerschaltung, hat einen Wandler, der vor allem aufweist: einen Transformator, insbesondere sogenannten Speichertransformator, einen zur gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein, der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist, und eine auf einer Sekundärseite des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode.
  • Ein Gleichspannungswandler für eine Gleichspannungsverbindung, insbesondere Hochsetzsteller, insbesondere zur Vorladung eines Zwischenkreises ist mit einer Wandlerschaltung der genannten Art versehen. Ein Gleichstromsteller oder dergleichen eingangs genannte Gleichspannungswandler mit einer entsprechenden Wandlerschaltung, insbesondere Sperrwandlerschaltung, insbesondere ein Gleichstrom-Hochsetzsteller, soll insbesondere zur Vorladung eines Gleichspannungszwischenkreises dienen über eine Gleichspannungsverbindung.
  • Dazu kann eine geeignete Schaltnetzeinrichtung mit einem Schaltnetzgerät bzw. eine Leistungsschaltungsanordnung den Gleichspannungswandler aufweisen. Die Erfindung betrifft auch eine Stromversorgungseinrichtung und die Verwendung einer Stromversorgungseinrichtung bei einem Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises.
  • Es ist grundsätzlich bekannt, insbesondere für eine eingangs genannte Stromversorgungseinrichtung, eine Schaltnetzeinrichtung mit einem Schaltnetz-Gerät oder -Teil und mit einem Gleichstromsteller oder einem dergleichen eingangs genannten Gleichspannungswandler zu nutzen, der in einer Gleichspannungsverbindung stromführend eine Wandlerschaltung mit einem Wandler einbindet. Bevorzugt kann dies eine Sperrwandlerschaltung mit einem Sperrwandler sein, d.h. unter Verwendung eines geeignet verschalteten sogenannten Sperrwandlers. Ein Wandler, kann in einer bestimmten Form auch als ein Hoch- und/oder Tiefsetzstellers, (engl.: flyback converter) realisiert sein - also für eine Betriebsart eines Gleichspannungswandlers verstanden werden. Im Folgenden wird allgemein auf eine Wandlerschaltung mit einem Wandler eines bestimmten Schaltnetzteiltyps Bezug genommen, insbesondere in einem „Gleichspannungswandler“.
  • Schaltnetzeinrichtungen mit einem Schaltnetzteil gehören zur Gruppe der Stromrichter und nutzen sogenannte Frequenzumrichter, also einen Stromrichter, der aus der speisenden Wechselspannung eine andere Wechselspannung erzeugt. Der Wechselrichter arbeitet mit leistungselektronischen Schaltern (gesteuerten Brücken). Das können unter anderem Leistungstransistoren sein, wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldtransistoren (MOSFET), Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) oder IGC-Thyristoren (IGCT); diese können durch Pulsweitenmodulation (PWM) eine veränderliche Spannung erzeugen. Die Höhe der resultierenden Ausgangsspannung und auch deren Frequenz können in weiten Grenzen geregelt werden. Neben der Pulsweitenmodulation gibt es auch Sinusfrequenzumrichter mit selbst oszillierender variabler Taktfrequenz, diese erzeugen am Ausgang eine rein sinusförmige Spannung.
  • Im Unterschied zu konventionellen Trafonetzteilen mit jeweils großem Netztransformator erfolgt die Wandlung beim Schaltnetzteil mit einer höheren Frequenz, da Transformatoren bei hohen Frequenzen für die gleiche Leistung weniger Magnetkernvolumen benötigen. Dafür wird die Wechselspannung meist gleichgerichtet, gesiebt, durch einen elektronischen Schalter (daher der Name Schaltnetzteil) in eine höherfrequente Spannung zerhackt und nach der Transformation im hochfrequenten Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung erneut gleichgerichtet für den Zwischenkreis, insbesondere Gleichspannungszwischenkreis.
  • Eine Übersicht über Aufbau und Wirkungsweise und Dimensionierung von Schaltnetzteiltypen ist unter http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/smps.html gegeben.
  • Dabei zeichnet sich ein dort in seinem Aufbau und Funktion unter http://schmidt-walterschaltnetzteile.de/smps/spw_hilfe.html beschriebener Sperrwandler durch geringen Bauteilaufwand aus. Ein Sperrwandler hat gegenüber fast allen anderen Schaltnetzteiltypen den Vorteil, dass man mehrere, galvanisch getrennte und geregelte Ausgangsspannungen verwirklichen kann.
  • Die Wirkungsweise und der grundsätzliche Aufbau eines Sperrwandlers ist beispielsweise auch beschrieben in: https://de.wikipedia.org/wiki/Sperrwandler. Ein Sperrwandler gehört zu den primär getakteten Wandlern, d.h. er besitzt eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Sperrwandler können mit Vorteil mehrere, voneinander galvanisch getrennte, geregelte Ausgangsspannungen haben. Sperrwandler werden heute in vielen netzbetriebenen Elektronikgeräten kleiner bis mittlerer Leistung (wenige Watt bis ca. 500W) eingesetzt.
  • Ein Sperrwandler dient demnach allgemein zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsseite galvanisch getrennter Gleichspannungen. Ein Sperrwandler kann im Rahmen eines Gleichspannungswandlers realisiert sein. Sperrwandler finden sich allgemein bereits in primärgetakteten Schaltnetzteilen kleiner Leistung (kleiner als 250 W), auch als separate Standby-Versorgung in größeren Netzteile und PC-Netzteilen, und in Spannungswandlern in elektronischen Geräten usw.
  • Eine eingangs genannte Wandlerschaltung ist im Rahmen einer entsprechenden Vorrichtung zum Aufladen mindestens eines Zwischenkreis-Kondensators in WO 2010/094547 A1 grundsätzlich beschrieben.. Darin ist zudem ein Verfahren zum Aufladen mindestens eines Zwischenkreis-Kondensators beschrieben, der in einem zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Stromnetz zwischengeschalteten Zwischenkreis angeordnet ist. Der Zwischenkreis-Kondensator ist elektrisch parallel zur Gleichspannungsquelle geschaltet.
  • Es ist vorgesehen, dass der Zwischenkreis über mindestens ein induktives Bauelement elektrisch an ein weiteres Stromnetz gekoppelt ist, das in dem induktiven Bauelement mindestens einmal ein temporäres Magnetfeld aufbaut, wobei durch eine beim anschließenden Abbau dieses Magnetfeldes im induktiven Bauelement eines Transformators induzierte Spannung der Zwischenkreis-Kondensator aufgeladen wird. Dazu ist erläutert, dass beim Öffnen eines Schalters die in der Induktivität des Transformators gespeicherte Energie auf eine Sekundärseite des Transformators übertragen wird; hier ist mit der Sekundärseite die Seite des Zwischenkreises gemeint.
  • Das induktive Bauelement und mindestens eine Diode in Serienschaltung sind in einem parallel zu dem Zwischenkreis-Kondensator verschalteten Strompfad angeordnet. Der Zwischenkreis-Kondensator wird so über die in dieser Stromrichtung nicht sperrende Sekundärseiten-Diode aufgeladen. Die Spannung über der Sekundärwicklung des Transformators ist dabei äquivalent zur Spannung über dem Zwischenkreis-Kondensator plus einer Dioden-Spannung der Sekundärseiten-Diode.
  • Eine der Spannung über der Sekundärwicklung proportionale Spannung liegt dann auch über der Primärwicklung des Transformators an. Diese kann direkt gemessen werden. Die Spannung über der Primärwicklung des Transformators kurz nach Öffnen (Abschalten) des Schalters ist somit im Wesentlichen proportional (gegebenenfalls übersetzt durch das Windungsverhältnis des Transformators) zur Spannung über dem Zwischenkreiskondensator. Die Spannung am Zwischenkreis-Kondensator kann durch Messung der Spannung über der Primärwicklung des Transformators bestimmt werden. Das Messergebnis wird potentialgetrennt vom Potential der Gleichspannungsquelle und des Stromnetzes- auf der Seite des weiteren Stromnetzes einer Recheneinrichtung, insbesondere einem Mikrocontroller, zur Verfügung gestellt.
  • Ein Transformator wird in dem Zusammenhang eines Sperrwandlers auch als Speichertransformator bezeichnet und unterscheidet sich insofern von einem „normalen“ Transformator; darauf wird im folgenden Bezug genommen. Magnetisch gekoppelte Spulen, wie sie bei einem Sperrwandler eingesetzt werden, ähneln Transformatoren. Speichertransformatoren unterscheiden sich jedoch wesentlich von normalen Transformatoren, da die gesamte übertragene Energie zwischen den einzelnen Zuständen im Magnetfeld zwischengespeichert wird. Bei gewöhnlichen Transformatoren wird wegen der gleichzeitigen Leistungsaufnahme und -abgabe nur wenig magnetische Energie im Kern gespeichert. Der Magnetkern weist bei herkömmlichen Transformatoren keinen Luftspalt auf, wohingegen die Kerne eines Speichertransformators bei Sperrwandlern immer einen Luftspalt wie bei Spulen aufweisen, in dem ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldenergie durch die dort auftretende hohe magnetische Spannung gespeichert wird.
  • Bei einer Wandlerschaltung mit einem Wandler, insbesondere bei einer Sperrwandlerschaltung mit einem Sperrwandler, kann der Wandler aus Effizienzgründen bevorzugt im stromlückenden Bereich betrieben werden; d.h. der Strom im Schalter geht in einem Schaltzyklus einmal praktisch auf null zurück. Ein stromlückender (oder einfach „lückender“) Betrieb wird auch als diskontinuierlicher Betrieb bezeichnet. Ein stromlückender Betrieb ist aber nur bevorzugt möglich, wenn der Speichertransformator sekundärseitig -vorliegend auf der abnehmerseitigen Seite-- eine geringe Hauptinduktivität besitzt. Dies wird sekundärseitig über eine geringe Anzahl an Windungen des Speichertransformators realisiert; dies ist beispielsweise in WO 2010/094547 A1 der Fall. Eine geringe Anzahl von sekundärseitigen Windungen limitiert jedoch die maximale Ausgangsspannung auf der netzseitigen Seite des Wechselstromnetzes.
  • Im Folgenden wird die versorgungsseitige Seite des Transformators, insbesondere Speichertransformators, als Primärseite und die abnehmerseitige Seite des Transformators, insbesondere Speichertransformators, als Sekundärseite bezeichnet.
  • Problematisch ist neben den oben genannten Aspekten, dass --wenn ein ungeladener Frequenzumrichter mit einer Batterie zu verbinden ist-- die Batteriespannung und die Spannung am Frequenzumrichter angeglichen werden sollten. Hintergrund ist, dass bei den üblicherweise vergleichsweise geringen Batteriewiderständen und den daran anliegenden an sich vergleichsweise hohen Absolut-Spannungswerten selbst kleine Spannungsunterschiede zu recht hohen Strömen führen können. Hohe Ströme können aber nicht nur zu einem instantanen Schaden führen. Vielmehr sind unerwünschte Ströme an sich möglichst gering zu halten, da deren Höhe zur Alterung vieler elektrischer Verbindungen und Bauteile wie der Batterien an sich, aber auch den Schaltern und Sicherungen, beiträgt.
  • Derzeit kommen zur Spannungsangleichung vor allem zum Starten --und insbesondere beim Schwarzstarten eines Gleichstrom-Systems mit einer kritischen Gleichstrom-Lasteinheit-Vorladewiderstände für einen Zwischenkreis zum Einsatz. Vorladewiderstände werden vor allem zwischen Gleichstromspannungsversorgung und einer Gleichstrom-Lasteinheit wie einem Batteriesystem bzw. zwischen dem Zwischenkreis und der Gleichstrom-Lasteinheit angebracht, die nach Abschluss des Startvorgangs oder eines anderen kritischen Vorgangs überbrückt werden. Dies benötigt wertvollen Platz im Batteriespeichersystem bzw. in einer Stromversorgungseinrichtung. Bei einem auch als Schwarzstart bezeichneten Neustart des Systems, also vor allem bei einem praktisch ungeladenen Zwischenkreis, sind aber auch diese Maßnahmen nur bedingt hilfreich und damit noch verbesserungswürdig.
  • Die vorgenannte an sich bekannte Lösung erfordert auch einen vergleichsweise hohen Verkabelungsaufwand auf der Gleichstromseite der Stromversorgungseinrichtung; außerdem ist für einen Schwarzstart bestimmter Batterien eine separate Vorladebatterie erforderlich. All dies hat einen Raumbedarf zur Folge, der in einem kompakten System einer Stromversorgungseinrichtung eingespart werden könnte.
  • Von dieser Art einer bevorzugten Anwendung einer Stromversorgungseinrichtung mit einem Gleichspannungswandler geht die Erfindung aus; wünschenswert ist es insbesondere, einen vergleichsweise kritischen Vorgang, insbesondere für einen Startvorgang einer Gleichstromlasteinheit --wie ein Batteriespeichersystem mit einer Anzahl von Batteriepaketenim Rahmen der Erfindung einen verbesserten Betrieb zu ermöglichen, und dennoch Schalt- und Verkabelungsaufwand gering zu halten. Insbesondere sollen zusätzliche nur für vorgenannte Situationen zum Vorladen eines Zwischenkreises vorgesehene Ladespeicher vermieden werden und dennoch sollten unnötig hohe unerwünschte Start-Ströme vermieden werden.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, in einem ersten Aspekt eine verbesserte Schaltungsanordnung für eine Wandlerschaltung mit einem Wandler, insbesondere für und eine Sperrwandlerschaltung mit einem Sperrwandler, zum Vorladen eines Zwischenkreises anzugeben. Insbesondere soll eine verbesserte Wandlerschaltung mit einem Wandler, insbesondere Sperrwandlerschaltung mit einem Sperrwandler angegeben werden im Rahmen eines Gleichspannungswandlers.
  • In einem zweiten Aspekt soll eine damit gebildete verbesserte Netzanbindung wie eine Schaltnetzeinrichtung und Leistungsschaltungsanordnung oder dergleichen Stromversorgungseinrichtung angegeben werden. Aufgabe betreffend den zweiten Aspekt ist es auch, ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises mit der Wandlerschaltung, insbesondere der Sperrwandlerschaltung, anzugeben. Die Stromversorgungseinrichtung, insbesondere eine Verwendung derselben, soll zum Vorladen eines Zwischenkreises verbessert sein, insbesondere zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises verbessert sein, insbesondere für einen Start, vorzugsweise für einen Schwarzstart, einer Gleichstrom-Lasteinheit, insbesondere eines Batteriespeichersystems.
  • Insbesondere sollten die eingangs genannten Probleme wenigstens teilweise adressiert oder gemindert werden. Insbesondere sollte eine bevorzugte Wandlerschaltung oder ein bevorzugter Gleichspannungswandler in einem bevorzugten Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreises Verwendung finden, das es erlaubt, einen vergleichsweise verbesserten kritischen Vorgang, insbesondere Startvorgang, mit einer Gleichstrom-Lasteinheit bei verringertem baulichen Bedarf für eine Gleichstrom-Lasteinheit, insbesondere ein Batteriespeichersystem, möglich zu machen.
  • Die Aufgabe betreffend die Schaltungsanordnung wird gelöst in einem ersten Aspekt durch eine Wandlerschaltung, insbesondere Sperrwandlerschaltung, gemäß dem Anspruch 1.
  • Die Wandlerschaltung, insbesondere Sperrwandlerschaltung, ist ausgebildet zum Vorladen eines Zwischenkreises, insbesondere für einen Gleichspannungswandler zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises, wobei die Wandlerschaltung einen Wandler hat, insbesondere die Sperrwandlerschaltung einen Sperrwandler hat.
  • Die Erfindung geht demnach zunächst allgemein aus von einer Wandlerschaltung zum Vorladen eines Zwischenkreises, insbesondere für einen Gleichspannungswandler zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises, wobei die-Wandlerschaltung einen Wandler hat.
  • Der Wandler weist auf:
    • - einen Transformator, insbesondere Speichertransformator
    • - einen zur gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein, der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist,
    • - eine auf einer Sekundärseite des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode.
  • Erfindungsgemäß ist bei einer solchen Wandlerschaltung der Wandler gekennzeichnet durch eine auf der Primärseite des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode.
  • Die Aufgabe betreffend die Schaltungsanordnung führt in einer Weiterbildung zum ersten Aspekt auch auf einen Gleichspannungswandler des Anspruchs 13.
  • Der Gleichspannungswandler ist ausgebildet für eine Gleichspannungsverbindung, insbesondere in Form eines Hochsetzstellers, insbesondere zur Vorladung eines Zwischenkreises. Der Gleichspannungswandler hat eine Wandlerschaltung gemäß dem Konzept der Erfindung.
  • Der Gleichspannungswandler ist des Weiteren erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
    • - einen ersten Gleichspannungsanschluss, mit dem der Transformator mit dem versorgungsseitigen Primäranschluss über die Primärseiten-Diode an eine Gleichstromversorgungseinheit oder einen Versorgungskondensator (+C1) anschließbar ist, und
    • - einen zweiten Gleichspannungsanschluss, mit dem der Transformator mit dem abnehmerseitigen Sekundäranschluss über die Sekundärseiten-Diode an einen Zwischenkreis oder einen Vorladekondensator anschließbar ist.
  • Die Erfindung und deren Weiterbildungen fügen --kurz gesagt-- in vorteilhafter Weise dem Wandler die Primärseiten-Diode hinzu; anders ausgedrückt, wird die hier so bezeichnete Primärseiten-Diode auf der Seite eines versorgungsseitigen Primäranschlusses zum Transformator hinzugefügt; dies kann eine direkte Verschaltung, insbesondere Reihen-Verschaltung, an einem versorgungsseitigen Transformatoranschluss umfassen oder eine Verschaltung, insbesondere Reihen-Verschaltung, an einer gesteuerten Seite eines versorgungsseitigen Transformatoranschlusses umfassen, d.h. an dem am Transformator steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein.
  • Die im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehene Primärseiten-Diode führt zur Verbesserung des Betriebs des Wandlers. Ein Stromrückfluss von der Sekundärseite zur Primärseite des Speichertransformators in der oben genannten Sperrphase des Transistors wird durch die beim Wandler vorgesehene erfindungsgemäße Primärseiten-Diode vermieden, die in der oben genannten Sperrphase des Transistors in Sperrrichtung betrieben wird. Die Primärseiten-Diode bewirkt insofern, dass der Transistor gezwungen wird, sich auf der Sekundär-Seite zu entmagnetisieren. Anders ausgedrückt, wird eine ggfs. vom Transformator versorgungsseitig aufgebaute zu hohe (negative) Spannung (bei einem Stromrückfluss) durch die Primärseiten-Diode gesperrt; eine Spannungsversorgung wird so vor einer Überspannung geschützt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere betreffend die Wandlerschaltung und den Gleichspannungswandler oder dergleichen Leistungsschaltungsanordnung, sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
  • Die Erfindung geht besonders bevorzugt --d.h. im Vergleich zu einer Wandlerschaltung, konkreter und mit den genannten Vorteilen-- von einer Sperrwandlerschaltung aus, zum Vorladen eines Zwischenkreises, insbesondere für einen Gleichspannungswandler zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises, wobei die Sperrwandlerschaltung einen Sperrwandler hat. Der Sperrwandler weist auf:
    • - einen Transformator, insbesondere Speichertransformator
    • - einen zur gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein, der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist,
    • - eine auf einer Sekundärseite des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode.
  • Erfindungsgemäß ist bei einer solchen Sperrwandlerschaltung, der Sperrwandler gekennzeichnet durch eine auf der Primärseite des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode.
  • Die Vorteile der Erfindung und der Weiterbildungen derselben werden -auch generell für eine Wandlerschaltung mit einem Wandler-- zudem erkennbar anhand einer Funktionsweise eines Sperrwandlers, die an einem beispielhaften Sperrwandler in nicht einschränkender Weise nachfolgend erläutert sei.
  • Der Transistor oder dergleichen elektronischer Schaltbaustein des Sperrwandlers arbeitet als Schalter, der mittels einer regelmäßig pulsweitenmodulierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird. Während einer Leitendphase des Transistors ist die Primärspannung auf dessen Primärseite gleich der Eingangsspannung zum Sperrwandler und der Strom in der Primärwicklung des Transformators steigt linear an. Während dieser Phase wird also Energie in diesen auch so genannten „Speichertransformator“ geladen; der Transformator ist insofern kein „normaler“ Transformator. Vielmehr hat der Speichertransformator die Aufgabe, Energie während der Leitendphase des Transistors zu speichern und diese während der Sperrphase an die Sekundärseite abzugeben. Der Transformator bei einem Sperrwandler ist demnach eine Art Speicherdrossel mit Primär- und Sekundärwicklung. Er hat deswegen einen Luftspalt. Transformatoren für Sperrwandler heißen daher auch „Speichertransformator“; dieser Begriff wird nachfolgend insbesondere bei den Ausführungsbeispielen benutzt für den Transformator eines Sperrwandlers gemäß dem Konzept der Erfindung.
  • Die Sekundärwicklung des Speichertransformators ist in dieser Leitendphase stromlos, weil die Diode (die Sekundärseiten-Diode) auf der Sekundärseite des Speichertransformators sperrt. Wird der Speichertransformator nun gesperrt, so wird der genannte Strom in der Primärwicklung unterbrochen und die Spannungen am Speichertransformator polen sich wegen des Induktionsgesetzes um. Die Diode auf der Sekundärseite (die Sekundärseiten-Diode) wird nun leitend und die Sekundärwicklung gibt die Energie an den Ausgangskondensator auf der Sekundärseite weiter. Damit die mit dem Primärstrom eingespeicherte Energie beim Ausschalten des Transistors der Primärseite sekundärseitig wieder abgegeben werden kann, sollten beide Wicklungen, d.h. die Wicklungen der Primär- und Sekundärseite des Transformators des Sperrwandlers gut magnetisch gekoppelt sein.
  • Während der Leitendphase des Transistors kann beispielsweise eine entsprechende Drain-Source-Spannung des Transistors oder eines dergleichen elektronischen Schaltbausteins gleich Null sein. Während der Sperrphase des Transistors kann diese einen auslegungsbedingten Wert annehmen. Während der Sperrphase wird aber die Ausgangsspannung auf die Primärseite rücktransformiert, sodass dann die Drain-Source-Spannung des Transistors theoretisch einen ggfs. mit dem Windungsverhältnis der Wicklungen des Transformators übersetzten Wert annimmt.
  • Beim Betrieb am 230V/50Hz-Netz können so bei üblicher Dimensionierung des Sperrwandlers am Transistor ca. 700V entstehen. In der Praxis kann diese Spannung sogar noch höher liegen, weil eine Induktionsspannung infolge der Transformatorstreuinduktivitäten dazukommen kann. Ein Transistor in Sperrwandlern für das 230V-Netz sollte daher in diesem Beispiel mindestens eine Sperrspannung von 800V haben.
  • Die Erfindung und deren Weiterbildungen nehmen einen erhöhten Regelungsbedarf in Kauf. Gleichwohl wird ein Stromrückfluss von der Sekundärseite zur Primärseite des Speichertransformators durch die beim Sperrwandler vorgesehene erfindungsgemäße Primärseiten-Diode weitgehend vermieden oder klein gehalten, sodass diese in der oben genannten Sperrphase des Transistors in Sperrrichtung betrieben wird.
  • Unter einem Zwischenkreis ist vorliegend grundsätzlich jede Art einer elektrischen Einrichtung zu verstehen, die als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom- oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch koppelt.
  • Der Zwischenkreis ist vorliegend insbesondere ein Gleichspannungszwischenkreis. Der Gleichspannungszwischenkreis weist vorteilhaft eine Kapazität auf, insbesondere gebildet über einen oder mehrere Kondensatoren, vorzugsweise mit einem Widerstand, oder die Kapazität wird durch den einen oder mehrere Kondensatoren, vorzugsweise mit einem Widerstand, gebildet. Mittels dem Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere mittels einem solchen Zwischenkreiskondensator wird bevorzugt eine konstante Spannung bei variablem Strom realisiert. Ein Gleichspannungszwischenkreis findet insbesondere eine Anwendung bei den meisten Industrieumrichtern (Frequenzumrichtern) für kleine und mittlere Leistungen.
  • Der Zwischenkreis, insbesondere ein dem Zwischenkreis zugeordneter Vorladekondensator, wird mittels des modifizierten Sperrwandlers quasi nach Art einer „Ladungspumpe häppchen- oder schrittweise“ durch besonders hoch getaktetes Schalten des Speichertransistors mit der genannten getakteten Schaltung des Speichertransformators mit der erhöhten Arbeitsfrequenz vor(auf)geladen.
  • Die Sperrwandlerschaltung, insbesondere für einen Gleichspannungswandler, weist den vorgenannten erfindungsgemäßen Sperrwandler auf und besonders vorteilhaft ist darüber hinaus der elektronische Schaltbaustein Teil einer elektronischen Schalteinrichtung, die einen Steuerlogikbaustein zur Steuerung des elektronischen Schaltbausteins und eine daran angeschlossene A/D-Wandlereinrichtung aufweist.
  • Der elektronische Schaltbaustein ist bevorzugt ein Leistungstransistor, insbesondere ein mit einem MOS-FET-Baustein gebildeter Leistungstransistor.
  • Vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein Windungsverhältnis N2/N1 der Windungszahl N2 der Windungen der Wicklung an der Sekundärseite TP2 des Transformators zur Windungszahl N1 der Windungen der Wicklung an der Primärseite TP1 des Transformators bei höchstens 25, insbesondere zwischen 1 und 10, insbesondere zwischen 2 und 5 liegt. Dies vermeidet zu hohe Spannungen auf der Sekundärseite, selbst wenn auf der Primärseite ungewollte Spannungen hoher Beträge auftreten sollten (z.B. unter -24V).
  • Die Weiterbildung geht aus von der Überlegung, dass es bei einer gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite des Transformators mit einem steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein, der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist, zwar ein großes Windungsverhältnis N2/N1 der Windungszahl der Windungen an der Sekundärseite zur Windungszahl der Windungen an der Primärseite des Speichertransformators an sich zu einer hohen Stromverstärkung führen kann. Die Weiterbildung folgt aber weiter der Überlegung, dass bei einem übermäßig großem Windungsverhältnis N2/N1 des Speichertransformators die Stromverstärkung vergleichsweise hoch und damit eine Überladung der Sekundärseite des Schalttransformators zumindest nicht ausgeschlossen ist. Zumindest ist dann ein erhöhter Regelaufwand erforderlich, um den Schalttransformator noch im grundsätzlich vorteilhaften, weil einfacheren, lückenden Betrieb betreiben zu können.
  • Bevorzugt ist eine Arbeitsfrequenz durchaus im Bereich von 50.000 bis zu 300.000 Vorgängen pro Sekunde. Die Erfindung und deren Weiterbildungen gehen damit eher von einem Speichertransformator aus, bei dem das Windungsverhältnis N2/N1 der Windungszahlen der Windungen von Sekundär- zu Primärseite insofern eher kleiner gewählt wird. Die Weiterbildung hat nun erkannt, dass es vorteilhaft ist, zugunsten einer erhöhten Arbeitsfrequenz - also einem getakteten Schalten des elektronischen Schaltbaustein mit einer Arbeitsfrequenz durchaus im Bereich von bis zu 100.000 oder 200.000 Vorgängen pro Sekunde-- das Windungsverhältnis des Speichertransformators, d.h. ein Windungsverhältnis N2/N1 der Windungszahl der Windungen an der Sekundärseite zur Windungszahl der Windungen einer Wicklung an der Primärseite des Speichertransformators eher moderat gehalten werden kann. Bevorzugt ist ein Windungsverhältnis N2/N1 von maximal 10, bevorzugt im Bereich zwischen 1 bis 10, bevorzugt zwischen 2 und 6, insbesondere um 5. D.h. beispielsweise kann die Windungszahl N2 der Windungen an der Sekundärseite bei N2 = 10 liegen und die Windungszahl N1 der Windungen an der Primärseite bei N1 = 1 oder N1=2 liegen.
  • Die im Rahmen der Sperrwandlerschaltung vorgesehene gesteuerte Bestromung des Transformators mit einem auf einer Primärseite des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein stellt mit einer daran angeschlossenen Anzahl von Messelementen sicher, dass eine Vor(auf)ladung bzw. Ladung auf die geforderte Zwischenkreisspannung in geregelter Weise erfolgt. Ein Messelement am elektronischen Schaltbaustein kann insbesondere als eine daran angeschlossene A/D-Wandlereinrichtung gebildet sein, insbesondere ausgelegt mit A/D-Wandlern als Messwandler an den Gleichstromanschlüssen und dem Steuerlogikbaustein.
  • Bevorzugt ist die Sekundärseiten-Diode an einem Gleichstromanschluss zum Transformator elektrisch angeschlossen, insbesondere elektrisch verschaltet. Die Sekundärseiten-Diode kann vorteilhaft in einer stromführenden Verbindung zwischen Transformator und Zwischenkreis elektrisch verschaltet, insbesondere in Reihe mit einem Transformatoranschluss verschaltet sein.
  • Bevorzugt ist die Primärseiten-Diode an einem Gleichstromanschluss zum Transformator elektrisch angeschlossen, insbesondere elektrisch verschaltet. Die Primärseiten-Diode kann vorteilhaft in einer stromführenden Verbindung zwischen Transformator und einer Gleichstromversorgungseinheit, insbesondere in Reihe mit einem Transformatoranschluss, elektrisch verschaltet sein.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Primärseiten-Diode auch vorteilhaft in einer stromführenden Verbindung zwischen einem auf einer Primärseite des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein und einer Gleichstromversorgungseinheit, insbesondere in Reihe mit einem Transformatoranschluss, elektrisch verschaltet sein.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die auf der Sekundärseite des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode mit ihrer Anodenseite am Transformator und/oder mit ihrer Kathodenseite an einem Gleichspannungsanschluss des Zwischenkreises und/oder Vorladekondensators als Ausgangskondensator angeschlossen, insbesondere elektrisch verschaltet.
  • Die nachfolgend erläuterte erste und zweite Variante einer besonders bevorzugten Weiterbildung können allein oder in Kombination mit der vorgenannten Weiterbildung realisiert sein.
  • Zur Umsetzung des Konzepts der Erfindung ist dazu zusätzlich oder alternativ in einer ersten Variante einer besonders bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die auf der Primärseite des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode mit ihrer Kathodenseite am Transformator und mit ihrer Anodenseite an einem positiven Gleichspannungsanschluss der Gleichstromversorgungseinheit und/oder Versorgungskondensators als Eingangskondensator angeschlossen ist, insbesondere so dass diese Diodenseiten in Reihe zwischen dem Transformatoranschluss und dem positiven Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen sind.
  • Zur Umsetzung des Konzepts der Erfindung ist zusätzlich oder alternativ in einer zweiten Variante einer besonders bevorzugten Weiterbildung die auf der Primärseite des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode mit ihrer Anodenseite am Transformator bzw. an dem am Transformator steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein und mit ihrer Kathodenseite an einem negativen Gleichspannungsanschluss der Gleichstromversorgungseinheit und/oder Versorgungskondensators als Eingangskondensator angeschlossen, insbesondere so dass diese Diodenseiten in Reihe zwischen dem Transformator- bzw. Schaltbaustein-Anschluss und dem negativen Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen sind.
  • Vorteilhaft ist die Primärseiten-Diode für einen Stromfluss vom Transformator zum ersten Gleichspannungsanschluss in Sperrrichtung angeschlossen, insbesondere in Reihe geschaltet. Zusätzlich oder alternativ ist die Sekundärseiten-Diode für einen Stromfluss vom Transformator zum zweiten Gleichspannungsanschluss in Durchlassrichtung angeschlossen, insbesondere in Reihe geschaltet.
  • Das Hinzufügen der Primärseiten-Diode insbesondere an den Gleichspannungsanschluss (Diode D1 in 3A und 3B) ermöglicht es vorteilhaft, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungsanschlusses auf ein vorteilhaft höheres Niveau angehoben werden kann, ohne dass ein Stromrückfluss auf die Primärseite zu groß wird. Das Hinzufügen der Sekundärseiten-Diode (Diode D2 in 3A und 3B) ermöglicht es vorteilhaft, dass die Ausgangsspannung des Abnehmeranschlusses auf ein vorteilhaft höheres Niveau angehoben werden kann. In dieser Kombination besteht ein vorteilhafter Effekt der Erfindung und deren Weiterbildungen darin, dass eine Spannung flexibler gestaltet werden kann, insbesondere angehoben werden kann auf ein Niveau, das beliebig jedenfalls im Prinzip beliebig bzw. unlimitiert ist. Dies betrifft insbesondere eine Ausgangsspannung, insbesondere eine Ausgangsspannung auf einer abnehemerseitigen Seite des Speichertransformators (Sekundärseite). Erfindungserheblich betrifft dies mittels der Primärseiten-Diode auch eine versorgungsseitige Seite des Speichertransformators (Primärseite).
  • Zudem wird bei der erfindungsgemäßen Sperrwandlerschaltung darüber hinaus der vorgenannte elektronische Schaltbaustein Teil einer elektronischen Schalteinrichtung vorgesehen, die bevorzugt einen Steuerlogikbaustein zur Steuerung des elektronischen Schaltbausteins und eine daran angeschlossene Anzahl von Messelementen, insbesondere ein Messelement mit einer A/D-Wandlereinrichtung, aufweist. Der erhöhte Regelungsbedarf kann so umgesetzt werden.
  • Bevorzugt sind die Primärseiten-Diode und/oder Sekundärseiten Diode in SiC-Technologie gefertigt. Der Speichertransformator ist in eine Hochfrequenz-Umgebung eingebunden und in einem Hochfrequenz-Betrieb mit einer GaN-Steuerung der elektronischen Schalteinrichtung betreibbar. Dies hat Vorteile in der Spannungsfestigkeit und bei der Steuerung mit vergleichsweise hoher Taktrate der Arbeitsfrequenz. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Isolation im Transformator korrekt dimensioniert ist auch für größere Ströme.
  • Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Sperrfähigkeit der elektronischen Schalteinrichtung sicher zu stellen bzw. ausreichend zu dimensionieren. Die elektronische Schalteinrichtung weist bevorzugt einen MOS-FET-Baustein mit einem daran angeschlossenen A/D-Wandler und einem Steuerlogikbaustein auf, die ausreichend isoliert und sperrfähig sind.
  • Die elektronische Schalteinrichtung ist, insbesondere über einen Steuerlogikbaustein, an die Sperrwandlerschaltung und den Gleichspannungsanschluss zum Zwischenkreis angeschlossen.
  • Der elektronische Schaltbaustein ist insbesondere ein Leistungstransistor, vorzugsweise als ein MOS-FET-Baustein gebildeter Leistungstransistor.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist der Steuerlogikbaustein als eine programmierbare logische Schaltung mit einem Komplex Programmierbaren Baustein (CPL-Device) gebildet. Es zeigt sich, dass der Gleichspannungswandler damit in besonders kompakter Form, beispielsweise in Form einer Leiterkarte realisierbar ist.
  • Die A/D-Wandlereinrichtung weist wenigstens einen mit dem elektronischen Schaltbaustein und dem Steuerlogikbaustein signalverbundenen ersten A/D-Wandler auf; dies ist bevorzugt das Steuersignal an den MOS-FET-Baustein zum Gate desselben übertragende A/D-Wandler. Bevorzugt wird der Steuerlogikbaustein am Gate des elektronischen Schaltbausteins, insbesondere MOS-FET-Bausteins, und der erste A/D-Wandler und der zweite Primäranschluss an Drain und Source des elektronischen Schaltbausteins, insbesondere des MOS-FET-Bausteins, angeschlossen.
  • Die Sperrwandlerschaltung lässt sich vorteilhaft auf einer Leiterplatte unterbringen und kann in der Herstellung entsprechend optimiert und ausgelegt werden und ist flexibel im Betriebsbereich in Bezug auf die Anwendung betreibbar.
  • Der Sperrwandler ist damit vorteilhaft kompakt mit kleinem Speichertransformator - Abmessungen im Bereich von unter 10cm * 10cm * 10cm-- und dennoch hoher Leistung von beispielsweise 300W oder 500W oder mehr zu gestalten und ist zudem flexibel im Betrieb im Rahmen der Sperrwandlerschaltung.
  • Vorteilhaft lässt sich die Wandlerschaltung, insbesondere Sperrwandlerschaltung, nicht nur im nicht-lückenden Betrieb, sondern mit dem erfindungsgemäß verfügbaren Regeleinsatz auch im nicht-stromlückenden Betrieb vorteilhaft betreiben.
  • Ein nicht-lückender Betrieb wird auch als kontinuierlicher Betrieb bezeichnet. Ein lückender Betrieb wird auch als diskontinuierlicher Betrieb bezeichnet.
  • Im Rahmen einer Weiterbildung ist die elektronische Schalteinrichtung ausgebildet, die Sperrwandlerschaltung im stromlückenden Betrieb zu betreiben. Anders ausgedrückt geht der Strom in der Schalteinrichtung im stromlückenden Betrieb in einem Schaltzyklus zwischen einer Leitphase und einer Sperrphase des Sperrwandlers --respektive des elektronischen Schaltbausteins desselben, insbesondere des Transistors desselben-- wenigstens zu einem Zeitpunkt oder eine vorbestimmt kurze Zeitspanne praktisch einmal auf null zurück. Dies hat vor allem Vorteile hinsichtlich eines effizienten Betriebs. Zwar kann dies ggfs. mit einem höheren Schaltaufwand verbunden sein. Gleichwohl sind Gleichanteile von Strömen auf Primär- und Sekundärseite des Speichertransformators im stromlückenden Betrieb weitgehend vermieden.
  • Im nicht-stromlückenden Betrieb können dagegen Gleichstromanteile nicht ausgeschlossen werden beim Umschalten im Schaltzyklus zwischen einer Leitphase und einer Sperrphase des Sperrwandlers.
  • Ein Strom in der Schalteinrichtung ist bevorzugt dreieckförmig. Die elektronische Schalteinrichtung kann die Wandlerschaltung, insbesondere Sperrwandlerschaltung, aber auch im nicht-stromlückenden Betrieb betreiben; unterstützt wird dies durch die Primärseiten-Diode.
  • Der Sperrwandler ist bevorzugt in der Art einer Ladungspumpe verschaltet und betreibbar.
  • Bevorzugt ist der Speichertransformator mit einem ersten versorgungsseitigen Primäranschluss über die Primärseiten-Diode an die Gleichstromversorgungseinheit oder an einen Versorgungskondensator als Eingangskondensator angeschlossen, und/oder der Speichertransformator ist mit einem zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss über die elektronische Schalteinrichtung an die Gleichstromversorgungseinheit oder an einen Versorgungskondensator als Eingangskondensator angeschlossen. Die Primärseiten-Diode ist vom Speichertransformator in Sperrrichtung an die Gleichstromversorgungseinheit angeschlossen.
  • Zusätzlich oder alternativ ist der Speichertransformator mit einem ersten und/oder zweiten abnehmerseitigen Sekundäranschluss über die Sekundärseiten-Diode an den Zwischenkreis oder an einen Vorladekondensator als Ausgangskondensator angeschlossen. Die Sekundärseiten-Diode ist vom Speichertransformator in Durchlassrichtung an den Zwischenkreis angeschlossen.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Sperrfähigkeit vor allem der Primärseiten-Diode, insbesondere auch der Sekundärseiten-Diode, sicher zu stellen.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist die Primärseiten-Diode in Sperrrichtung an den versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss angeschlossen, insbesondere in Reihe geschaltet zwischen einem Transformatoranschluss und dem versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss, und/oder die Sekundärseiten-Diode in Durchlassrichtung an den abnehmerseitigen zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossen, insbesondere in Reihe geschaltet zwischen einem Transformatoranschluss und dem abnehmerseitigen zweiten Gleichspannungsanschluss.
  • Bevorzugt ist dazu, wie oben erläutert, die auf der Sekundärseite des Speichertransformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode anodenseitig zum Speichertransformator und/oder kathodenseitig an einen Gleichspannungsanschluss des Zwischenkreises und/oder Vorladekondensators als Ausgangskondensator angeschlossen.
  • Bevorzugt ist dazu, wie oben erläutert, in einer ersten Variante die auf der Primärseite des Speichertransformators vorgesehene Primärseiten-Diode kathodenseitig zum Speichertransformator und/oder anodenseitig an einen Gleichspannungsanschluss der Gleichstromversorgungseinheit und/oder Versorgungskondensators als Eingangskondensator angeschlossen.
  • Zusätzlich oder alternativ ist dazu bevorzugt, wie oben erläutert, in einer zweiten Variante die auf der Primärseite des Speichertransformators vorgesehene Primärseiten-Diode anodenseitig zum Speichertransformator bzw. an dem am Transformator steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein und/oder kathodenseitig an einen Gleichspannungsanschluss der Gleichstromversorgungseinheit und/oder Versorgungskondensators als Eingangskondensator angeschlossen.
  • Dies ermöglicht den Betrieb als Sperrwandler, wobei die Primärseiten-Diode vorteilhaft jedenfalls einen zu großen Stromrückfluss vermeidet.
  • Insbesondere ist, wie oben bereits angedeutet, die Primärseiten-Diode zur Hochsetzstellung an den versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss angeschlossen, und/oder die Sekundärseiten-Diode zur Hochsetzstellung an den abnehmerseitigen zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossen.
  • Wenigstens zwei weitere A/D-Wandler sind bevorzugt als Messwandler am Abnehmer eingesetzt.
  • Bevorzugt ist die elektronische Schalteinrichtung über die A/D-Wandlereinrichtung, insbesondere einen zweiten A/D-Wandler, für eine Steuervorgabe mit einer Steuer- und/oder Messschnittstelle eines Abnehmers verbunden. Darüber wird bevorzugt eine gewünschte Spannung am Zwischenkreis vorgebbar.
  • Bevorzugt ist die elektronische Schalteinrichtung über die A/D-Wandlereinrichtung, insbesondere einen dritten A/D-Wandler, für eine Steuervorgabe mit einer Steuer- und/oder Messschnittstelle des Zwischenkreises oder dem Vorladekondensator verbunden. Darüber wird bevorzugt eine bestehende Spannung am Vorladekondensator oder Zwischenkreis messbar.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass
    • - der Gleichspannungsanschluss einen Gleichstrom-Umrichteranschluss und einen Gleichstrom-Sperrwandleranschluss zum Zwischenkreis aufweist.
  • Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, dass der Netzanschluss einen Wechselstrom-Transformatoranschluss und einen Wechselstrom-Sperrwandleranschluss zum Netzanschluss aufweist.
  • Die Aufgabe betreffend die Schaltungsanordnung führt in einer Weiterbildung zum ersten Aspekt auch auf einen Gleichspannungswandler des Anspruchs 13.
  • Der Gleichspannungswandler, insbesondere Gleichstrom-Hochsetzsteller, für eine Gleichspannungsverbindung, insbesondere zur Vorladung eines Zwischenkreises sieht die erfindungsgemäße Sperrwandlerschaltung vor. Erfindungsgemäß ist der Gleichspannungswandler weiter gekennzeichnet durch
    • - einen ersten Gleichspannungsanschluss, mit dem der Speichertransformator mit dem versorgungsseitigen Primäranschluss über die Primärseiten-Diode an eine Gleichstromversorgungseinheit anschließbar ist, und
    • - einen zweiten Gleichspannungsanschluss, mit dem der Speichertransformator mit dem abnehmerseitigen Sekundäranschluss über die Sekundärseiten-Diode an einen Zwischenkreis oder an einen Vorladekondensator anschließbar ist.
  • Damit sollte ein Gleichspannungswandler insofern in verbesserter Weise für ein Schaltnetzteil, vorzugsweise wenigstens in Teilen mittels einer Leiterkarte, zur Verfügung stehen als Vorladeschaltung. Mittels dem Gleichspannungswandler, insbesondere Gleichstrom-Hochsetzsteller, für eine Gleichspannungsverbindung, insbesondere zur Vorladung eines Zwischenkreises, aufweisend die erfindungsgemäße Sperrwandlerschaltung, kann insofern gemäß dem Konzept der Erfindung eine bevorzugte Vorladeschaltung realisiert werden.
  • Das Konzept der Erfindung sieht damit im Ergebnis eine verbesserte Leistungsschaltungsanordnung vor, die eine Vorladeschaltung aufweist, die bauraumsparend und effizient anpassbar zur Vorladung des Zwischenkreises in der Lage ist.
  • Ein Schaltnetzteil umfassend einen Sperrwandler sieht insofern bevorzugt vor, über den Sperrwandler auf eine 12V- oder 24V- oder dergleichen Gleichstrom-Versorgungsspannung über einen Transformator hoch zu transformieren. Der Sperrwandler kann in dem Gleichspannungswandler im Rahmen einer Sperrwandlerschaltung mit einer geeigneten Steuerung und Messperipherie realisiert sein.
  • Die Aufgabe betreffend die Netzanbindung wird gelöst in einem zweiten Aspekt durch eine Schaltnetzeinrichtung. Die Schaltnetzeinrichtung weist ein Schaltnetzgerät und den Gleichspannungswandler nach dem Konzept der Erfindung auf.
  • Die Aufgabe betreffend die Netzanbindung wird gelöst durch eine Schaltnetzeinrichtung, wobei erfindungsgemäß das Schaltnetzgerät einen Netz-Umrichter und eine Gleichstromversorgungseinheit aufweist. Die Gleichstromversorgungseinheit weist besonders bevorzugt auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit auf oder ist durch eine solche gebildet.
  • Die insofern gemäß dem Konzept der Erfindung bevorzugte Vorladeschaltung ist insbesondere im Rahmen einer Schaltnetzeinrichtung realisiert und versorgt sich grundsätzlich aus der im System vorhandenen Gleichspannungs-Versorgung, insbesondere aber der hier genannten Gleichstromversorgungseinheit, z.B. bei vorhandenen 24V. Die Vorladeschaltung lädt auf Anfrage den Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung vor. Danach kann die Batterie direkt verbunden werden.
  • Die Schaltnetzeinrichtung ist bevorzugt als ein Schaltnetzteil (SNT, auch SMPS von englisch switched mode power supply) oder Schaltnetzgerät gebildet. Darunter ist generell eine elektronische Baugruppe zu verstehen, die vorliegend auch in eine Leistungsschaltungsanordnung eingebracht werden kann. Das Schaltnetzteil (SNT, auch SMPS von englisch switched-modepower supply) kann eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine geregelte, vorbestimmte oder konstante Ausgangsspannung umwandeln; dies betrifft vorliegend die Wandlung zwischen der Wechselspannung am Netzanschluss zu einem Wechselstromnetz und der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss zu einem Zwischenkreis. Im Unterschied zu allgemeinen Trafonetzteilen weist ein Schaltnetzteil aber einen hohen Wirkungsgrad auf.
  • Vorgesehen ist auch eine auf die Netzspannung zum Netzanschluss zu einem Wechselstromnetz geeignete Gleichstromversorgung, insbesondere eine sogenannte „Unterbrechungsfreie-Gleichstromversorgung“, die mit einem Schaltnetzgerät genutzt wird und so an den Gleichspannungswandler angebunden sein kann. Dies ermöglicht den Anschluss eines Gleichstromabnehmers an einen Netzanschluss zu einem Wechselstromnetz. Umgekehrt kann der Gleichspannungswandler über eine Gleichstromversorgung, insbesondere eine Unterbrechungsfreie-Gleichstromversorgung, mit einem Schaltnetzgerät genutzt werden, derart, dass der Gleichstromabnehmer unabhängig vom Wechselstromnetz betrieben werden kann. Dies hat sich insbesondere bei einem Gleichstromabnehmer mit einer kritischen Gleichstrom-Lasteinheit als vorteilhaft erwiesen.
  • Die Aufgabe betreffend die Netzanbindung führt in einer Weiterbildung zum ersten Aspekt auf eine Leistungsschaltungsanordnung. Die Leistungsschaltungsanordnung weist auf:
    • - eine Schaltnetzeinrichtung, vorzugsweise mit einem Gleichspannungswandler in Form einer Leiterkarte, der ausgebildet ist als Vorladeschaltung für einen Zwischenkreis,
    • - eine Frequenzumrichterschaltung mit einem Umrichter und einem Netztransformator, wobei die Schaltnetzeinrichtung und Frequenzumrichterschaltung ausgebildet sind zum Anschluss an
      • - einen Netzanschluss zu einem Wechselstromnetz, und
      • - einen Gleichspannungsanschluss zu einem Zwischenkreis, wobei
    • - der Gleichspannungsanschluss einen Gleichstrom-Umrichteranschluss und einen Gleichstrom-Sperrwandleranschluss zum Zwischenkreis aufweist, und/oder
    • - der Netzanschluss einen Wechselstrom-Transformatoranschluss und einen Wechselstrom-Sperrwandleranschluss zum Netzanschluss aufweist.
  • Die Aufgabe in einem zweiten Aspekt betreffend die Stromversorgungseinrichtung führt auf eine Stromversorgungseinrichtung des Anspruchs 16.
  • Die Stromversorgungseinrichtung weist erfindungsgemäß auf:
    • - eine kritische Gleichstrom-Lasteinheit, insbesondere ein Batteriespeichersystem (100) mit einer Anzahl von Batteriepaketen
    • - einen Gleichstromzwischenkreis,
    • - eine Leistungsschaltungsanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung, sowie weiter aufweisend
    • - einen Netzanschluss, insbesondere einen Dreiphasen-Netzanschluss, zu einem Wechselstromnetz sowie einen Gleichspannungsanschluss zu einem Zwischenkreis, wobei
      • - die Leistungsschaltungsanordnung über den Gleichspannungsanschluss an den Gleichstromzwischenkreis angeschlossen ist und über den Netzanschluss an das Wechselstromnetz anschließbar ist, und wobei
      • - die Leistungsschaltungsanordnung ausgebildet ist, das Batteriespeichersystem über den Zwischenkreis an das Wechselstromnetz anzuschließen.
  • Die Erfindung führt entsprechend auf ein Schaltnetzteil mit der Leistungsschaltungsanordnung, vorzugsweise in Form einer Leiterkarte. Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Realisierung der Leistungsschaltungsanordnung zudem mit verringertem Platzbedarf, bevorzugt auf einer Leiterkarte. Dies hat Bauraum- und Kostenvorteile.
  • Die Leistungsschaltungsanordnung ist insbesondere im Rahmen eines Schaltnetzteils realisiert, bevorzugt eines Schaltnetzteils zum Anschließen eines Batterie-Packs an ein Wechselstromnetzwerk, insbesondere an ein Versorgungsnetzwerk. Vorzugsweise dient ein vorgenanntes Batterie-Pack als eine unabhängige, insbesondere unterbrechungsfreie, Stromversorgung für eine wichtige Stromabnehmer-Einrichtung an einem Versorgungsnetz, z.B. einem Inselnetz.
  • Die Erfindung bietet die bevorzugte Möglichkeit, die Leistungsschaltungsanordnung für das Schaltnetzteil in Form einer Leiterkarte auszubilden, bevorzugt das Schaltnetzteil auf einer Leiterkarte integriert auszubilden mit der Leistungsschaltungsanordnung.
  • Die Erfindung führt betreffend den zweiten Aspekt auch auf ein Verfahren des Anspruchs 17 zum Vorladen eines Zwischenkreises, insbesondere zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises mittels einer Wandlerschaltung.
  • Vorzugsweise ist damit eine vorteilhafte Verwendung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung verbunden; nämlich insbesondere zum Starten, insbesondere zum Schwarzstarten, einer kritischen Gleichstrom-Lasteinheit, insbesondere eines Batteriespeichersystems, mit einer Anzahl von Batteriepaketen, über eine Gleichspannungsverbindung unter Vorladung eines Zwischenkreises mit einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
  • Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
    • 1 eine an sich bekannte Lösung zur Anbindung eines Batteriespeichersystems mit Widerständen an einen Zwischenkreis;
    • 2 eine Ausführungsform einer Stromversorgungseinrichtung, aufweisend ein Batteriespeichersystem mit einer Anzahl von Batteriepaketen, einen Gleichstromzwischenkreis und eine Leistungsschaltungsanordnung, die einen Gleichspannungswandler aufweist, der nach dem Konzept der Erfindung mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Sperrwandlerschaltung versehen ist;
    • 3A ein Schaltdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Sperrwandlerschaltung, insbesondere zur Verwendung bei dem in 2 gezeigten Gleichspannungswandler nach dem Konzept der Erfindung;
    • 3B ein Schaltdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Sperrwandlerschaltung, insbesondere zur Verwendung bei dem in 2 gezeigten Gleichspannungswandler nach dem Konzept der Erfindung;
    • 4 ein bevorzugtes Ablaufschema des Verfahrens zum Starten und Durchführen eines Ladevorgangs des Zwischenkreises mit der Leistungsschaltungsanordnung der 2 aufweisend eine Sperrwandlerschaltung wie in der 3A oder 3B.
  • 1 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau einer Stromversorgungseinrichtung 1000 mit einem symbolisch dargestellten Batteriespeichersystem 100, das --über einen Zwischenkreis 200, nämlich vorliegend den Gleichspannungszwischenkreis ZK, in einer mit zwei „Gleichstromschienen“ DC-DC dargestellten Gleichspannungsumgebung-- über eine Leistungsschaltungsanordnung 300 an ein Wechselstromnetz 400 angeschlossen werden kann.
  • Der im Folgenden bezeichnete Zwischenkreis 200 ist symbolisch hier und wie im Folgenden auch durch ein repräsentatives Ersatzschaltbild eines Gleichstromzwischenkreises ZK mit einem Widerstand ZKr und einer Kapaziät ZKc dargestellt. Zum Angleichen der Spannungen im Batteriespeichersystem 100 und der Leistungsschaltungsanordnung 300 sind in bekannter Weise hier symbolisch dargestellte Vorladewiderstände 1110 vorgesehen.
  • Das Batteriespeichersystem 100 weist vorliegend eine Anzahl von Batteriepaketen auf, die auch als „Rack“ bezeichnet werden und von denen hier nur beispielhaft zwei als PACK1 und PACK2 für eine Mehrzahl solcher dargestellt sind; das Batteriespeichersystem 100 kann auch anders aufgebaut sein.
  • Außerdem ist das Batteriespeichersystem 100 in 1 und dann 2 betreffend eine Ausführungsform der Erfindung nur beispielhaft repräsentativ gezeigt für eine ohne Einschränkung hiermit offenbarte andere kritische Gleichstrom-Lasteinheit.
  • Der grundsätzliche Aufbau einer Stromversorgungseinrichtung 1000 kann ebenso vorteilhaft sein für kritische Gleichstrom-Lasteinheiten wie sie Verwendung finden bei Brennstoffzellen, Gensets oder Unterbrechungsfreie- Stromversorgungen für Antriebe oder Energiegewinnungsanlagen und dergleichen. Aber auch andere Anwendungen, die mit einem Zwischenkreis arbeiten, wie z.B. regenerative Energiegewinnungsanlagen, wie z.B. Wind- oder Solaranlagen, die üblicherweise über einen Zwischenkreis an ein Wechselstromnetz 400 angeschlossen werden und ggfs. gestartet, insbesondere schwarzgestartet, werden müssen.
  • Weiter Bezug nehmend auf 1 dient zum Anschluss des Batteriespeichersystems 100 eine Leistungsschaltungsanordnung 300 mit einem Netzanschluss 430, der vorliegend als ein Dreiphasennetzanschluss zu einem Dreiphasen-Wechselstromnetz 400 gebildet ist. Das Dreiphasenwechselstromnetz ist vorliegend mit den Leitersträngen L1, L2, L3 und N sowie der Phase PE dargestellt. Vorliegend ist die Leistungsschaltungsanordnung 300 nur mit einer Frequenzumrichterschaltung 310 gebildet, die einen Umrichter 312 und einen Netztransformator 314 aufweist. Die Leistungsschaltungsanordnung 300 weist einen Gleichstrom-Umrichteranschluss 230 zum Zwischenkreis 200 auf.
  • Auf Anfrage wird der Zwischenkreis 200 in einer mit zwei Gleichstromschienen DC-DC dargestellten Gleichstromumgebung auf die gewünschte Spannung vorgeladen. Nach einem in bekannter Weise erfolgenden Hinzuschalten der in 1 dargestellten Vorladewiderstände 1110 kann das Batteriespeichersystem 100 an den Zwischenkreis 200 und mittels diesem an die Leistungsschaltungsanordnung 300 angeschlossen werden; insbesondere kann das Batteriespeichersystem 100 über die hier dargestellte, an sich bekannte Frequenzumrichterschaltung 310 mit Umrichter 312 und Netztransformator 314 an das Wechselstromnetz 400 angeschlossen werden.
  • Nach Abschluss eines Angleichungsvorgangs für die Spannungen können die Vorladewiderstände 1110 mit einem Schütz 1120 überbrückt werden. Dies alles benötigt ersichtlich wertvollen Platz im Batteriespeichersystem 100 und ist zudem in seiner Funktion noch verbesserbar.
  • Eine gemäß dem Konzept der Erfindung verbesserte Stromversorgungseinrichtung 1000 ist vorliegend in 2 zunächst schematisch gezeigt. Auch diese Stromversorgungseinrichtung 1000 weist das zuvor erläuterte Batteriespeichersystem 100 sowie den Zwischenkreis 200 auf; der Zwischenkreis 200 wieder als Gleichstromzwischenkreis ZK, dargestellt als repräsentatives Ersatzschaltbild mit einem Widerstand ZKr und einer Kapazität ZKc. Die Stromversorgungseinrichtung 1000 weist weiter zwischen dem Gleichstrom-Umrichteranschluss 230 und dem Netzanschluss 430 die zuvor erläuterte Frequenzumrichterschaltung 310 auf; gebildet mit dem Umrichter 312 und dem Netztransformator 314. Die Leistungsschaltungsanordnung 300 basiert auf der an sich bekannten Frequenzumrichterschaltung 310, die den Umrichter 312 und den Netztransformator 314 aufweist. An den Netzanschluss 430 ist eine Schaltnetzeinrichtung 370 zum Zwischenkreis 200 angeschlossen.
  • Für die Schaltnetzeinrichtung 370 mit einem Schaltnetzgerät 364 ist ein gemäß dem Konzept der Erfindung ausgebildeter Gleichspannungswandler 362 sowie eine Gleichspannungswandlerversorgung 368 vorgesehen; die Gleichspannungswandlerversorgung 368 weist ein Schaltnetzgerät 364 und eine Gleichstromversorgungseinheit 366 auf. Das Schaltnetzgerät 364 ist mit einem netzspannungsseitigen Netz-Umrichter ausgebildet. Die Gleichstromversorgungseinheit 366 ist hier als eine unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit USV ausgebildet. Die unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit USV weist vorliegend eine USV-Steuereinheit 366.1 und USV-Batterie 366.2 auf.
  • Für den Gleichspannungswandler 362 der Schaltnetzeinrichtung 370 wird die Versorgungsspannung von beispielsweise 24V für das Batteriespeichersystems 100 genutzt. In einer verbesserten Weise wird mittels des Gleichspannungswandler 362 ein Hochsetz-Vorgang umgesetzt, um mit der vorhandenen 24V-Versorgung im Rahmen der als Vorladeschaltung funktionierenden Schaltnetzeinrichtung 370 den Zwischenkreis 200 sach- und situationsgerecht nach Bedarf auf die gewünschte Spannung vorzuladen.
  • Die Schaltnetzeinrichtung 370 als Vorladeschaltung versorgt sich damit aus der im System vorhandenen 24-Volt-Versorgung. Mittels des Gleichspannungswandlers 362 wird damit unter Vorladung des Zwischenkreises 200 die Spannung am abnehmerseitiger zweiten Gleichspannungsanschluss 306 an die Batteriespannung des Batteriespeichersystems angeglichen, bevor die Batterie an den Zwischenkreis 200 geschaltet wird. Danach kann die Batterie 100 direkt verbunden werden mit dem Netzanschluss 430 über die Leistungsschaltungsanordnung 300.
  • Die Leistungsschaltungsanordnung 300 gemäß der hier dargestellten Ausführungsform weist insofern auf:
    • - eine Schaltnetzeinrichtung 370,
    • - eine Frequenzumrichterschaltung 310 mit einem Umrichter 312 und einem Netztransformator 314, wobei die Schaltnetzeinrichtung 370 und Frequenzumrichterschaltung 310 ausgebildet sind zum Anschluss an
      • - einen Netzanschluss 430 zu einem Wechselstromnetz 400, und
      • - einen Gleichspannungsanschluss zu einem Zwischenkreis 200.
  • Dabei weist der Gleichspannungsanschluss einen Gleichstrom-Umrichteranschluss 230 und einen noch zu erläuternden Gleichstrom-Sperrwandleranschluss -der vorgenannte abnehmerseitige zweite Gleichspannungsanschluss 306-- zum Zwischenkreis 200 auf.
  • Der Netzanschluss 430 weist einen Wechselstrom-Transformatoranschluss 304 und einen Wechselstrom-Sperrwandleranschluss 308 zum Netzanschluss 400 auf.
  • Die Schaltnetzeinrichtung 370 ist vorliegend als Schaltnetzteil (SNT, auch SMPS von englisch switched mode power supply) oder Schaltnetzgerät gebildet. Darunter ist generell eine elektronische Baugruppe zu verstehen, die wie vorliegend gezeigt auch in eine Leistungsschaltungsanordnung 300 eingebracht werden kann. Das Schaltnetzteil (SNT, auch SMPS von englsich switched-mode power supply) kann grundsätzlich eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine geregelte, vorbestimmte oder konstante Ausgangsspannung umwandeln; dies betrifft vorliegend die Wandlung zwischen der Wechselspannung am Netzanschluss 430 zu einem Wechselstromnetz 400 und der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss zu einem Zwischenkreis 200.
  • Der Gleichspannungswandler 362 lässt sich vorliegend insbesondere in Form einer Leiterkarte, realisieren und ist ausgebildet als Vorladeschaltung für den Zwischenkreis 200. Die Verwendung der Stromversorgungseinrichtung 1000 ist damit zum Starten einer kritischen Gleichstrom-Lasteinheit, vorgesehen, was hier im Rahmen eines Batteriespeichersystems 100, mit einer Anzahl von Batteriepaketen, über eine Gleichspannungsverbindung unter Vorladung eines Zwischenkreises 200 mit dem Gleichspannungswandler 362 erläutert ist.
  • Das Konzept der Erfindung betreffend einen Wandler einer Wandlerschaltung 362 wird im Folgenden anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Sperrwandlerschaltung mit einem Sperrwandler 316 erläutert. Der Sperrwandler 316 einer Sperrwandlerschaltung, wird als Teil eines Gleichspannungswandlers 362 in der Leistungsschaltungsanordnung 300 einer Schaltnetzeinrichtung für eine Stromversorgungseinrichtung 1000 realisiert. Das Konzept der Erfindung betreffend einen Wandler einer Wandlerschaltung 362 dient insbesondere zur verbesserten Vorladung des Zwischenkreises 200.
  • Die zum Einsatz kommende Sperrwandlerschaltung 360 -der Einfachheit halber mit dem gleichen Bezugszeichen-- des Gleichspannungswandlers 362 in der Gleichspannungsverbindung ist nachfolgend in Bezug auf 3A und 3B erläutert mit dem dort gezeigten Schaltbild 601, bzw. 602 der Sperrwandlerschaltung 360 (Sperrwandlereinheit): der Umrichter 312 und die unterbrechungsfreie Stromversorgung USV sind im Detail dort nicht mehr dargestellt.
  • Das Schaltbild 601 bzw. 602 der Sperrwandlerschaltung 360 (Sperrwandlereinheit) der 3A und 3B kann als Schaltnetzteil integriert realisiert sein. 3A und 3B zeigt den Bereich zwischen einem ersten Gleichspannungsanschluss 302 der 2 und einem zweiten Gleichspannungsanschluss 306 der 2. Ein Sperrwandler 316 der Sperrwandlerschaltung 360 des Gleichspannungswandlers 362 ist in 2 symbolisch dargestellt; in 3A und 3B näher erläutert.
  • Das Schaltbild 601 der 3A zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Sperrwandlerschaltung 360 des Gleichspannungswandlers 362. Diese weist einen eingangsseitigen --also versorgungsspannungsseitigen-- versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss 302 auf (für den Sperrwandler-Anschluss zur Gleichstromversorgungseinheit 366) und einen ausgangsseitigen --also abnehmerspannungsseitigen-- zweiten Gleichspannungsanschluss 306 für den Sperrwandler-Anschluss zum Zwischenkreis 200 auf (also auf der Seite des Zwischenkreises 200 zur Vorladung desselben). Der Gleichspannungswandler 362 kann hier als Gleichstrom-Hochsetzsteller für eine Gleichspannungsverbindung zwischen den Gleichstromanschlüssen 302, 306 angesehen werden.
  • Der Gleichstromversorgungseinheit 366 ist ein Versorgungskondensator +C1 mit entsprechender Kapazität eines Versorgungskondensators +C1 auf Seite der Gleichstromversorgungseinheit 366 zugeordnet. Dem Zwischenkreis 200 als Gleichstromzwischenkreis ZK ist ein Vorladekondensator +C2 mit entsprechender Kapazität eines Vorladekondensators +C2 auf Seite des Zwischenkreises 200 zur Vorladung des Zwischenkreises zugeordnet.
  • Im Folgenden wird die nach dem Konzept der Erfindung besonders bevorzugte erste Ausführungsform der 3A einer Sperrwandlerschaltung 360 mit Sperrwandler 316 gemäß dem Schaltbild 601 beschrieben.
  • Der Gleichspannungswandler 362 hat einen ersten Gleichspannungsanschluss 302, mit dem der Speichertransformator T mit seinem versorgungsseitigen Primäranschluss P1 über die Primärseiten-Diode D1 an die Gleichstromversorgungseinheit 366 mittels dem Versorgungskondensator +C1 anschließbar ist, und einen zweiten Gleichspannungsanschluss 306 mit dem der Speichertransformator T mit dem abnehmerseitigen Sekundäranschluss P2 über die Sekundärseiten-Diode D2 an den Zwischenkreis 200 mittels den Vorladekondensator +C2 anschließbar ist.
  • Das Schaltbild 601 zeigt den Sperrwandler 316 als Teil der Sperrwandlerschaltung 360 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform entsprechend dem Konzept der Erfindung; d.h. der Sperrwandler 316 weist auf:
    • den Speichertransformator T, einen zur gesteuerten Bestromung des Speichertransformators T auf einer Primärseite TP1 des Speichertransformators T steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein 510, der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist, eine auf einer Sekundärseite TP2 des Speichertransformators T vorgesehene Sekundärseiten-Diode D2. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist hier zudem auf der Primärseite TP1 des Speichertransformators T die Primärseiten-Diode D1 vorgesehen.
  • Die auf der Sekundärseite TP2 des Speichertransformators T vorgesehene Sekundärseiten-Diode D2 ist mit ihrer Anodenseite p am Speichertransformators T und mit ihrer Kathodenseite n an dem Gleichspannungsanschluss 306 des Zwischenkreises 200 elektrisch angeschlossen, d.h. hier dem positiven Gleichspannungsanschluss des Vorladekondensators +C2 als Ausgangskondensator angeschlossen; insofern an dem abnehmerseitigen Transformatoranschluss in Reihe verschaltet.
  • Die Sekundärseiten-Diode D2 ist insofern in Durchlassrichtung zum Vorladekondensator +C2 als Ausgangskondensator angeschlossen; sie wird in Durchlassrichtung betrieben während der Sperrphase des Schaltbausteins 510, d.h. wenn sich der Speichertransformator T zur Sekundärseite TP2 entmagnetisiert. Sie wird in Sperrrichtung betrieben während der Leitendphase des Schaltbausteins 510, d.h. wenn der Speichertransformator T von der Primärseite her magnetisiert wird.
  • Die auf der Primärseite TP1 des Speichertransformators T vorgesehene Primärseiten-Diode D 1 ist mit ihrer Kathodenseite n am Speichertransformator T und mit ihrer Anodenseite p an einem Gleichspannungsanschluss 302 der Gleichstromversorgungseinheit 366 elektrisch angeschlossen, d.h. hier dem positiven Gleichspannungsanschluss des Versorgungskondensators +C1 als Eingangskondensator angeschlossen; insofern an dem versorgungsseitigen Transformatoranschluss in Reihe verschaltet, also in Reihe zwischen dem Transformatoranschluss und dem positiven Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen.
  • Die Primärseiten-Diode D1 ist insofern in Sperrrichtung zum Versorgungskondensator +C1 als Eingangskondensator angeschlossen; sie wird in Sperrrichtung betrieben während der Sperrphase des Schaltbausteins 510, d.h. wenn sich der Speichertransformator T zur Sekundärseite TP2 entmagnetisiert. Sie wird in Durchlassrichtung betrieben während der Leitendphase des Schaltbausteins 510, d.h. wenn der Speichertransformator T von der Primärseite her magnetisiert wird.
  • Der auf der Primärseite TP1 des Speichertransformators T steuernd angeschlossene, mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbare, elektronische Schaltbaustein 510 ist ausgebildet zum mit der Arbeitsfrequenz wechselnden Betreiben des Speichertransformators T für eine Leitendphase und eine Sperrphase des Schaltbausteins 510, insofern einer Leitendphase und einer Sperrphase des Sperrwandlers 316.
  • Grundsätzlicher Ausgangs-Hintergrund ist hier, dass der Speichertransformator T auf der Sekundärseite TP2 eine nicht zu große Hauptinduktivität haben sollte. Dadurch kann die erforderliche Zwischenkreisspannung allerdings nicht direkt durch Hochtransformieren der von der USV zur Verfügung gestellten Eingangsspannung von 24V erreicht werden. Das Windungsverhältnis N2/N1 des Speichertransformators T ist insofern klein bzw. bewusst kleiner gewählt. Ein Windungsverhältnis N2/N1 der Windungszahl N2 der Windungen einer Wicklung an der Sekundärseite TP2 des Speichertransformators T zur Windungszahl N1 der Windungen einer Wicklung an der Primärseite TP1 des Speichertransformators T liegt bei höchstens 25, insbesondere zwischen 1 und 10, insbesondere zwischen 2 und 5.
  • Der Vorladekondensator +C2 für den Zwischenkreis 200 wird mittels des erfindungsgemäß modifizierten Sperrwandlers 316 quasi nach Art einer „Ladungspumpe“ schrittweise nach und nach durch mit der Arbeitsfrequenz des elektronischen Schaltbaustein 510 -hier ein Leistungstransistor Q1-- wechselnden Betreiben des Speichertransformators T mit der Arbeitsfrequenz auf die geforderte Zwischenkreisspannung vor(auf)geladen. Die Arbeitsfrequenz ist bewusst gemäß dem Konzept der Erfindung höher gestaltet zugunsten eines eher moderaten Windungsverhältnisses N2/N1 des Speichertransformators T; der elektronische Schaltbaustein 510 -hier ein Leistungstransistor Q 1 -- ist entsprechend geregelt.
  • Der Speichertransformator T ist mit seiner versorgungsseitigen Primärseite TP1 und seiner abnehmerseitigen Sekundärseite TP2 gebildet. Entsprechend sind die versorgungsseitige Primärseite TP1 und die abnehmerseitige Sekundärseite TP2 des Speichertransformators T symbolisch dargestellt. Wie zuvor erläutert, sind vorliegend die Wicklungen bzw. ist die Windungszahl N1 der Primärseite TP1 und die Wicklungen bzw. ist die Windungszahl N2 der Sekundärseite TP2 des Speichertransformators T nicht im Einzelnen gezeigt; sie stehen in einem Windungsverhältnis N2/N1 von vorliegend im Bereich zwischen 2 und 6; dies ist vergleichsweise ausgewogen gewählt, um die Ströme auf der Sekundärseite begrenzt zu halten für den Betrieb des Speichertransformators T.
  • Die gemäß dem Konzept der Erfindung vorgesehene auf einer Primärseite TP1 des Speichertransformators T -im oben erläuterten Sinn als Sperrdiode-- vorgesehene Primärseiten-Diode D1 bewirkt, dass bei einer erhöhten Arbeitsfrequenz; d.h. einem getakteten Schalten des Speichertransformators T mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 50.000 bis zu 300.000 Vorgängen pro Sekunde ein Rückflussstrom selbst im nicht-lückenden Betrieb des Sperrwandlers 316 vermieden ist.
  • Die elektronische Schalteinrichtung 500 ist ausgebildet, die Sperrwandlerschaltung 360:
    • - im stromlückenden Betrieb zu betreiben, insbesondere derart, dass ein Strom in etwa dreieckförmig ist und/oder zwischen zwei Schaltzyklen praktisch auf null zurückgeht,
    • - als auch im nicht-stromlückenden Betrieb zu betreiben, insbesondere derart, dass ein Strom in etwa dreieckförmig ist und/oder zwischen zwei Schaltzyklen ein Gleichstromanteil ungleich Null verbleibt.
  • Insofern ist in 3A das Kernstück eines Sperrwandlers 316 --als „Flyback-Converter“-- Teil der Sperrwandlerschaltung 360 für einen Gleichspannungswandler 362 der Leistungsschaltungsanordnung 300. Der Sperrwandlers 316 ist mit der erläuterten Primärseiten-Diode D1 für eine hohe Arbeitsfrequenz sowohl im lückenden als auch im nicht-lückenden Betrieb ausgelegt entsprechend dem Konzept der Erfindung.
  • Das Schaltbild 601 der ersten Ausführungsform der Sperrwandlerschaltung 360 zeigt zudem die Verschaltung des Speichertransformators T auf seiner Primärseite TP1 und seiner Sekundärseite TP2 desselben.
  • Vorliegend ist der Speichertransformator T auf seiner Primärseite TP1 mit einem ersten versorgungsseitigen Primäranschluss P1 über die Primärseiten-Diode D1 an dem versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss 302 angeschlossen. Die Primärseiten-Diode D1 befindet sich also auf der gleichen Primärseite TP1 des Speichertransformator T wie die Ansteuerung desselben über die elektronische Schalteinrichtung 500 des Sperrwandlers 316 bzw. der Sperrwandlerschaltung 360.
  • Konkret ist vorliegend der Speichertransformator T mit einem ersten versorgungsseitigen Primäranschluss P 11 über die primärseitige Diode D1 in Reihe an den versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss 302 (Sperrwandler-Anschluss) angeschlossen.
  • Konkret ist vorliegend der Speichertransformator T mit dem ersten versorgungsseitigen Primäranschluss P11 über die primärseitige Diode D1 in Reihe angeschlossen an den versorgungsseitigen Versorgungskondensator +C1 und damit dem versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss 302 (Sperrwandler-Anschluss) angeschlossen; nämlich hier über den ersten Primäranschluss P11 an den positiven Gleichspannungsanschluss des Versorgungskondensators +C1 elektrisch angeschlossen. Der zweite versorgungsseitige Primäranschluss P21 ist über den elektronischen Schaltbaustein 510 als ein Leistungstransistor Q1 an den Versorgungskondensator +C1; nämlich hier über den zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss P21 an den negativen Gleichspannungsanschluss (hier GND) des Versorgungskondensators +C1 elektrisch angeschlossen.
  • Die Primärseitendiode D1 könnte im Prinzip in einer in 3B dargestellten anderen Verschaltung einer zweiten Ausführungsform -mit entsprechend umgedreht angeschlossener Anoden- und Kathodenseite p, n-- im Prinzip auch an dem zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss P21 realisiert sein, anstatt oder zusätzlich zu einer Primärseitendiode in dem versorgungsseitigen Primäranschluss P11.
  • Der Speichertransformator T ist mit dem abnehmerseitigen Sekundäranschluss P2 über eine Sekundärseiten-Diode D2 an den abnehmerseitigen zweiten Gleichspannungsanschluss 306 angeschlossen; diese hat die Wirkung einer Gleichrichterdiode im oben erläuterten Sinn beim zuvor erläuterten „Ladungspumpen“; d.h. dem Entladen des Speichertransformators T von der Primärseite TP1 zur Sekundärseite TP1, TP2 über die Sekundärseiten-Diode D2 zum Vorladekondensator +C2 zur Aufladung desselben.
  • Konkret ist vorliegend der Speichertransformator T mit dem ersten abnehmerseitigen Sekundäranschluss P12 über die sekundärseitige Diode D2 in Durchlassrichtung in Reihe angeschlossen an den Vorladekondensator +C2 und damit dem abnehmerseitigen zweiten Gleichspannungsanschluss 306 (Sperrwandler-Anschluss) angeschlossen; nämlich hier über den ersten Sekundäranschluss P12 an den positiven Gleichspannungsanschluss des Vorladekondensators +C2 elektrisch angeschlossen. Der zweite abnehmerseitige Sekundäranschluss P22 ist direkt an den Vorladekondensator +C2; nämlich hier über den zweiten Sekundäranschluss P22 an den negativen Gleichspannungsanschluss des Vorladekondensators +C2 elektrisch angeschlossen.
  • Die Sekundärseitendiode D2 könnte im Prinzip in einer hier nicht dargestellten anderen Verschaltung -mit entsprechend umgedreht angeschlossener Anoden- und Kathodenseite p, n-- im Prinzip auch an dem zweiten abnehmerseitigen Sekundäranschluss P22 realisiert sein, anstatt oder zusätzlich zu einer Sekundärseitendiode in dem ersten abnehmerseitigen Sekundäranschluss P12.
  • Die Primärseiten-Diode und/oder Sekundärseiten Diode P1, P2 sind in SiC-Technologie gefertigt. Der elektronische Schaltbaustein 510 ist ein Leistungstransistor Q1, insbesondere hier als ein MOS-FET-Baustein gebildeter Leistungstransistor Q1 gestaltet.
  • Vorliegend ist der Speichertransformator T mit dem zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss P21 über eine elektronische Schalteinrichtung 500 in der Sperrwandlerschaltung 360 gesteuert bestromt mittels dem elektronischen Schaltbaustein 510, der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist. Konkret ist der auf der Primärseite TP1 des Transformators steuernd angeschlossene, mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbare, elektronische Schaltbaustein 510 zum mit der Arbeitsfrequenz wechselnden Betreiben des Transformators T für eine Leitendphase und eine Sperrphase des Schaltbausteins 510 ausgebildet, insbesondere eine Leitendphase und eine Sperrphase des Sperrwandlers 316 ausgebildet.
  • Ein Steuerlogikbaustein 530 ist dazu als eine programmierbare logische Schaltung mit einem Komplex-Programmierbaren-Baustein (CPL-Device) gebildet. Eine zudem vorgesehene A/D-Wandlereinrichtung 520 weist mehrere Mess-A/D-Wandler auf.
  • Der Steuerlogikbaustein 530 ist am Gate des elektronischen Schaltbausteins 510, insbesondere MOS-FET-Bausteins, und der erste A/D-Wandler 520.1 und der zweite Primäranschluss P21 an Drain und Source des elektronischen Schaltbausteins 510, insbesondere MOS-FET-Bausteins, steuernd elektronisch angebunden.
  • Vorliegend nimmt wenigstens ein mit dem elektronischen Schaltbaustein 510 und dem Steuerlogikbaustein 530 signalverbundener erster A/D-Wandler 520.1 über einen Messwiderstand R5 eine Steuerinformation aus dem zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss P21 auf oder gibt diese zur Steuerung des Leistungstransistors Q1 an diese an.
  • Es hat sich bewährt, dass der Speichertransformator T in eine Hochfrequenz-Umgebung eingebunden ist, und in einem Hochfrequenz-Betrieb mit einer GaN-Steuerung der elektronischen Schalteinrichtung 500 betreibbar ist.
  • Die elektronische Schalteinrichtung 500 ist über die A/D-Wandlereinrichtung 520, insbesondere einen zweiten A/D-Wandler 520.2, für eine Steuervorgabe mit einer Steuer- und/oder Messschnittstelle 306.1 des Abnehmers verbunden. Des Weiteren ist die elektronische Schalteinrichtung 500 über die A/D-Wandlereinrichtung 520, insbesondere einen dritten A/D-Wandler 520.3, für eine Steuervorgabe mit einer Steuer- und/oder Messschnittstelle 306.2 des Zwischenkreises 200 oder dem Vorladekondensator +C2 verbunden.
  • Die Analog-Digital-Wandler 520.1, 520.2, 520.3 wirken als Mess- und Steuergeber für den MOSFET des elektronischen Schaltbausteins 510. Des Weiteren sind vorliegend diverse Widerstände Ri, i=1..6 und diverse Kapazitäten Ci, i=1..3 als Mess-Widerstände/Kapazitäten gezeigt.
  • Der MOS-FET-Baustein Q1, 510 kann aus Effizienzgründen im stromlückenden Bereich betrieben werden, das heißt ein Strom in der Schalteinrichtung 500 wird so betrieben, dass der Strom im Steuerlogikbaustein 510 in einem Schaltzyklus wenigstens einmal für einen Zeitpunkt oder einen kleinen Zeitraum praktisch auf null zurückgeht. In seinem Aufbau und der Funktion eines lückenden (diskontinuierlichen) und nicht-lückenden (kontinuierlichen) Betriebs ist ein Sperrwandler entsprechend beschrieben in http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/spw_hilfe.html; dessen Inhalt hiermit durch Zitat in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen wird.
  • Der Strom in der Schalteinrichtung 500, insbesondere im Steuerlogikbaustein 510 - also im MOS-FET-Baustein Q1 -- ist bevorzugt dreieckförmig. Es zeigt sich, dass ein stromlückender Betrieb besonders bevorzugt realisierbar ist, wenn, wie hier dargestellt, der Speichertransformator T auf seiner Sekundärseite TP2 eine geringe Hauptinduktivität besitzt; dies wird --wie vorliegend ebenfalls dargestellt-- sekundärseitig über eine vergleichsweise geringere Windungszahl realisiert.
  • Es hat sich gezeigt sich, dass ein lückender Betrieb jedoch die sekundärseitigen Windungen in ihrer Anzahl limitiert und damit die maximale Ausgangsspannung des Speichertransformators T limitiert. Indem nun die Primärseitendiode D1 und Sekundärseitendiode D2 in Reihe integriert sind, kann gleichwohl des stromlückenden Betriebs zur Effizienzsteigerung dennoch auch die Ausgangsspannung auf ein beliebiges Niveau angehoben werden bzw. der Sperrwandler im nicht-lückenden Betrieb gefahren werden. Die elektronische Schalteinrichtung 500 kann den Sperrwandler 316 also auch im nicht-stromlückenden Betrieb betreiben, insbesondere wenn ein Strom in der Schalteinrichtung 500 in einem Schaltzyklus nicht auf null zurückgeht; ein Rückflussstrom wird mittels der Primärseiten-Diode gemäß dem Konzept der Erfindung vorteilhaft vermieden.
  • Wie in 3A dargestellt, wird dies unterstützt durch die korrekte Dimensionierung der hier symbolisch dargestellten Isolation 700; d.h. nicht nur einer Isolation im Speichertransformator, sondern auch einer ausreichenden Isolation und Sperrfähigkeit 700 der elektronischen Schalteinrichtung 500 und der Primärseitendiode D1 (als im oben erläuterten Sinne Sperrdiode) und Sekundärseitendiode D2 (als im oben erläuterten Sinne Gleichrichterdiode).
  • Das Schaltbild 602 der 3B zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Sperrwandlerschaltung 360 des Gleichspannungswandlers 362. Für gleiche oder ähnliche Merkmale oder Merkmale gleicher oder ähnlicher Funktion werden im Folgenden der Einfachheit halber gleiche Bezugszeichen verwendet.
  • 3B zeigt eine leicht abgewandelte Ausführungsform eines Sperrwandlers 316 --als „Flyback-Converter“-- Teil der Sperrwandlerschaltung 360 für einen Gleichspannungswandler 362 der Leistungsschaltungsanordnung 300. Die Ausführungsform des Sperrwandlers 316 ist in einem vereinfachten Schaltbild 602 der Sperrwandlerschaltung 360 dargestellt. Im Folgenden werden für gleiche oder ähnliche Teile oder Teile gleicher oder ähnlicher Funktion der Einfachheit halber gleiche Bezugszeichen verwendet. Diesbezüglich wird auf die vorgehende Beschreibung der 3A verwiesen.
  • Bei beiden in 3A und 3B dargestellten Ausführungsformen ist die auf der Sekundärseite TP2 des Speichertransformators T vorgesehene Sekundärseiten-Diode D2 als Teil des Sperrwandlers 316 in der bereits erläuterten Weise mit ihrer Anodenseite p am Speichertransformator T und mit ihrer Kathodenseite n an einem Gleichspannungsanschluss 306 des Zwischenkreises 200 und dazu des Vorladekondensators +C2 als Ausgangskondensator angeschlossen, d.h. auch hier dem positiven Gleichspannungsanschluss des Vorladekondensators +C2 als Ausgangskondensator angeschlossen; insofern an dem abnehmerseitigen Transformatoranschluss in Reihe verschaltet.
  • Die auf der Primärseite TP1 des Speichertransformators T vorgesehene Primärseiten-Diode D1-1 ist mit ihrer Kathodenseite n am Speichertransformator T und mit ihrer Anodenseite p an einem Gleichspannungsanschluss 302 der Gleichstromversorgungseinheit 366 elektrisch angeschlossen, d.h. hier dem positiven Gleichspannungsanschluss des Versorgungskondensators +C1 als Eingangskondensator angeschlossen; insofern an dem versorgungsseitigen Transformatoranschluss in Reihe verschaltet, also in Reihe zwischen dem Transformatoranschluss und dem positiven Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen. Dies ist bei der in 3A und 3B dargestellten Ausführungsform der Fall.
  • Im Folgenden werden nunmehr vor allem die Unterschiede der Ausführungsform der 3B im Vergleich zur Ausführungsform der 3A beschrieben.
  • Anders als die auf der Primärseite TP1 des Transformators vorgesehene erste Primärseiten-Diode D1-1 ist vorliegend eine weitere, zweite Primärseiten-Diode D1-2 vorgesehen, und zwar an dem zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss P21 realisiert, anstatt oder -wie vorliegend gezeigt- - zusätzlich zu der ersten Primärseitendiode D1-1 in dem versorgungsseitigen Primäranschluss P11.
  • Die zweite Primärseiten-Diode D1-2 ist mit entsprechend umgedreht angeschlossener Anoden- und Kathodenseite p, n realisiert - dies zum Erreichen des gleichen, im vorliegenden Fall die erste Primärseiten-Diode D1-1 unterstützenden Wirkung. D.h. die zweite Primärseiten-Diode D1-2 auf der Primärseite TP1 des Speichertransformators T ist mit ihrer Anodenseite p am Transformator bzw. vorliegend direkt an dem am Transformator steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein 510 (dort Source- oder Drain-Anschluss) und mit ihrer Kathodenseite n an einem negativen Gleichspannungsanschluss 302 der Gleichstromversorgungseinheit 366, d.h. hier konkret auch des negativen Gleichspannungsanschlusses des Versorgungskondensators +C1 als Eingangskondensator angeschlossen; nämlich so dass diese Anodenseite p und Kathodenseite n in Reihe zwischen dem Transformatoranschluss und dem negativen Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen sind.
  • Die Ausführungsform der 3B zeigt einen Stromlaufplan mit einer 2. Diode.
  • Die zweite Primärseiten-Diode D1-2 dient wie die erste Primärseiten-Diode D1-1 dazu, einen Stromfluss auf der Primärseite TP1 zu unterbinden, wenn die während der Sperrphase des Transistors Q1 auftretende rücktransformierte Spannung des Speichertransformator T die Spannung Vs der Gleichstromversorgungseinheit 366 zu überschreiten droht.
  • Dieser Effekt tritt unter Vernachlässigung von Flussspannungen, induktiver und resistiver Spannungsfälle näherungsweise ab einer Ausgangsspannung von N2/N1 * Vs auf; d.h. bei einer Ausgangsspannung, die sich als Produkt des Windungsverhältnisses N'7N1 des Speichertransformators T und der Versorgungsspannung Vs ergibt. Die Versorgungsspannung Vs der Schaltung liegt oftmals im Bereich von 24V.
  • In einem darauf abstellenden Rechenbeispiel wird bei einer Versorgungsspannung von 24V und einem Windungsverhältnis von N2/N1= 5 somit eine Primärseiten-Diode D1 der Ausführungsform der 3A bzw. eine einzelne oder beide Primärseiten-Dioden D1-1, D1-2 der Ausführungsform der 3B ab einer Ausgangsspannung von DC+ - DC- von 120V unerlässlich. Eine Primärseiten-Dioden D1, D1-1, D1-2 sperrt bei unterschreiten einer Rückspannung von (-24V); zwingt also den Transformator sich auf der Sekundärseite TP2 zu entmagnetisieren. Bei kleinerer Rückspannung arbeitet der Transformator auslegungsgemäß.
  • Die Primärseiten-Dioden D1, D1-1, D1-2 arbeiten für einen „positiven“ Stromfluss zum Magnetisieren des Transformators in Durchlassrichtung; d.h. in der Leitendphase des Transistors. Sie sperren gegen eine zu große Rückspannung in der Sperrphase des Transistors.
  • Ein weiteres Betriebsbeispiel für einen Betrieb einer Sperrwandlerschaltung 360 mit einem Sperrwandler 316 kann wie folgt angegeben werden:
    • Arbeitsfrequenz des getaktet schaltbaren, elektronische Schaltbausteins (Takterate):
      • 50-150kHz
        • - Windungszahl N2 der Windungen an der Sekundärseite TP2 des Transformators:
          • 1-10, insbesondere 3-8 vorzugsweise 5
        • - Windungsverhältnis (N2/N1) der Windungszahl (N2) der Windungen an der Sekundärseite (TP2) des Transformators zur Windungszahl (N1) der Windungen an der Primärseite (TP1) des Transformators:
          • 5 oder 1 bis 10, maximal 25
  • Beispiel:
    • - N2/N1=5 mit z.B. N1=2, N2=10
    • - Auslegung der Dioden und MosFETs für 600-700V
    • - Versorgungsspannung Vs =24; ggfs. Spitzen bei ca. 1500V, wenn größere Windungsverhältnisse.
  • 4 zeigt in einem Ablaufschema --mit Bezug auf das Schaltbild der Leistungsschaltungsanordnung 300 der 2 und der Sperrwandlereinheit als Schaltbild 601, 602 der Sperrwandlerschaltung 360 der 3A bzw. 3B-- eine Vorgehensweise für ein bevorzugtes Verfahren zum Anschließen eines Batteriespeichersystems 100 über einen Zwischenkreis 200 an eine Frequenzumrichterschaltung 310 einer Leistungsschaltungsanordnung 300 mit der in 3A und 3B gezeigten Sperrwandlerschaltung 360.
  • In einem ersten Schritt S1 wird dabei eine zuvor erläuterte Leistungsschaltungsanordnung 300 mit der Sperrwandlerschaltung 360 --insbesondere in der Funktion einer SMPS (Switched Mode Power Supply) Topologie, das heißt mit Frequenzumrichterschaltung 310 und Schaltnetzeinrichtung 370-- zur Verfügung gestellt. Das Batteriespeichersystem 100 soll über den Zwischenkreis 200 an die Leistungsschaltungsanordnung 300 angebunden werden.
  • In einem zweiten Schritt S2 wird der Zwischenkreis 200 aufgeladen über den Speichertransformator T des Sperrwandlers 316; nämlich -wie im Schritt S2.1 dargestellt-- durch den erläuterten Vorgang des Ladungspumpens über den versorgungsseitigen ersten Gleichspannungsanschluss 302 vom Primäranschluss P1 über die Primärseiten-Diode D1 bei „geschlossenem“ (Leitendphase) Schaltbetrieb des Leistungstransistors Q1, und dann zum Sekundäranschluss P2 über die Sekundärseiten-Diode D2 bei „offenem“ (Sperrphase) Schaltbetrieb des Leistungstransistors Q1.
  • Dies wird -wie im Schritt S2.1 dargestellt-- mit dem mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbaren, elektronischen Schaltbaustein 510 der elektronischen Schalteinrichtung 500 der Sperrwandlerschaltung 360; nämlich dem MOS-FET-Baustein zum mit der Arbeitsfrequenz wechselnden Betreiben des Transformators T für eine Leitendphase und eine Sperrphase des Schaltbausteins 510 umgesetzt.
  • Die Primärseitendiode und Sekundärseitendiode D1, D2 arbeiten dabei -wie im Schritt S2.2 dargestellt-- bevorzugt im Hochsetzstellerbetrieb. Im Ergebnis kann --wie im Schritt S2.3 dargestellt-- die Ausgangsspannung auf ein beliebiges Niveau gehoben werden jedenfalls auf der Sekundärseite P2 des Speichertransformators T.
  • Im Schritt S3 wird der Zwischenkreis 200 aufgeladen über den abnehmerseitigen zweiten Gleichspannungsanschluss 306.
  • Bei ausreichender Ladung des Zwischenkreises kann in einem vierten Schritt S4 das Batteriespeichersystem 100 an den Zwischenkreis 200 angeschlossen werden.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1000, 1000`
    Stromversorgungseinrichtung
    1110
    Vorladewiederstand
    1120
    Schütz
    100
    Batteriespeichersystem
    200
    Zwischenkreis, insbesondere Gleichspannungszwischenkreis ZK
    230
    Gleichstrom-Umrichteranschluss
    300, 300`
    Leistungsschaltungsanordnung
    302
    versorgungsseitige erster Gleichspannungsanschluss, Sperrwandler-Anschluss
    304
    Wechselstrom-Netztransformatoranschluss
    306
    abnehmerseitiger zweiter Gleichspannungsanschluss, Sperrwandler-Anschluss
    308
    Wechselstrom-Sperrwandleranschluss
    400
    Wechselstromnetz, Dreiphasenwechselstromnetz
    430
    Netzanschluss
    ZK
    Gleichspannungszwischenkreis, Ersatzschaltbild
    ZKc
    Kapazität des Zwischenkreises
    ZKr
    Widerstand des Zwischenkreises
    +C2
    Vorladekondensator
    +C 1
    Versorgungskondensator
    PACK1, PACK2
    Batteriepakete
    L1, L2, L3 und N
    Leiterstränge
    T
    Speichertransformator, getaktet im Arbeitstakt über 500
    TP1, TP2
    Primärseite, Sekundärseite des Speichertransformators T
    P1
    Primäranschluss
    P2
    Sekundäranschluss
    P11, P21, P12, P22
    Gleichstromanschlüsse
    D1, D1-1, D1-2
    Primärseiten-Diode, erste und zweite Primärseiten-Diode
    D2
    Sekundärseiten-Diode
    Ri, i=1..
    diverse Widerstände, Messwiderstände
    Ci, i=1..
    diverse Kapazitäten, Messkapazitäten
    300
    Leistungsschaltungsanordnung,
    310
    Frequenzumrichterschaltung
    312
    Frequenzumrichter
    314
    Netztransformator der Frequenzumrichterschaltung 310
    316
    Sperrwandler
    360
    Wandlerschaltung, insbesondere Sperrwandlerschaltung
    362
    Gleichspannungswandler
    364
    Netz-Umrichter, Schaltnetzgerät
    366
    Gleichstromversorgungseinheit
    366.1, 366.2
    unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit, Steuereinheit und Batterie
    USV
    unterbrechungsfreie Stromversorgung
    368
    Gleichspannungswandlerversorgung
    370
    Schaltnetzeinrichtung
    500
    elektronische Schalteinrichtung, mit Steuerlogikbaustein, CPL-Device
    510
    elektronischer Schaltbaustein
    Q1
    Leistungstransistor, MOS-FET-Baustein
    520
    A/D-Wandler-Einrichtung
    520.1, 520.2, 520.3
    A/D-Wandler; Messwandler
    530
    Steuerlogikbaustein, CPL-Device
    601, 602
    Schaltbilder einer ersten und zweiten Ausführungsform einer Sperrwandlerschaltung 360
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010094547 A1 [0012, 0017]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/smps.html [0008]
    • http://schmidt-walterschaltnetzteile.de/smps/spw_hilfe.html [0009]
    • http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/spw_hilfe.html [0164]

Claims (17)

  1. Wandlerschaltung (360), insbesondere Sperrwandlerschaltung, zum Vorladen eines Zwischenkreises (200), insbesondere für einen Gleichspannungswandler (362) zum Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises (ZK), wobei die Wandlerschaltung (360) einen Wandler hat, insbesondere die Sperrwandlerschaltung einen Sperrwandler (316) hat, und der Wandler aufweist: - einen Transformator, insbesondere Speichertransformator (T), - einen zur gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite (TP1) des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein (510), der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist, - eine auf einer Sekundärseite (TP2) des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode (D2), und gekennzeichnet durch - eine auf der Primärseite (TP1) des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode (D1).
  2. Wandlerschaltung (360) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltbaustein (510) ein Leistungstransistor (Q1) ist, insbesondere ein mit einem MOS-FET-Baustein gebildeter Leistungstransistor (Q1) ist.
  3. Wandlerschaltung (360) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine elektronische Schalteinrichtung (500) umfassend den elektronischen Schaltbaustein (510) und einen Steuerlogikbaustein (530) zur Steuerung des elektronischen Schaltbausteins (510) und eine an den Steuerlogikbaustein (530) angeschlossene A/D-Wandlereinrichtung (520).
  4. Wandlerschaltung (360) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerlogikbaustein (530) als eine programmierbare logische Schaltung mit einem Komplex-Programmierbaren-Baustein (CPL-Device) gebildet ist.
  5. Wandlerschaltung (360) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die A/D-Wandlereinrichtung (520) wenigstens einen mit dem elektronischen Schaltbaustein (510) und dem Steuerlogikbaustein (530) signalverbundenen A/D-Wandler (520.1) aufweist.
  6. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass - der Steuerlogikbaustein (530) am Gate des elektronischen Schaltbausteins (510), insbesondere des MOS-FET-Bausteins, steuernd angeschlossen ist, und/oder - der zweite Primäranschluss (P21) des Transformators an Drain oder Source des elektronischen Schaltbausteins (510), insbesondere des MOS-FET-Bausteins, angeschlossen ist.
  7. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Primärseite (TP1) des Transformators steuernd angeschlossene, mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbare, elektronische Schaltbaustein (510) zum mit der Arbeitsfrequenz wechselnden Betreiben des Transformators (T) für eine Leitendphase und eine Sperrphase des Schaltbausteins (510) ausgebildet ist, insbesondere eine Leitendphase und eine Sperrphase des Wandlers ausgebildet ist, vorzugsweise Sperrwandlers (316), ausgebildet ist.
  8. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schalteinrichtung (500) ausgebildet ist, die Wandlerschaltung, vorzugsweise Sperrwandlerschaltung, - im stromlückenden Betrieb zu betreiben, insbesondere ein Strom dreieckförmig ist und/oder zwischen zwei Schaltzyklen praktisch auf null zurückgeht, - als auch im nicht-stromlückenden Betrieb zu betreiben, insbesondere ein Strom dreieckförmig ist und/oder zwischen zwei Schaltzyklen ein Gleichstromanteil ungleich null verbleibt.
  9. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die auf der Sekundärseite (TP2) des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode (D2) mit ihrer Anodenseite (p) am Transformator und/oder mit ihrer Kathodenseite (n) an einem Gleichspannungsanschluss (306) des Zwischenkreises (200) und/oder Vorladekondensators (+C2) als Ausgangskondensator angeschlossen ist.
  10. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass - die auf der Primärseite (TP1) des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode (D1) mit ihrer Kathodenseite (n) am Transformator und mit ihrer Anodenseite (p) an einem positiven Gleichspannungsanschluss (302) der Gleichstromversorgungseinheit (366) und/oder Versorgungskondensators (+C1) als Eingangskondensator angeschlossen ist, insbesondere so dass diese in Reihe zwischen dem Transformator-Anschluss und dem positiven Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen sind, und/oder - die auf der Primärseite (TP1) des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode (D1) mit ihrer Anodenseite (p) am Transformator bzw. an dem am Transformator steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein und mit ihrer Kathodenseite (n) an einem negativen Gleichspannungsanschluss (302) der Gleichstromversorgungseinheit (366) und/oder Versorgungskondensators (+C1) als Eingangskondensator angeschlossen ist, insbesondere so dass diese in Reihe zwischen dem Transformatoranschluss bzw. Schaltbausteinanschluss und dem negativen Gleichspannungsanschluss elektrisch angeschlossen sind.
  11. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Primärseiten-Diode (D1) für einen Stromfluss vom Transformator zum ersten Gleichspannungsanschluss (302) in Sperrrichtung angeschlossen ist, insbesondere in Reihe geschaltet ist, und/oder - die Sekundärseiten-Diode (D2) für einen Stromfluss vom Transformator zum zweiten Gleichspannungsanschluss (306) in Durchlassrichtung angeschlossen ist, insbesondere in Reihe geschaltet ist.
  12. Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Windungsverhältnis (N2/N1) der Windungszahl (N2) der Windungen an der Sekundärseite (TP2) des Transformators zur Windungszahl (N1) der Windungen an der Primärseite (TP1) des Transformators bei höchstens 25, insbesondere zwischen 1 und 10, insbesondere zwischen 2 und 5 liegt.
  13. Gleichspannungswandler (362) für eine Gleichspannungsverbindung, insbesondere Hochsetzsteller, insbesondere zur Vorladung eines Zwischenkreises (200), mit einer Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch - einen ersten Gleichspannungsanschluss (302) mit dem der Transformator mit dem versorgungsseitigen Primäranschluss (P1) über die Primärseiten-Diode (D1) an eine Gleichstromversorgungseinheit (366) oder einen Versorgungskondensator (+C1) anschließbar ist, und - einen zweiten Gleichspannungsanschluss (306) mit dem der Transformator mit dem abnehmerseitigen Sekundäranschluss (P2) über die Sekundärseiten-Diode (D2) an einen Zwischenkreis (200) oder einen Vorladekondensator (+C2) anschließbar ist.
  14. Gleichspannungswandler (362) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass - der Transformator mit einem ersten versorgungsseitigen Primäranschluss (P11) über die Primärseiten-Diode (D1) an die Gleichstromversorgungseinheit (366) angeschlossen ist, und/oder - der Transformator mit einem zweiten versorgungsseitigen Primäranschluss (P21) über die elektronische Schalteinrichtung (500) an die Gleichstromversorgungseinheit (366) oder einen Versorgungskondensator (+C1) angeschlossen ist, und/oder - der Transformator mit einem ersten und/oder zweiten abnehmerseitigen Sekundäranschluss (P12, P22) über die Sekundärseiten-Diode (D2) an den Zwischenkreis (200) oder an den Vorladekondensator (+C2) angeschlossen ist.
  15. Gleichspannungswandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schalteinrichtung (500) - über die A/D-Wandlereinrichtung (520), insbesondere einen zweiten A/D-Wandler (520.2), für eine Steuervorgabe mit einer Steuer- und/oder Messschnittstelle (306.1) eines Abnehmers verbunden ist, und - über die A/D-Wandlereinrichtung (520), insbesondere einen dritten A/D-Wandler (520.3), für eine Steuervorgabe mit einer Steuer- und/oder Messschnittstelle (306.2) des Zwischenkreises (ZK) oder dem Vorladekondensator (+C2) verbunden ist.
  16. Stromversorgungseinrichtung (1000), aufweisend: - eine Gleichstrom-Lasteinheit, insbesondere ein Batteriespeichersystem (100) mit einer Anzahl von Batteriepaketen - einen Zwischenkreis (200), insbesondere Gleichstromzwischenkreis (ZK), - eine Leistungsschaltungsanordnung (300) mit einem Gleichspannungswandler (362) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, sowie weiter aufweisend: - einen Netzanschluss (430, 304, 308), insbesondere einen Dreiphasen-Netzanschluss, zu einem Wechselstromnetz (400) wobei - die Leistungsschaltungsanordnung (300) über den Gleichspannungsanschluss (230, 306) des Gleichspannungswandlers (362) an den Zwischenkreis anschließbar ist, und über den Netzanschluss (430, 304, 308) an das Wechselstromnetz anschließbar ist, und wobei - die Leistungsschaltungsanordnung (300) ausgebildet ist, mittels des Gleichspannungswandlers (362) das Batteriespeichersystem (100) über den Zwischenkreis an das Wechselstromnetz anzuschließen.
  17. Verfahren bei dem ein Zwischenkreis vorgeladen wird, insbesondere bei dem ein Gleichspannungszwischenkreis (200) vorgeladen wird, mittels einer Wandlerschaltung (360) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, insbesondere mittels einem Gleichspannungswandler (362) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, nämlich wobei die Wandlerschaltung (360) einen Wandler hat, insbesondere die Sperrwandlerschaltung einen Sperrwandler (316) hat, und der Wandler aufweist: - einen Transformator, insbesondere Speichertransformator (T) - einen zur gesteuerten Bestromung des Transformators auf einer Primärseite (TP1) des Transformators steuernd angeschlossenen elektronischen Schaltbaustein (510), der mit einer Arbeitsfrequenz getaktet schaltbar ist, - eine auf einer Sekundärseite (TP2) des Transformators vorgesehene Sekundärseiten-Diode (D2), und der Wandler gekennzeichnet ist durch - eine auf der Primärseite (TP1) des Transformators vorgesehene Primärseiten-Diode (D1), insbesondere wobei des Weiteren in dem Verfahren ein Batteriespeichersystem (100) über den Zwischenkreis (200) an eine Leistungsschaltungsanordnung (300) angebunden wird.
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