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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Warmwassererzeuger bekannt. Diese dienen dazu, Trink- oder Brauchwasser auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen und über einen integrierten Vorratsbehälter eine gewisse Menge Warmwasser bereitzuhalten. Warmwassererzeuger können im Rahmen einer Gebäudeinstallation sowohl zentral für das gesamte Gebäude als auch lokal für einzelne Entnahmestellen installiert werden. Typischerweise werden Warmwassererzeuger elektrisch betrieben, wobei ein aus dem Stromnetz gespeister Heizwiderstand zum Erwärmen des Warmwassers herangezogen wird.
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In der
DE 10 2020 102 532 A1 wird eine Schaltungsvorrichtung zur Versorgung eines Warmwassererzeugers aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere einer Solarzelle oder eines Windrads, beschrieben, bei der Ausgangsanschlüsse der Energiequelle mit einer Anpassungsschaltung verbunden sind, deren Ausgangsstromkreis durch einen Heizwiderstand des Warmwassererzeugers geführt ist, wobei die Anpassungsschaltung über eine Steuerschaltung so angesteuert ist, dass der Stromfluss durch den Heizwiderstand einer vorgegebenen Leistungsabgabe an den Heizwiderstand entspricht und dass alternativ oder zusätzlich ein Betrieb des Warmwassererzeugers über eine Netzversorgung durchführbar ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik haben sich die Erfinderin bzw. der Erfinder nun die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsvorrichtung zur Versorgung aus einer regenerativen Energiequelle zu schaffen, bei der eine Parallelschaltung von Energiequellen während des Betriebs sowie eine separierte, gleichzeitige Versorgung mehrerer Verbraucher erfolgen kann, ohne dabei bereits bestehende elektrische Verbindungen ändern zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Schaltungsvorrichtung geschaffen, bei der eingangsseitig bis zu vier regenerative Energiequellen, insbesondere PV-Module, und als Verbraucher ausgangsseitig bis zu drei elektrische Lasten angebunden sind, wobei mittels gezieltem Öffnen und Schließen von Schaltern, die Energiequellen in variabler Konfiguration auf die Ausgänge geschaltet werden können, um eine Parallelschaltung der Energiequellen während des Betriebs oder eine separierte, gleichzeitige Versorgung mehrerer Lasten zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung kann zum Energiemanagement oder Überschussmanagement verwendet werden, indem Energie aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere aus einer Photovoltaikanlage, zur Versorgung beispielsweise eines Warmwassererzeugers als erste elektrische Last verwendet werden kann, wobei nicht vom Warmwassererzeuger genutzte Energie einem weiteren Verbraucher beispielsweise in Form eines Akkumulators als zweite elektrische Last oder dem Stromnetz über einen Wechselrichter als dritte elektrische Last zugeführt werden kann. Über den Einsatz von Schaltern können die PV-Module in variabler Konfiguration auf die Systemausgänge geschaltet werden. Dies ermöglicht eine Parallelschaltung von PV-Modulen während des Betriebs sowie eine separierte, gleichzeitige Versorgung mehrerer Verbraucher.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden eingangsseitig über Schalter bis zu vier 60-, bzw. 72- zellige PV-Module als Energiequellen (angeschlossen, welche bis zu drei elektrische Lasten als Verbraucher, vorzugsweise in Form von einem Warmwassererzeuger, einem Akkumulator oder einem Wechselrichter zur Einspeisung in das Stromnetz, an den Ausgängen versorgen.
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Demnach wird die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung als Energiemanagementsystem bei der Energieerzeugung, der Energieverteilung und der Energieaufnahme eingesetzt. Die Dimensionierung der Photovoltaikanlage entspricht dabei einem sogenannten Balkonkraftwerk. Bevorzugt wird die von der Photovoltaikanlage erzeugte Energie im Warmwassererzeuger gespeichert. Falls eine Abnahme von elektrischer Energie durch den Warmwassererzeuger nicht möglich sein sollte, kann beispielsweise der Akkumulator aufgeladen werden. Falls dieser ebenfalls keine elektrische Energie abnehmen kann, folgt eine Einspeisung in das Stromnetz.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung basiert das gezielte Öffnen und Schließen von Schaltern auf einer Priorisierung der Ausgänge sowie in Abhängigkeit der eingehenden Leistung der PV-Module, wobei bei Erzeugung von mehr Leistung als eine elektrische Last aufnehmen kann, ein PV-Modul auf den nächst-prioren Ausgang umgeschaltet wird.
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Auf diese Weise erfolgt eine Vorgabe, wie die Leistung der PV-Module auf die unterschiedlichen Ausgänge verteilt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind ein Anschluss eines ersten Photovoltaikmoduls als Energiequelle über eine erste Leitung mit einem ersten Ausgang verbunden, ein Anschluss eines zweiten Photovoltaikmoduls als Energiequelle über eine zweite Leitung mit einem zweiten Ausgang und ein Anschluss eines dritten Photovoltaikmoduls als Energiequelle über eine dritte Leitung mit einem dritten Ausgang verbunden, wobei ein Anschluss eines vierten Photovoltaikmoduls als Energiequelle über eine vierte Leitung an einen ersten Schalter, dessen anderer Anschluss mit der zweiten Leitung verbunden ist, und an einen vierten Schalter angeschlossen ist, dessen anderer Anschluss mit der ersten Leitung verbunden ist, wobei die dritte Leitung mit der zweiten Leitung über einen zweiten Schalter und die zweite Leitung mit der ersten Leitung über einen dritten Schalter verbunden ist.
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Auf diese Weise ist eine flexible Umleitung der Photovoltaikmodule als Eingänge der Schaltungsvorrichtung auf die verschiedenen Ausgänge möglich. Neben der variablen Parallelschaltung von PV-Modulen dient diese Anbindung der gezielten Umleitung der Eingänge auf die Ausgänge.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die weiteren Anschlüsse der Photovoltaikmodule direkt oder über einen Verpolschutz mit Masse verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die weiteren Anschlüsse der Ausgänge zum Anschluss mit den elektrischen Lasten über weitere Schalter jeweils mit Masse verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die positiven Versorgungsspannungen der PV-Module über jeweils zwei N-Kanal Leistungs-MOSFETs zusammengeschaltet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind für die Gate-Anschlüsse der Leistungs-MOSFETs eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die eine eingehende PV-Spannung über eine Ladungspumpe mit einem PWM-Signal erhöht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die erhöhte Spannung mittels einer Zener-Diode limitiert, um eine Überspannung zwischen dem Gate- und Source-Anschluss und einen resultierenden Durchbruch zu verhindern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Gate der Leistungs-MOSFETs über eine Gegentaktendstufe angesteuert, wobei die Gegentaktendstufe wird über einen Logik-MOSFET geschaltet wird.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung oder eines Teils davon,
- 2 eine zweite schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung oder eines Teils davon,
- 3 eine dritte schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung oder eines Teils davon,
- 4 eine vierte schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung oder eines Teils davon, und
- 5 eine fünfte schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung oder eines Teils davon,
- 6 eine sechste schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung oder eines Teils davon, und
- 7 eine Ansicht eines Diagramms aus einem Simulationsprogram.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 näher erläutert. Die Schaltungsvorrichtung 2 dient zum Energiemanagement oder Überschussmanagement von elektrischer Energie und wird nachfolgend in Zusammenhang mit einer Photovoltaikanlage beschrieben. An sich kann die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung aber auch in Zusammenhang mit anderen regenerativen Energiequellen, wie z.B. einem Windrad, verwendet werden.
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Über die Schaltungsvorrichtung 2 können eingangsseitig bis zu vier 60- oder 72-zellige PV-Module PV1 bis PV4 angeschlossen werden. Als Verbraucher der Energie werden ausgangsseitig bis zu drei elektrische Lasten L1 bis L3 angebunden. Hierbei kann es sich um einen Warmwasserspeicher L1, einen Akkumulator Schaltungsvorrichtung L2 oder einen Wechselrichter L3 handeln.
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Über den Einsatz von Schaltern, wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird, können die PV-Module PV1 bis PV4 in variabler Konfiguration auf die Systemausgänge geschaltet werden. Dies ermöglicht eine Parallelschaltung von den PV-Modulen PV1 bis PV4 während des Betriebs sowie eine separierte, gleichzeitige Versorgung mehrerer Verbraucher bzw. elektrischer Lasten L1 bis L3. Wird mehr Leistung von den PV-Modulen PV1 bis PV4 erzeugt, als beispielsweise die elektrische Last L1 aufnehmen kann, wird ein PV-Modul auf die nächste Last L2 umgeschaltet. Das Schaltverhalten kann dabei auf der Priorisierung der Ausgänge der elektrischen Lasten L1 bis L3 basieren. Erfindungsgemäß können die PV-Module PV1 bis PV4 in variabler Konfiguration geschaltet werden, sodass während des Betriebs eine separierte, gleichzeitige Versorgung mehrerer Verbraucher möglich ist.
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Ein beispielhafter Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung 2 ist in 2 dargestellt.
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Man erkennt, dass ein Anschluss des ersten Photovoltaikmoduls PV1 über eine Leitung 6 mit einem ersten Ausgang O1 verbunden ist. Des Weiteren sind ein Anschluss des zweiten Photovoltaikmoduls PV2 über eine Leitung 8 mit einem zweiten Ausgang O2 und ein Anschluss des dritten Photovoltaikmoduls PV3 über eine Leitung 10 mit einem dritten Ausgang O3 verbunden. Ein Anschluss des vierten Photovoltaikmoduls PV4 ist über eine Leitung 12 an einen Schalter SWI1, dessen anderer Anschluss mit der Leitung 10 verbunden ist, und an einen Schalter SWI4 angeschlossen, dessen anderer Anschluss mit der Leitung 6 verbunden ist. Des Weiteren sind die Leitung 10 mit der Leitung 8 über den Schalter SWI2 und die Leitung 8 mit der Leitung 6 über den Schalter SWI3 verbunden.
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Die anderen Anschlüsse der Photovoltaikmodule PV1 bis PV4 können direkt oder, wie in 2 gezeigt, über einen Verpolschutz 4 mit Masse verbunden sein.
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Die Ausgänge O1 bis 03 können, wie oben unter Bezugnahme auf 1 gezeigt wurde, mit den elektrischen Lasten L1 bis L3 verbunden werden. Dazu sind die anderen Anschlüsse der Ausgänge O1 bis 03 über die Schalter SWO1, SWO2 und SWO3 jeweils mit Masse verbunden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3A bis 3F eine beispielhafte Konfiguration der Auswahl der Schalterstellungen gezeigt, welche im Betrieb mit zwei Photovoltaikmodulen und zwei Verbrauchern realisiert werden können. In diesem Beispiel werden die Ausgänge O2 und O3 mit jeweils einem PV-Modul versorgt, wobei diese in verschiedenen Arten angeschlossen werden können. Die Zuordnung der Bezugszeichen der verwendeten Schalter folgt dabei der Darstellung in 2, wurde jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3A bis 3F nicht dargestellt.
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In 3A ist das Modul PV2 dem Ausgang O2 zugeordnet. Das Modul PV1 wird über die geschlossenen Schalter SWI4 und SWI1 dem Ausgang O3 zugeordnet. Die Schalter SWI2 und SWI3 sind geöffnet. Die weiteren Schalter SWO2 und SWO3 sind ebenfalls geschlossen, sodass ein geschlossener Stromkreis entstehen kann. Der weitere Schalter SWO1 ist geöffnet, da am zugehörigen Ausgang O1 keine Verbraucher anliegt.
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In 3B ist das Modul PV3 dem Ausgang O3 zugeordnet. Das Modul PV1 wird über den geschlossenen Schalter SWI3 dem Ausgang O2 zugeordnet. Die Schalter SWI1, SWI2 und SWI4 sind geöffnet Die Schalter SWO2 und SWO3 sind geschlossen, der Schalter SWO1 ist geöffnet.
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In 3C ist das Modul PV1 über den geschlossenen Schalter SWI3 dem Ausgang O2 zugeordnet. Das Modul PV4 wird über den geschlossenen Schalter SWI1 dem Ausgang O3 zugeordnet. Die Schalter SWI2 und SWI4 sind geöffnet. Die Schalter SWO2 und SWO3 sind geschlossen, der Schalter SWO1 ist geöffnet.
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In 3D ist das Modul PV3 dem Ausgang O3 zugeordnet. Das Modul PV3 dem Ausgang O3 zugeordnet. Das Modul PV2 dem Ausgang O2 zugeordnet. Die Schalter SWI1, SWI2, SWI3 und SWI4 sind geöffnet Die Schalter SWO2 und SWO3 sind geschlossen, der Schalter SWO1 ist geöffnet.
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In 3E ist das Modul PV2 dem Ausgang O2 zugeordnet. Das Modul PV4 wird über den geschlossenen Schalter SWI1 dem Ausgang O3 zugeordnet. Die Schalter SWI2, SWI3 und SWI4 sind geöffnet. Die Schalter SWO2 und SWO3 sind geschlossen, der Schalter SWO1 ist geöffnet.
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In 3F ist das Modul PV3 dem Ausgang O3 zugeordnet. Das Modul PV1 wird über die geschlossenen Schalter SWI4 und SWI3 dem Ausgang O2 zugeordnet. Die Schalter SWI1 und SWI2 sind geöffnet. Die Schalter SWO2 und SWO3 sind geschlossen, der Schalter SWO1 ist geöffnet.
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Neben der in den 3A bis 3F gezeigten gezielten Umleitung der PV Module auf vorgegebene Ausgänge können die Schalter auch zur variablen Parallelschaltung von PV Modulen dienen.
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Das Parallelschalten der eingangsseitigen PV-Module erfolgt über den in der 4 dargestellten Aufbau. Hierbei werden die positiven Versorgungsspannungen der PV-Module über N-Kanal MOSFETs zusammengeschaltet. Unter Berücksichtigung der Body Diode werden jeweils zwei N-Kanal MOSFETs in Serie geschaltet. Dies ist notwendig, um einen Störstrom im geschlossenen Schalterzustand über die Body Diode zu verhindern, falls beispielsweise eines der benachbarten PV-Module nicht angeschlossen ist, oder eine niedrigere Spannung aufweist.
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Für das Gate der Leistungs-MOSFETs der Schalter SWI1 bis SWI4 sind entsprechende Ansteuerschaltungen vorgesehen, welche nachfolgend in verschiedenen Ausführungsformen kurz erläutert werden.
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Eine Ausführungsform der Ansteuerschaltung 14 zur Generierung der Steuerspannung des Gates ist in der 5 gezeigt. Hierfür wird der Kondensator C1 zyklisch auf die PV-Spannung V+ geladen, wobei im nächsten Schritt die Spannung an C1 durch Schließen des Schalters M11 mit einem PWM-Signal auf die doppelte PV-Spannung angehoben wird. Durch die Diode D2 wird der Kondensator C2 auf diese doppelte PV-Modul Spannung geladen, wobei dieser Ladeprozess eine gewisse Ladedauer voraussetzt. Die angehobene Spannung wird an das Gate GATE des zu schaltenden PV-Eingangs angelegt, wobei eine Zener-Diode D3 die Steuerspannung limitiert (auf hier 12 Volt) und so einen Gate-Source Durchbruch verhindert. Durch Ansteuerung des Logik-MOSFETs M13 kann die Gate-Spannung der Leistungs-MOSFETs auf das Massepotential gezogen werden, wodurch diese öffnen und die Parallelschaltung der PV-Module aufgehoben wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Ansteuerschaltung 14 zur Generierung der Steuerspannung des Gates ist in der 6 gezeigt. Die positiven Versorgungsspannungen der PV-Module werden über antiserielle N-Kanal-MOSFETs über diskret aufgebaute Gate-Treiber mit Ladungspumpen zusammengeschaltet.
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Bei diesem Prinzip wird im ersten Schritt der Kondensator C15 über die Diode D4 bei geschlossenem Schalter Q12 auf die Versorgungsspannung V+ geladen. Darauffolgend wird der Schalter Q12 geöffnet, wodurch am negativen Potential des Kondensators C15 nun die Versorgungsspannung V+ anliegt. Da der Kondensator vorab auf die Versorgungsspannung geladen wurde, liegt nun an seinem positiven Potential die doppelte Betriebsspannung an. Diese wird genutzt, um einen zweiten Kondensator C19 über die Diode D8 zu laden. Die Dioden sorgen im Aufbau für das einseitige Laden der Kondensatoren und verhindern einen Rückstrom.
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Beim Ladevorgang des Kondensators C19 wird der Kondensator C15 entladen, weshalb dieser periodisch nachgeladen werden muss. Hierfür wird ein PWM-Signal zur Steuerung des Schalters Q12 eingesetzt, um den Kondensator C15 zyklisch zu beladen und die doppelte Betriebsspannung am Kondensator C19 zu erzeugen. Die verdoppelte Betriebsspannung wird genutzt, um das Gate G1 bis G4 (siehe 4) der Leistungs-MOSFETs zu versorgen, welche über die Gegentaktendstufe bestehend aus dem N-Kanal-MOSFET Q19 und P-Kanal-MOSFET Q20 angesteuert werden. Durch den Einsatz einer Gegentaktendstufe werden höhere Treiberströme erreicht, wodurch die Leistungs-MOSFETs schneller schalten.
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Die Gegentaktendstufe wird über den Logik-MOSFET Q16 geschaltet. Befindet sich dieser im offenen Schaltzustand, liegt am Gate der Gegentaktendstufe die erhöhte Betriebsspannung an, wobei diese mithilfe einer Zener-Diode Z auf 15 V über den Wert der Versorgungsspannung V+ limitiert wird. Liegt eine positive Spannung am Gate der Gegentaktendstufe an, schaltet der zugehörige N-Kanal-MOSFET Q19, wodurch am Gate der Leistungs-MOSFETs die erhöhte Betriebsspannung reduziert um die spezifische Schwellenspannung des Logik-MOSFETs anliegt und die Leistungs-MOSFETs schalten. Ist der Schalter Q16 hingegen im geschlossenen Schaltzustand, liegt am Gate der Gegentaktschaltung das Massepotential an, wodurch das Gate der Leistungs-MOSFETs über den P-Kanal- MOSFET Q20 entladen wird und die Leistungs-MOSFETs öffnen.
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Wie in der vorherigen Implementierung der 5 wird gemäß 6 die eingehende PV-Spannung V+ über eine Bootstrapping-Schaltung mit einem PWM-Signal verdoppelt. Die erhöhte Spannung wird mithilfe einer Zener-Diode limitiert, um eine Überspannung zwischen dem Gate- und Source-Anschluss und einen resultierenden Durchbruch zu verhindern.
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Bei dieser Erweiterung wird zum schnelleren Umschalten der MOSFET-Leistungsschalter eine diskrete Treiberschaltung mit einer Gegentaktstufe bestehend aus einem N-Kanal und P-Kanal MOSFET eingesetzt. Die Treiberstufe wird über einen N-Kanal MOSFET gesteuert. Der Stromfluss wird über einen Vorwiderstand limitiert, wobei optional über eine Dioden-Konfiguration ein schnelleres Laden oder Entladen erreicht wird.
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Der Ablauf der Spannungserhöhung ist in 7 gezeigt. Die PV-Modul Spannung, hier mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet, wird durch Einsatz des PWM Signals, hier mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet, um auf eine z.B. 12 oder 15 Volt höhere Spannung angehoben, um das Gate der MOSFETs anzusteuern, hier mit dem Bezugszeichen 20 dargestellt.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020102532 A1 [0003]
