DE19750041C1 - Halbleitersteller zur Erzeugung einer konstanten Ausgleichspannung U¶a¶ ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler oder gleichgerichteter Eingangsgleichspannung U¶e¶ - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersteller zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung oder gleichgerichteter Wechselspannung U_e, mit mindestens einer Schaltungsanordnung mit mindestens einem Eingangshochsetzsteller mit einer Kommutierungsgruppe, einer Brückenanordnung und einem Transformator mit Ausgangsgleichrichter zwischen einer Eingangsinduktivität und einem Ausgangskondensator.

Hochsetzsteller für hohe Eingangsspannungen mit galvanischer Trennung sind bekannt. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 94 03 447.8 ist auf Seite 6 Zeile 32 bis Seite 7 Zeile 12 ein Ladegerät für ein Elektrofahrzeug beschrieben. Da die Energieversorgungsunternehmen mehr und mehr netzfreundliche Verbraucher mit geringem Blind- und Verzerrungsleistungsbedarf fordern, kann danach einem Wechselstromnetz nur mit einem Hochsetzsteller ein weitgehend sinusförmiger oberschwingungsarmer Strom mit cos ϕ = 1 entnommen werden. Der Hochsetzsteller des Ladegeräts, nur der ist hier von Interesse, sorgt dann dafür, daß die Spannung an einem Zwischenkreiskondensator immer größer ist als der Scheitelwert der Netzspannung. Der Wechselrichter erzeugt aus dieser Gleichspannung eine hochfrequente rechteckförmige Wechselspannung, deren Amplitude halb so groß ist, wie die Spannung am Zwischenkreiskondensator. Somit ist der für diese hochfrequente Rechteckspannung dimensionierte Transformator weitaus kleiner und leichter als ein entsprechender 50 Hertz Transformator.

Dem Gebrauchsmuster G 94 03 447.8 ist weiter eine Energieversorgungs­ einrichtung für Reisezugwagen zu entnehmen, deren Einbaumasse relativ niedrig mit verbessertem Leistungsfaktor ist und an Gleich- und Wechsel­ spannung betrieben werden kann. Dies wird danach dadurch erreicht, daß die Energieversorgungseinrichtung für Reisezugwagen aus einem Eingangssteller mit Zwischenkreisfilter und einem Wechselrichter mit nachgeschaltetem Transformator besteht, wobei als Eingangssteller ein Hochsetzsteller verwendet wird und dieser Hochsetzsteller und der Wechselrichter jeweils als Stromrichterventile schnellschaltende, abschaltbare Leistungshalbleiter aufweisen. Durch diesen netzfreundlichen Hochsetzsteller der direkt mit der Eingangsspannung, z. B. einer Sammelschienenspannung verbunden ist, wird am Spannungszwischenkreis eine geregelte Gleichspannung erzeugt, die in ihrem Wert höher als der Scheitelwert der Eingangsspannung ist. Mit dem Hochsetzsteller wird neben der Verbesserung der Netzfreundlichkeit für den Wechselrichter eine stabilisierte Gleichspannung zur Verfügung gestellt, so daß hier keine weiteren Regeleingriffe erforderlich sind. Der Wechselrichter kann wegen des Betriebs an konstanter Spannung wesentlich wirtschaftlicher dimensioniert werden als bei einem Stand der Technik, bei dem der Wechselrichter unmittelbar an der schwankenden Eingangsspannung betrieben wird. Damit wird der Mehraufwand für den Eingangssteller kompensiert. Hierdurch, also durch das zentrale Energieversorgungssystem, reduziert sich dessen Einbaumasse bei verbessertem Leistungsfaktor und kann an Gleich- oder Wechselspannung der internationalen Bahnnetze betrieben werden. Auch der Wirkungsgrad verbessert sich, so daß eine wirtschaftliche, kompakte, zentrale Energieversorgungseinrichtung für Reisezugwagen zu erhalten ist.

Bei einer weiteren Energieversorgungseinrichtung des Gebrauchsmusters G 94 03 447.8, die aus mehreren entsprechenden Energieversorgungs­ einrichtungen besteht, die eingangsseitig elektrisch in Reihe und ausgangs­ seitig elektrisch parallel geschaltet sind, ergibt sich der Vorteil, daß die für die Versorgung von Reisezugwagen übliche hohe Eingangsspannung auf mehrere, spannungsmäßig entsprechend geringer beanspruchte Teilschaltungen aufgeteilt werden kann und die Netzfreundlichkeit durch Summierung der Pulsfrequenzen der eingangsseitigen Hochsetzsteller weiter verbessert werden kann. Eine Mehrfachreihenschaltung der Hochsetzsteller ermöglicht bei versetzter Taktung eine Vervielfachung der wirksamen Arbeitsfrequenz der Hochsetzsteller, wodurch es möglich wird, bis zu hohen Frequenzen aktive Ströme auf der Netzseite zu beeinflußen bzw. zu unterdrücken. Insbesondere können dadurch für bestimmte Frequenzen bzw. Frequenzbereiche hohe Eingangsimpedanzen ohne die bisher erforderlichen großen, schweren, passiven Komponenten realisiert werden. Dieses Prinzip der modularen Mehrfachreihenschaltung von Hochsetzstellern mit Wechselrichtern führt bei eingangsseitiger Parallelschaltung zu einer inherrent weitgehend symmetrischen Last- und Spannungsaufteilung auf der Eingangsseite. Wird ferner eine Umschalteinrichtung vorgesehen, mit der die Energieversorgungseinrichtungen eingangsseitig in Reihe oder parallel und ausgangsseitig parallel geschaltet werden kann, dann ergibt dies den Vorteil, daß bei ähnlich installierter Leistung der Teilschaltungen und unter Beibehaltung der summarischen Ausgangsleistung eine Anpassung an die unterschiedlichen Gleich- und Wechselspannungen der internationalen Bahnnetze und deren Toleranzen mit Spannungen ohne großen Mehraufwand möglich ist.

Derartige Schaltungsanordnungen dienen somit dazu, aus einer variablen Eingangsspannung letztlich eine konstante, galvanisch freie Zwischenkreis­ geichspannung und Ausgangsgleichspannung U_a bereitzustellen, also ohne galvanische Kopplung. Der Eingangsstrom wird dabei derart beeinflußt, daß er der Eingangsspannungsform folgt (PFC = Power Factor Correction).

Das PFC Verfahren zur Bereitstellung einer konstanten Ausgangsgleich­ spannung U_a bei verzerrungsfreiem Eingangsstrom I_e hat in den letzten Jahren eine breite Markteinführung erfahren. Eine typische entsprechende Schaltungsanordnung weist im Fall eines vorhandenen Wechselstromnetzes eingangsseitig einen Netzgleichrichter auf, dem ausgangsseitig an seinem Pluspol eine Induktivität und eine Freilaufdiode und zwischen diesen und dem negativen Pol des Netzgleichrichters ein abschaltbarer Leistungshalbleiter nachgeordnet ist sowie einen Ausgangskondensator, der der Freilaufdiode nachgeordnet ist und ebenfalls mit dem negativen Pol der Gleichspannung verbunden ist. Die Ausgangsgleichspannung U_a wird dann über dem Ausgangskondensator abgegriffen, wobei der abschaltbare Leistungshalbleiter, die Freilaufdiode und der Kondensator eine Kommutierungsgruppe bilden. Werden mehrere Kommutierungsgruppen in Reihe mit einer gemeinsamen Induktivität geschaltet, so fließt ein gemeinsamer Drosselstrom durch jede der dadurch gebildeten Kommutierungsgruppen. Bei versetzter Taktung ist die Maximalspannung je Halbleiter gleich der Spannung am Zwischenkreiskondensator dieser Kommutierungsgruppe. Hierdurch ist eine Reihenschaltung möglich, ohne ein synchrones exakt gleichzeitiges Halten und Takten der Leistungshalbleiter sicherstellen zu müssen. Bei m Kommutierungsgruppen in Reihe ist die Rippelfrequenz des Drosselstromes somit m mal größer als die Taktgrundfrequenz fg. Dies ist bei einer Reihenschaltung der Leistungs­ halbleiterschalter deshalb erforderlich, da diese nur durch versetzte Taktung und die Kondensatoren in der Lage sind die Spannung U_e aufzuteilen. Es sind Verfahren bekannt, die regelungstechnisch oder durch transformatorische Ankopplung an eine konstante Spannung sicherstellen, daß die Spannungen U₁ bis U_m einen Maximalwert nicht überschreiten.

Im Fall eines symmetrischen n×3-Phasenspannungssystem kann vorteilhaft zur galvanischen Trennung und zur Spannungsanpassung ein 3×n-Phasen­ transformator verwendet werden. Die Gesamttransformatorbauleistung wird damit gegenüber der Verwendung von n×3-Einzeltransformatoren signifikant verringert.

Halb- oder Vollbrückenanordnungen, häufig auch als Halb- oder Vollbrückentopologien bezeichnet, in galvanisch trennenden DC/DC Wandlern (Gleichstrom/Gleichstrom Wandlern) mit höherer Taktfrequenz sind seit langem Stand der Technik. Die Eingangsspannung U_e liegt beispielsweise über zwei Kondensatoren an, denen parallel eine Halbbrücke mit Leistungshalbleiterschalter und Freilaufdiode geschaltet ist, mit jeweils mittigen Anschlüssen für eine Primärspule eines Transformators. Die Sekundärspule eines Transformators wirkt dann mit einem Ausgangsgleichrichter, einer Glättungsinduktivität und einem Ausgangskondensator zusammen, über dem die Ausgangsgleichspannung U_a abgegriffen wird. Ebenso ist eine solche Schaltung bekannt, die anstelle der Halbbrücke eine Vollbrücke aufweist, die jeweils vier Leistungshalbleiterschalter mit entsprechenden Freilaufdioden aufweist. Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen jeder Kommutierungsgruppe des Hochsetzstellers eine separat geregelte Voll- oder Halbbrückenanordnung nachgeschaltet ist. Diese müssen ausgangsseitig jeweils durch eine eigene Induktivität, also Drossel gegen den Ausgangskondensator entkoppelt werden und benötigen jeweils eine eigene Meßwerterfassung und Regelung des Drosselstromes oder/und der zugehörigen Zwischenkreis­ kondensatorspannung. Es muß somit regelungstechnisch sichergestellt werden, daß die Spannungen U₁ bis U_m also jede Teileingangsspannung im Hochsetzsteller einen Maximalwert nicht übersteigen.

Derartige im Stand der Technik bekannte Halbleitersteller sind daher nicht geeignet, die nachfolgende Aufgabe der vorliegenden Erfindung befriedigend zu lösen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleitersteller zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung oder gleichgerichteter Eingangswechselspannung U_e anzugeben, der u. a. für Mehrspannungsanwendungen im internationalen Bahnverkehr geeignet ist, bei hohen Eingangsspannungen auch ohne Niederfrequenztransformator und/mit einer erforderlichen galvanischen Trennung eine geringe Baumasse, also ein geringes Gewicht sicherstellt und nur lastabhängige Ströme und Spannungen nach dem Eingangshochsetzsteller aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Streuinduktivitäten des Transformators und die Kondensatoren des Zwischenkreises des Eingangshochsetzstellers, angeregt durch phasenrichtiges Ansteuern mindestens eines Ventils des Eingangshochsetzstellers und mindestens eines Ventils der Halbbrückenanordnung oder zweier Ventile der Vollbrückenanordnung, in Resonanz sind. Das heißt, daß die Transformatorstromfrequenz gleich oder nahezu gleich der Eigenfrequenz der Streuinduktivität des Transformators und des Kondensators ist. Weiterhin wird hieraus erkennbar, daß durch die Streuinduktivität des Transformators und die Kondensatoren des Zwischenkreises des Hochsetzstellers ein Schwingkreis gebildet wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß mit Hilfe eines Transformator­ resonanzverfahrens, welches weiter unten näher beschrieben ist, ein dem Stand der Technik ähnlicher Halbleitersteller mit einfachsten Mittel verändert werden kann, wenn ein Halbleitersteller zur Verfügung steht, bei dem unabhängig von der Eingangsspannung die Strom- und Spannungsform am Transformator relativ konstant ist. D. h., der Halbleitersteller mit all seinen Bauelementen braucht nicht größer ausgelegt zu werden, wenn die Eingangsspannung kleiner wird. Die Ströme und Spannungen nach dem Eingangshochsetzsteller sind ausschließlich lastabhängig bzw. die Spannungen und Ströme bleiben konstant, auch wenn die Eingangsspannung U_e variiert. Erreicht wird dies im wesentlichen dadurch, daß die Eigenfrequenz des Schwingkreises jeweils einer Schaltungsanordnung, gebildet von den Kondensatoren, einer oder mehrerer Kommutierungsgruppen und der Streuinduktivität des Transformators, konstant ist. Dieser Schwingkreis wird durch das Takten der Leistungshalbleiterschalter im Hochsetzsteller in Resonanz angeregt, wobei zu beachten ist, daß die Leistungshalbleiterschalter in der nachgeordneten Halb- oder Vollbrückenanordnung phasenrichtig geschaltet werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der/die Kondensator(en) einer/zweier benachbarten(r) Kommutierungsgruppe(n) 1, ..., n des Eingangshochsetzstellers eingangsseitig jeweils gleichzeitig der/die Kondensator(en) der Brückenanordnung ist/sind und diese Kapazität(en) mit der Streuinduktivität des Transformators einen Schwingkreis bildet(n), dessen Eigenfrequenz oberhalb der Grundtaktfrequenz fg der Gesamtschaltung liegt. Auf diese Weise entstehen n = m/2 Halbbrückenanordnungen. Die Ausgangsgleichrichter sind direkt, ohne zwischengeschaltete Glättungsdrossel an einen gemeinsamen Ausgangskondensator angeschlossen, über dem die Ausgangsgleichspannung U_a, wie im Stand der Technik, abgegriffen wird. Das Trafoübersetzungsverhältnis ist derart gewählt, daß die transformierte Ausgangsgleichspannung immer größer ist als der Scheitelwert aller erwarteten Eingangspannungen geteilt durch m.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Taktgeber einen Taktzeitpunkt für das Takten der Ventile der Kommutierungsgruppe(n) derart gibt, daß ein oder zwei Ventile der Brückenanordnung phasenrichtig einschalten, bevor der Strom des Transformators fließt und abschalten, nachdem er erloschen ist. D. h., bei z. B. einem Hochsetzstellers aus m in Reihe geschalteten Kommutierungsgruppen mit einem schaltbaren Leistungshalbleiterschalter einer Freilaufdiode und einem Kondensator, wie eingangs geschildert, bei denen die Leistungshalbleiterschalter der einzelnen Kommutierungsgruppen jeweils um 1/m der Gesamtperiodendauer Tg = 1/fg versetzt eingeschaltet werden, sind diese Zeitpunkte zu wählen. War beispielsweise das erste Ventil, ausgebildet als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter, der Kommutierungsgruppe leitend und wird abgeschaltet, so fließt der Eingangsdrosselstrom über die Freilaufdiode als weiteres Ventil und den Kondensator dieser Kommutierungsgruppe. Der Anstieg des Trafostroms kann beginnen, wenn die Spannung an diesem Kondensator den transformierten Wert der Ausgangsgleichspannung U_a übersteigt. Das entsprechende Ventil der Brückenschaltung wird phasenrichtig eingeschaltet. Der Trafostrom steigt an. Durch die gewählte Systemeigen­ frequenz erlischt der Transformatorstrom vor Ende der halben Periodendauer und die Halbleiterventile in der Brückenanordnung werden stromlos abgeschaltet. Lediglich der Transformatormagnetisierungsstrom kommutiert auf die Freilaufdioden der entsprechenden Leistungshalbleiterschalter der Brückenanordnung. Der Transformatorstrom ist dadurch quasi sinusförmig. Diese Form ist durch die Eingangsspannung und Ausgangslast praktisch nicht beeinflußt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herabsetzung der Eingangsgleichspannung U_e am Eingang der zwischengeschalteten Schaltungsanordnung eine Reihenschaltung einer Vielzahl von n der Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von m Kommutierungsgruppen vorgesehen sind und diesen in Reihenschaltung die Eingangsinduktivität und in Parallelschaltung der einzige Ausgangskondensator zugeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, da hinsichtlich der Eingangsinduktivität und auch des Ausgangskondensators jeweils nur ein Bauelement benötigt wird.

Vorteilhaft ist gemäß einer ersten Alternative vorgesehen, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung als Halbbrücke ausgebildet ist, wobei zwei Kondensatoren im Zwischenkreis angeordnet sind und jedem eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus je einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil, zugeordnet ist, mit einer Verbindung zwischen den steuerbaren Ventilen, den Kondensatoren und der Primärspule des Trafos, die andererseits mit der Brückenmitte verbunden ist. Der Schaltungshalbleiterschalter der zweiten Kommutierungsgruppe einer Schaltungsanordnung wird um 180° versetzt zum ersten Halbleiterschalter geschaltet. Bei beispielsweise n = 6 werden dann sechs Halbleiterschalter der Kommutierungsgruppen der 3 Schaltungsanordnungen um jeweils 60° verschoben geschaltet. Je mehr Hochsetzstellerkommutierungsgruppen vorhanden sind, umso größere Eingangsgleichspannungen U_e sind dadurch verteilbar und um so kleiner wird der Rippelstrom in der Eingangsdrossel, d. h. die Eingangsdrossel kann kleiner gebaut werden und die Frequenzbelastung des Netzes wird um so geringer. Darüberhinaus sind vorteilhaft die abschaltbaren Leistungshalbleiter der Brückenanordnung nicht separat geregelt. Ihre Schaltzeitpunkte sind durch die Eingangsspannung und durch die Schaltzeitpunkte der Halbleiterschalter im Hochsetzsteller definiert. Die Frequenz von Trafostrom und Trafospannung ist gleich der Grundtaktfrequenz fg der Gesamtschaltung.

Gemäß einer vorteilhaften zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung als Halbbrücke ausgebildet ist, wobei zwei Kondensatoren im Zwischenkreis angeordnet sind und diesen gemeinsam eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil, zugeordnet ist, mit einer Verbindung zwischen den Kondensatoren und der Primärspule des Trafos, die andererseits mit der Brückenmitte verbunden ist. Bislang wurde der erfindungsgemäße Hochsetzsteller nur mit einer Halbbrückenanordnung zum Transformatorresonanzverfahren kombiniert, wobei je Halbbrückenzweig eine Kommutierungsgruppe angeordnet war, also n = m/2. Gemäß der vorstehenden besonderen Ausgestaltung ist eine Kombination des Hochsetzstellers auch mit einer Voll- oder Halbbrückenanordnung zum Transformatorresonanzverfahren möglich, mit der Anzahl von Brückenanordnungen n = m.

Aufgrund einer besonderen dritten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung als Vollbrücke ausgebildet ist, welcher im Zwischenkreis ein Kondensator parallel geschaltet ist, dem eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus je einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil zugeordnet ist und die Primärspule des Trafos mit der Brückenmitte verbunden ist. D. h., hier ist jeder Kommutierungsgruppe 1 bis m im Hochsetzsteller eine eigene Voll- oder Halbbrückenanordnung zugeordnet. Die Transformatorfrequenz beträgt dann fg/2. Bei jedem Takten des Hochsetzstellers wird abwechselnd die eine und die andere Brückendiagonale geschaltet. Die Eigenfrequenz von Trafostreuinduktivität und Zwischenkreiskondensator liegt sicher oberhalb fg/2. Besonders vorteilhaft ist diese alternative Ausgestaltung gegenüber derjenigen mit mehreren Kommutierungsgruppen je Brückenanordnung deshalb, weil die Halbleiterspannung von den Halbleitern der Brückenanordnung gleich und nicht doppelt so groß sein muß wie für die Halbleiter des Hochsetzstellers.

Die beiden vorstehenden Ausgestaltungen weisen somit die gleichen Vorteile wie die erste Alternative mit einer Halbbrückenanordnung auf, haben jedoch weiter zum Vorteil, daß im Hochsetzsteller ein weiterer Kondensator eingespart werden kann, allerdings mit dem Nachteil, daß der Schaltungsaufwand für die Vollbrückenanordnung größer ist und, wie zuvor beschrieben, eine um den Faktor zwei kleinere Transformatorfrequenz vorliegt.

Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß im Fall von je einem Transformator pro Schaltungsanordnung und einer Reihenschaltung von n Schaltungsanordnungen eine durch 2 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller jeder Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet sind. Bei Verwendung von je einem Transformator je Brückenanordnung kann somit eine durch 2 teilbare Anzahl von Kommutierungsgruppen je Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden. Im Ausgang wird jedem Transformator ein Gleichrichter nachgeschaltet. Alle Gleichrichter sind vorteilhaft an einen gemeinsamen Ausgangskondensator gleichspannungsseitig parallel geschaltet.

Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß im Fall eines gemeinsamen Drehstromtransformators für n Schaltungsanordnungen eine durch 2 und 3 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller der Schaltungsanordnungen in Reihe geschaltet sind. Bei Verwendung eines einzigen Drehstromtransformators kann eine durch 2 und 3 teilbare Anzahl von Kommutierungsgruppen im Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden, also 6, 12, 18, 24 etc. (Schaltung mit Kommutierungsgruppe je Halbbrückenventil).

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß im Fall von je einem Transformator für jede von n Schaltungsanordnungen eine beliebige Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller in Reihe geschaltet sind. Bei diesen Schaltungsanordnungen können eine beliebige Anzahl von m Kommutierungsgruppen im Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden. Auch hier werden alle Ausgangsgleichrichter an einem gemeinsamen Ausgangskondensator parallel geschaltet.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß im Fall von einem gemeinsamen Drehstromtransformator in Verbindung mit n Schaltungsanordnungen eine durch 3 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller in Reihe geschaltet sind. Im Fall einer Halb- bzw. Vollbrückenanordnung und einer reduzierten Anzahl von Kommutierungsgruppen können eine durch 3 teilbare Anzahl von Kommutierungsgruppen im Hochsetzsteller in Reihe geschaltet werden, also 3, 6, 9, 12, etc.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß im Fall von drei in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen mit Eingangshochsetzstellern und nachgeordneten Bauelementen, also n = 3, der Transformator als Drehstromtransformator ausgebildet ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft. Denn die primärseitige Spannungszeitfläche an allen Transformatorprimärwicklungen ist durch diese beiderseitige Ankopplung an dem gemeinsamen Ausgangskondensator und die exakt symetrische Ansteuerung der steuerbaren Halbleiter der Brückentopologie annähernd gleich. Wenn nun die abschaltbaren Halbleiterventile im Hochsetzsteller phasenrichtig geschaltet werden, dann entsteht ein symetrisches 3-Phasen-System und ein Drehstromtransformator kann verwendet werden.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Schaltungsanordnungen mit nur einer Kommutierungsgruppe eine Trafofrequenz von fg/2 aufweisen, die bei jedem Takten des Eingangshochsetzstellers abwechselnd die eine und andere Brückendiagonale schaltet und die Eigenfrequenz des Resonanz­ schwingkreises in Verbindung mit der Trafostreuinduktivität oberhalb von fg/2 liegt. Wie bereits erwähnt ist hierbei, also in einer Schaltung mit einer reduzierten Anzahl von Kommutierungsgruppen gegenüber einer Schaltung mit Kommutierungsgruppen je Brückenventil vorteilhaft, daß die Halbleiterspannung von den Halbleitern der Brückenanordnung gleich und nicht doppelt so groß sein muß wie für die Halbleiter des Hochsetzstellers.

Sekundärseitig können bei allen vorgestellten Schaltungen alle üblichen Wicklungs- und Gleichrichteranordnungen wie Drehstrombrücken­ schaltungen, 12-Puls-Gleichrichter, 18-Puls-Gleichrichter Verwendung finden. Weiterhin kann jeder Sekundärwicklung auch eine einphasige Gleichrichterbrücke nachgeschaltet werden.

Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist noch auf folgendes hinzuweisen:

In der Brückenanordnung wird stromlos ein- und abgeschaltet. Dadurch werden Schaltverluste vermieden. Dadurch sind die Einbußen am Wirkungsgrad für die galvanische Trennung gering. Hieraus ergibt sich eine frei wählbare Ausgangsspannung, wodurch bei nachgeschalteten Geräten verringerte Isolationsanforderungen voll genutzt werden können.

Die Transformatorspannung und der Transformatorstrom sind in ihrer Form kaum eingangsspannungsabhängig. Die Transformatorscheinleistung ist je nach Auslegung um den Faktor 1,2 bis 1,4 größer als die Trafowirkleistung. Damit ergibt sich eine gegen andere Hochsetzsteller mit direkter Transformation außerordentlich gute Transformatorausnutzung.

Da die Transformatorspannung unabhängig von der Eingangsspannung konstant ist und der Transformatorstrom lediglich von der Last abhängt, ist die Ausnutzung der Halbleiterventile in der Brückenanordnung und im Ausgangsgleichrichter sehr gut. Es können hier auch preislich günstige langsam schaltende Transistoren und Dioden oder anstatt Transistoren sogar Thyristoren eingesetzt werden. Im Stand der Technik sind hierzu immer schnellschaltende Ventile nötig.

Es ergeben sich auch eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten beim Aufbau und bei der Einbauanordnung des Transformators. Der Transformator oder die Einzeltransformatoren müssen in ihrem Aufbau und ihrer Einbaulage nicht im Hinblick auf eine möglichst geringe Streuinduktivität optimiert werden, da eine bestimmte Streuinduktivität sogar benötigt wird, um das Transformatorresonanzverfahren anwenden zu können. Vielmehr kann im Gegenteil durch eine Drossel zwischen Transformator und Kondensator die Streuinduktivität erhöht werden, um die Resonanzfrequenz des Gebildes insgesamt zu verringern.

So können einfach aufgebaute preisgünstige Transformatoren verwendet werden. Weiterhin kann eine größere Leitungslänge zwischen Transformator und Leistungselektronik eingebaut werden. Dadurch wird der gesamte mechanische Schaltungsaufbau vereinfacht. Der Transformator kann einfacher gekühlt werden, falls dies erforderlich ist.

Hinsichtlich der Meßwerterfassung und Regelung ist ebenfalls ein geringerer Aufwand nötig. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist eine Regelung der Zwischenkreisspannungen des Hochsetzstellers nicht erforderlich. Die Halbleiter der Brückenanordnung werden lediglich in Abhängigkeit der Schaltzeitpunkte der Halbleiter in der Hochsetzstelleranordnung und der aktuellen Eingangsspannung gesteuert.

Ferner ist die Verwendung von Drehstromtransformatoren mit n×3-Phasen möglich. Durch die Verwendung derartiger Drehstromtransformatoren kann die Transformatorbauleistung weiter reduziert werden. Gewicht und Volumen der Schaltung werden somit optimiert.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 Einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller mit n Schaltungsanordnungen und m Kommutierungsgruppen, wobei n = m/2, 1. Alternative,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller mit n Schaltungsanordnungen mit Halbbrücke und m Kommutierungsgruppen, wobei n = m, 2. Alternative und

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller mit n Schaltungsanordnungen mit Vollbrücke und m Kommutierungsgruppen, wobei n = m, 3. Alternative.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller 10, an dem eine Eingangsgleichspannung U_e anliegt und der eine davon galvanisch getrennte Ausgangsgleichspannung U_a abgibt. Zwischen einer Eingangsinduktivität 11 und einem Ausgangskondensator 12 sind drei Schaltungsanordnungen 13 angeordnet. Die Eingänge dieser Schaltungsanordnungen 13 sind in Reihe und deren Ausgänge parallel geschaltet und wirken gemeinsam auf den Ausgangskondensator 12. Jede Schaltungsanordnung 13 ist in drei Schaltungsabschnitte 14, 15 und 16 unterteilt. Der Abschnitt 14 enthält einen oder mehrere Hochsetzsteller, umfassend jeweils eine Kommutierungsgruppe, bestehend aus einem Kondensator, einer Freilaufdiode 18 und einem abschaltbaren Leistungshalbleiter 17. In Fig. 1 sind die Kommutierungsgruppen 1 bis 6 dargestellt, die sich bei dieser 1. Alternative und der Anzahl von drei Schaltungsanordnungen 13 ergeben. Bei einer Anzahl von n Schaltungsanordnungen sind m Kommutierungsgruppen möglich. Die schaltbaren Leistungshalbleiterventile des Hochsetzstellers des Abschnittes 14 sind mit 17 bezeichnet, die Freilaufdioden mit 18 und die Kondensatoren mit 19. Zwischen den Halbleiterschaltern 17 und den Kondensatoren 19 ist eine Verbindungsleitung 20 vorgesehen.

Dem Schaltungsabschnitt 14 ist ein Schaltungsabschnitt 15 nachgeordnet, der im wesentlichen eine Halbbrücke mit zwei schaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 21 mit Freilaufdioden 22 aufweist. Die Brückenmitte dieser Halbbrückenschaltung ist mit der einen Seite der Primärspule 23 eines galvanisch trennenden Transformator 24 verbunden, deren andere Seite mit der Verbindungsleitung 20 verbunden ist. Ersichtlich bilden somit die Leistungshalbleiterschalter 21 und Kondensatoren 19 eine Halbbrücke, d. h. die Kondensatoren 19 des Zwischenkreises sind gleichzeitig Kondensatoren der Brückenschaltung des Abschnitts 15. Hierbei kann zwischen Kondensator 19 und Transformator 23 die Drossel 30 geschaltet sein.

Der Schaltungsabschnitt 16 weist den Transformator 24 auf, dessen Sekundärspule 25 mit einem Ausgangsgleichrichter 27 beispielsweise in Form einer Brückenschaltung mit den Halbleiterventilen 26 verbunden ist. Der Ausgang dieses Ausgangsgleichrichters 27 ist parallel zum Ausgangskondensator 12 geschaltet. Dadurch, daß die Kondensatoren 19 des Zwischenkreises des Schaltungsabschnittes 14 mit den Streuinduktivitäten des Transformators 24 einen Schwingkreis bilden, der bei entsprechender Auslegung der Kondensatoren und phasenrichtigem Ansteuern mindestens eines Ventils 17 des Eingangshochsetzstellers und mindestens zweier Ventile 21 der Brückenanordnung in Resonanz arbeitet. Hierdurch ist erfindungsgemäß gewährleistet, daß eine annähernd konstante Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung bzw. gleichgerichteter Wechselspannung U_e sichergestellt ist.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller 10, gemäß einer 2. Alternative, der mit Ausnahme von Schaltungsabschnitt 14 und den in beliebiger Zahl angedeuteten Schaltungsanordnungen 13 entsprechend Fig. 1 ausgebildet ist, weshalb insoweit auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird. Gegenüber Fig. 1 ist je Schaltungsabschnitt 14 nur eine Kommutierungsgruppe angeordnet, die bei einer beliebigen Zahl von Schaltungsanordnungen 13, deren nominale Anzahl bis n laufen mit 1 bis m bezeichnet sind. Der Schaltungsabschnitt 14 weist einen schaltbaren Leistungshalbleiterschalter 17 und zwei Kondensatoren 19 und eine Freilaufdiode 18 auf. Ersichtlich weisen auch diese Schaltungsanordnungen 13 in ihrem Schaltungsabschnitt 15 lediglich eine Halbbrückenanordnung auf, deren Mittelpunkt mit einer Seite der Primärspule 23 des Trafos 24 verbunden ist, deren andere Seite mit der Verbindung zwischen den Kondensatoren 19 verbunden ist. Eine Verbindung 20 zwischen den Kondensatoren 19 mit der Minus-Seite des Leistungshalbleiterschalters 17 entfällt in dieser Ausgestaltung des Abschnittes 14. Auch bei diesem Hochsetzsteller 10 resultieren die erfindungsgemäßen Effekte aus der Anpassung der Kondensatoren 19 bezüglich der Streuinduktivitäten des Transformators 24.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleitersteller 10, der mit Ausnahme der Schaltungsabschnitte 14 und 15 der Schaltungsanordnungen 13 demjenigen in Fig. 2 entspricht, weshalb insoweit auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Ersichtlich weist der Schaltungsabschnitt 14 nur einer statt zwei Kondensatoren 19 auf und der Kondensator auch keine Verbindung mehr zur Primärspule 23 des Transformators 24, da Abschnitt 15 jeder dieser Schaltungsanordnungen 13 anstelle einer Halbbrücke gemäß Fig. 1 und 2 eine Vollbrücke aufweist, deren Mittelpunkte mit den jeweiligen Enden der Primärspule 23 des Transformators 24 verbunden sind. Die Vollbrückenschaltung in Abschnitt 15 weist 4 schaltbare Halbleiterschalter 21 mit entsprechenden Freilaufdioden 22 auf. Auch bei diesem Halbleitersteller 10 resultieren die Vorteile erfindungsgemäß aus der Anpassung des Kondensators 19 an die Streuinduktivität des Transformators 24 und die entsprechende Ansteuerung der schaltbaren Ventile, so daß diese Elemente einen Schwingkreis bilden.

Neben den bereits genannten Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere dem Gebrauchsmuster G 94 03 447.8 werden nachfolgend noch einige Unterschiede bzw. Gemeinsamkeiten zu dem anmeldungsgemäßen Halbleitersteller angegeben:

Das bekannte System wird mit Hilfe von Schützen in Abhängigkeit der Eingangsspannung konfiguriert. Erfindungsgemäß ist keine Konfiguration des System in Abhängigkeit der Eingangsspannung vorgesehen.

Wie im Stand der Technik erfolgt erfindungsgemäß versetztes Takten von in Reihe geschalteten Hochsetzstellerstrukturen, um die Rippelfrequenz der Drossel zu erhöhen.

Im Stand der Technik ist eine regelungstechnische Entkopplung der Eingangsstufe und der Transformatorstufe durch große Kondensatoren nötig. Erfindungsgemäß ist die Transformatorstufe an den Takt der Eingangsstufe gekoppelt, was kleine Zwischenkreiskondensatoren erfordert.

Erfindungsgemäß ist die Transformatorstufe als Resonanzwandler aufgebaut, der durch die Eingangsstufe angeregt wird, was im Stand der Technik nicht vorgesehen ist.

Im Stand der Technik hat jeder Hochsetzstellertransistor seine eigene Halbbrückentransformatorstufe. Dem gegenüber sind erfindungsgemäß mindestens ein, vorzugsweise zwei Hochsetzstellertransistoren einer Transformatorstufe zugeordnet, je nach Ausführungsform.

Im Stand der Technik sind vier Strukturen in Reihe oder parallel aufgebaut, wodurch kein Drei-Phasen-System aufgebaut werden kann. Erfindungsgemäß kann am Ausgang ein einziger Drei-Phasen-Transformator verwendet werden, da 3 Strukturen vorhanden sind, die um jeweils 120° versetzt getaktet werden.

Erfindungsgemäß, wie auch im Stand der Technik können IGBT- Transistoren als aktive Halbleiterschalter Verwendung finden.

Im Stand der Technik muß jeder Gleichrichterstruktur auf der Sekundärseite noch vor dem Ausgangskondensator eine Glättungsdrossel nachgeschaltet werden. Erfindungsgemäß entfällt eine solche dem Ausgangskondensator vorgeschaltete Drossel.

Im Stand der Technik ist sekundärseitig immer eine Parallelschaltung vorgesehen. Erfindungsgemäß wird bei Verwendung eines Dreiphasentrans­ formators eine Dreiphasengleichrichtung oder eine sekundäre Parallelschaltung beim Aufbau mit Einzeltransformatoren vorgesehen.

Im Stand der Technik ist die Regelung von Eingangsstrom, vier Zwischenkreisspannungen und der Ausgangsspannung erforderlich, dem gegenüber ist erfindungsgemäß nur die Regelung von Eingangsstrom und Ausgangsspannung nötig.

Im Stand der Technik hat der Rippelstrom der Eingangsdrossel die vierfache Frequenz der Schaltfrequenz der einzelnen Hochsetzstellerstufen. Erfindungsgemäß hat der Rippelstrom der Eingangsdrossel die sechsfache Frequenz der einzelnen Hochsetzstellerstufen.

Claims (14)

1. Halbleitersteller zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung U_a ohne Eingangsstromverzerrung bei variabler Eingangsgleichspannung oder gleichgerichteter Wechselspannung U_e, mit mindestens einer Schaltungsanordnung (13) mit mindestens einem Eingangshochsetzsteller mit einer Kommutierungsgruppe, einer Brückenanordnung und einem Transformator (24) mit Ausgangsgleichrichter (27) zwischen einer Eingangsinduktivität (11) und einem Ausgangskondensator (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Streuinduktivitäten des Transformators (24) und die Kondensatoren (19) des Zwischenkreises des Eingangshochsetzstellers und angeregt durch phasenrichtiges Ansteuern mindestens eines Ventils (17) des Eingangshochsetzstellers und mindestens eines Ventils (21) der Halbbrückenanordnung oder zweier Ventile (21) der Vollbrückenanordnung in Resonanz sind.

2. Halbleitersteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kondensator(en) (19) einer/zweier benachbarten(r) Kommutierungsgruppe(n) 1, ..., m des Eingangshochsetzstellers eingangsseitig jeweils gleichzeitig der/die Kondensator(en) der Brückenanordnung ist/sind und diese Kapazität(en) mit der Streuinduktivität des Transformators (24) einen Schwingkreis bildet(n), dessen Eigenfrequenz oberhalb der Grundtaktfrequenz fg der Gesamtschaltung liegt.

3. Halbleitersteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber einen Taktzeitpunkt für das Takten der Ventile (17) der Kommutierungsgruppe(n) derart gibt, daß zwei Ventile (21) der Brückenanordnung phasenrichtig einschalten, bevor der Strom des Transformators (24) fließt und abschalten, nachdem er erloschen ist.

4. Halbleitersteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Eingangsgleichspannung U_e am Eingang der zwischengeschalteten Schaltungsanordnung (13) eine Reihenschaltung einer Vielzahl von n der Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von m Kommutierungsgruppen vorgesehen sind und diesen in Reihenschaltung die Eingangsinduktivität (11) und in Parallelschaltung der einzige Ausgangskondensator (12) zugeordnet sind.

5. Halbleitersteller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung (13) als Halbbrücke ausgebildet ist, wobei zwei Kondensatoren (19) im Zwischenkreis angeordnet sind und jedem eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus je einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil (17, 18), zugeordnet ist, mit einer Verbindung (20) zwischen den steuerbaren Ventilen (17), den Kondensatoren (19) und der Primärspule (23) des Trafos (24), die andererseits mit der Brückenmitte verbunden ist.

6. Halbleitersteller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung (13) als Halbbrücke ausgebildet ist, wobei zwei Kondensatoren (19) im Zwischenkreis angeordnet sind und diesen gemeinsam eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil (17, 18), zugeordnet ist, mit einer Verbindung zwischen den Kondensatoren und der Primärspule (23) des Trafos (24), die andererseits mit der Brückenmitte verbunden ist.

7. Halbleitersteller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Brückenanordnung der Schaltungsanordnung (13) als Vollbrücke ausgebildet ist, welcher im Zwischenkreis ein Kondensator (19) parallel geschaltet ist, dem eine Kommutierungsgruppe des Eingangshochsetzstellers, bestehend aus je einem steuerbaren und nichtsteuerbarem Ventil (17, 18) zugeordnet ist und die Primärspule (23) des Trafos (24) mit der Brückenmitte verbunden ist.

8. Halbleitersteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von je einem Transformator (24) pro Schaltungsanordnung (13) und einer Reihenschaltung von n Schaltungsanordnungen (13) eine durch 2 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller jeder Schaltungsanordnung (13) in Reihe geschaltet sind.

9. Halbleitersteller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines gemeinsamen Drehstromtransformators für n Schaltungsanordnungen (13) eine durch 2 und 3 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller der Schaltungsanordnungen (13) in Reihe geschaltet sind.

10. Halbleitersteller nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von je einem Transformator (24) für jeden von n Schaltungsanordnungen (13) eine beliebige Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller in Reihe geschaltet sind.

11. Halbleitersteller nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von einem gemeinsamen Drehstromtransformator in Verbindung mit n Schaltungsanordnungen (13) eine durch 3 teilbare Anzahl m von Kommutierungsgruppen im Eingangshochsetzsteller in Reihe geschaltet sind.

12. Halbleitersteller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von drei in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen (13) mit Eingangshochsetzstellern und nachgeordneten Bauelementen, also n = 3, der Transformator (24) als Drehstromtransformator ausgebildet ist.

13. Halbleitersteller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnungen (13) mit nur einer Kommutierungsgruppe eine Trafofrequenz von fg/2 aufweisen, die bei jedem Takten des Eingangshochsetzstellers abwechselnd die eine und andere Brückendiagonale schaltet und die Eigenfrequenz des Resonanzsschwingkreises in Verbindung mit der Trafostreuinduktivität oberhalb von fg/2 liegt.

14. Halbleitersteller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Transformator (24) und Kondensator (19) eine Drossel (30) einsetzbar ist, um die Streuinduktivität des Transformators zu erhöhen.