DE202018107224U1 - Power converter for bidirectional conversion of electrical power - Google Patents
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Abstract
Leistungswandler (201) ausgelegt zum bidirektionalen Wandeln von elektrischer Leistung größer ≥ 1 kW, insbesondere ≥ 5 kW, mit zumindest vier in einer Brückenschaltung (210) angeordneten Transistoren (212-218) mit einer Spannungsfestigkeit zwischen Drain und Source von mehr als 500V, wobei die Brückenschaltung (210) einen Gleichspannungsanschluss (220) mit zwei DC-Anschlüssen (222, 224) und einen Wechselspannungsanschluss (226) mit zwei AC-Anschlüssen (228, 230) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsanschluss über (226) einen Resonanzkreis (232) an einen Transformator (234) angeschlossen ist. Power converter (201) designed for bidirectional conversion of electrical power greater ≥ 1 kW, in particular ≥ 5 kW, with at least four arranged in a bridge circuit (210) transistors (212-218) with a voltage resistance between drain and source of more than 500V, wherein the bridge circuit (210) has a DC terminal (220) with two DC terminals (222, 224) and an AC terminal (226) with two AC terminals (228, 230), characterized in that the AC terminal via (226) is a resonant circuit (232) is connected to a transformer (234).
Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungswandler, ausgelegt zum bidirektionalen Wandeln von elektrischer Leistung ≥ 1 kW, insbesondere ≥ 5 kW, mit zumindest vier in einer Brückenschaltung angeordneten Transistoren.The invention relates to a power converter designed for the bidirectional conversion of electrical power ≥ 1 kW, in particular ≥ 5 kW, with at least four transistors arranged in a bridge circuit.
Redox-Flow-Batterien, die beispielsweise Elektrolyt-Kombinationen von V/V, Fe/Cr oder Zn/Br verwenden, werden in zunehmendem Maße als stationäre Energiespeicher verwendet. Integriert in ein großes System aus Energieerzeugern und -verbrauchern, dienen diese zur Netzstabilisierung oder können Erzeuger- oder Lastspitzen abfangen.Redox flow batteries, which use, for example, electrolyte combinations of V / V, Fe / Cr or Zn / Br, are increasingly being used as stationary energy stores. Integrated into a large system of energy producers and consumers, these serve to stabilize the grid or intercept generator or load peaks.
Solche Batterien sind in der Regel an eine Leistungselektronik zum Laden und/oder Entladen angeschlossen. Die Leistungselektronik kann dabei einen Wechselrichter umfassen.Such batteries are usually connected to a power electronics for charging and / or discharging. The power electronics can include an inverter.
Aus der
Die zur Leistungswandlung eingesetzten Leistungswandler sind häufig an einen Transformator angeschlossen. Damit kann es zu Gleichtaktstörungen auf den Verbindungsleitungen zwischen Transformator und Leistungswandler kommen.The power converters used for power conversion are often connected to a transformer. This can lead to common mode interference on the connecting lines between the transformer and the power converter.
Aufgabe der folgenden Erfindung ist es, einen Leistungswandler bereitzustellen, der eine möglichst gute Gleichtaktunterdrückung aufweist, und ein entsprechendes Verfahren anzugeben.The object of the following invention is to provide a power converter which has the best possible common-mode rejection and to specify a corresponding method.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Leistungswandler, der zum bidirektionalen Wandeln von elektrischer Leistung ≥ 1 kW, insbesondere ≥ 5 kW ausgelegt ist, mit zumindest vier in einer Brückenschaltung angeordneten Transistoren mit einer Spannungsfestigkeit zwischen Drain und Source von mehr als 500 V, wobei die Brückenschaltung einen Gleichspannungsanschluss mit zwei DC-Anschlüssen und einen Wechselspannungsanschluss mit zwei AC-Anschlüssen aufweist, wobei der Wechselspannungsanschluss über einen Resonanzkreis an einen Transformator angeschlossen ist. Durch einen derart angeordneten Resonanzkreis kann eine Gleichtaktunterdrückung erfolgen. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Resonanzkreis zwei Induktivitäten aufweist.This object is achieved according to the invention by a power converter, which is designed for bidirectional conversion of electrical power ≥ 1 kW, in particular ≥ 5 kW, with at least four arranged in a bridge circuit transistors with a withstand voltage between drain and source of more than 500 V, wherein the Bridge circuit has a DC voltage connection with two DC terminals and an AC voltage connection with two AC terminals, wherein the AC voltage terminal is connected via a resonant circuit to a transformer. Through a resonance circuit arranged in this way, a common-mode suppression can take place. It is particularly preferred if the resonant circuit has two inductances.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn ein erster AC-Anschluss des Wechselspannungsanschlusses über eine erste Induktivität mit einem ersten Transformatoranschluss und ein zweiter AC-Anschluss des Wechselspannungsanschlusses über eine zweite Induktivität mit einem zweiten Transformatoranschluss verbunden ist. Während eines Gleichtaktstromflusses fließt Strom in einem bestimmten Zeitintervall vom Wechselspannungsanschluss zum Transformatoranschluss in beiden Induktivitäten in dieselbe Richtung. Bei einem Gegentaktstromfluss fließt Strom in einem bestimmten Zeitintervall vom Wechselspannungsanschluss zum Transformatoranschluss in beiden Induktivitäten in entgegengesetzte Richtung. Dadurch wird eine maximale Gleichtaktunterdrückung erreicht.It is very particularly preferred if a first AC terminal of the AC voltage terminal is connected via a first inductance to a first transformer terminal and a second AC terminal of the AC voltage terminal is connected via a second inductance to a second transformer terminal. During a common mode current flow, current flows in the same direction from the AC terminal to the transformer terminal in a given time interval in both inductors. In a push-pull current flow, current flows in a certain time interval from the AC voltage connection to the transformer connection in both inductances in opposite directions. This achieves maximum common-mode rejection.
Weiterhin kann der Resonanzkreis eine Kapazität aufweisen. Vorzugsweise ist die Kapazität in Serie zu einer der Induktivitäten angeordnet. Dies bedeutet, dass eine Verbindungsleitung vom Leistungswandler zum Transformator eine Induktivität und eine Kapazität in Serie aufweist und die andere Verbindungsleitung vom Leistungswandlers zum Transformator lediglich eine Induktivität aufweist.Furthermore, the resonant circuit may have a capacitance. Preferably, the capacitance is arranged in series with one of the inductors. This means that a connection line from the power converter to the transformer has an inductance and a capacitor in series and the other connection line from the power converter to the transformer has only one inductance.
Die erste und die zweite Induktivität können ausgelegt sein, dass die Spannung-Anstiegsflanken im Bereich der Leitungsabschnitte zwischen den Induktivitäten und den jeweiligen Transformatoranschlüssen wenigstens um den Faktor fünf kleiner sind als im Bereich der Leitungsabschnitte zwischen den AC-Anschlüssen des Wechselspannungsanschlusses und den Induktivitäten. Auch dies trägt zu einer guten Gleichtaktübertragung bei.The first and the second inductance can be designed such that the voltage rise edges in the region of the line sections between the inductors and the respective transformer terminals are smaller by at least a factor of five than in the area of the line sections between the AC terminals of the AC connection and the inductances. This also contributes to a good common mode transmission.
Der Gleichtaktstrom kann weiterhin verringert werden, wenn die Leitungsabschnittslänge zwischen einer Induktivität und einem AC-Anschluss des Wechselspannungsanschlusses kleiner oder gleich 20 cm ist.The common mode current can be further reduced if the line section length between an inductance and an AC terminal of the AC terminal is less than or equal to 20 cm.
Zumindest einer der Transistoren der Brückenschaltung kann für Anstiegs- oder Abfallflanken der Spannung > 8 kV/µs, insbesondere > 16 kV/µs beim Aus- oder Einschalten des Transistors ausgelegt sein. Insbesondere können alle Transistoren der Brückenschaltung entsprechend ausgelegt sein. Diese hohen Spannungsschaltflanken sind bei der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik durchaus erwünscht und sollen nicht unterbunden werden, da sonst Verluste in der Brückenschaltung entstehen würden. Durch die Angabe der Anstiegs- oder Abfallflanken kommt zum Ausdruck, dass die Transistoren der Brückenschaltung sehr schnell schalten.At least one of the transistors of the bridge circuit can be designed for rising or falling edges of the voltage> 8 kV / μs, in particular> 16 kV / μs when the transistor is switched off or on. In particular, all the transistors of the bridge circuit can be designed accordingly. These high voltage switching edges are quite desirable in the present invention unlike the prior art and are not intended be prevented, otherwise losses would occur in the bridge circuit. By indicating the rising or falling edges is expressed that the transistors of the bridge circuit switch very fast.
Dies kann insbesondere dann möglich sein, wenn die Transistoren als SiC Transistoren ausgelegt sind.This may be possible in particular if the transistors are designed as SiC transistors.
Weiterhin können Treiber für die Transistoren vorgesehen sein, die durch eine Steuerleiterkarte bei einer vorgebbaren Ansteuerfrequenz, insbesondere 16 kHz, insbesondere <1 MHz, angesteuert sind. Wenn die Treiber der Transistoren mit einer solchen Frequenz angesteuert werden, ist es möglich, die Transistoren sehr schnell zu schalten. Die Treiber können durch eine Steuerleiterkarte mit entsprechenden Signalen angesteuert sein. Die Steuerleiterkarte kann an die Anschlüsse für die Treiber angeschlossen sein.Furthermore, drivers for the transistors can be provided which are driven by a control circuit card at a predefinable drive frequency, in particular 16 kHz, in particular <1 MHz. If the drivers of the transistors are driven with such a frequency, it is possible to switch the transistors very fast. The drivers can be controlled by a control card with appropriate signals. The control card can be connected to the connectors for the drivers.
Der Resonanzkreis kann, insbesondere zusammen mit einer Streuinduktivität des Transformators, insbesondere zusammen mit parasitären Induktivitäten und/oder Kapazitäten der Zuleitungen zwischen Transformator, Resonanzkeis und Brückenschaltung, eine Resonanzfrequenz im Bereich der Ansteuerfrequenz der Treiber und/oder der Transistoren aufweisen. Dies trägt weiterhin zur Gleichtaktunterdrückung bei. Mit „im Bereich“ ist hier ein Bereich von maximal +/- 5% der Ansteuerfrequenz gemeint.The resonant circuit may, in particular together with a leakage inductance of the transformer, in particular together with parasitic inductances and / or capacitances of the leads between the transformer, Resonanzkeis and bridge circuit, have a resonant frequency in the driving frequency of the driver and / or transistors. This further contributes to common-mode rejection. By "in the range" here is meant a range of a maximum of +/- 5% of the drive frequency.
Allerdings führen so schnelle Spannungsanstiegszeiten zu Ausgleichsströmen, zum Beispiel über parasitäre Kapazitäten in alle möglichen Bereiche, insbesondere zu Masse. Beispielhaft seien hier die Transformatoranschlüsse genannt. Solche Ausgleichsströme sind unerwünscht, da sie weitere Ausgleichsströme von den Steuerleitungen über die Ansteuertreiber verursachen und dort zu Störungen führen können, die die Ansteuerung der Transistoren unkontrollierbar machen. However, such rapid voltage rise times lead to equalization currents, for example via parasitic capacitances in all possible ranges, in particular to ground. By way of example, the transformer connections may be mentioned here. Such equalization currents are undesirable because they cause further equalization currents from the control lines via the drive drivers and can lead to disturbances there, which make the control of the transistors uncontrollable.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Resonanzkreises können solche Ausgleichströme verhindert werden.The inventive design of the resonant circuit such balancing currents can be prevented.
Die Brückenschaltung kann bidirektional betreibbar sein, wobei sie in Richtung DC-Seite zu AC-Seite als Wechselrichter und in die andere Richtung als Brückengleichrichter, insbesondere als synchron geschalteter Brückengleichrichter betreibbar ist. Dadurch ist es möglich, je nach Bedarf eine Batterie zu laden oder zu entladen.The bridge circuit can be bidirectionally operable, being operable in the direction of the DC side to the AC side as an inverter and in the other direction as a bridge rectifier, in particular as a synchronously connected bridge rectifier. This makes it possible to charge or discharge a battery as needed.
Zumindest die Brückenschaltung kann auf einer Leiterkarte angeordnet sein. Dies ermöglicht es, dass Leitungsabschnitte von den AC-Anschlüssen des Wechselspannungsanschlusses zu den Induktivitäten planar auf der Leiterkarte geführt sind. Dies ist günstig für eine Gleichtaktunterdrückung. Dabei können die Anschlüsse die Punkte sein, an denen die Brückenschaltung an der Leiterkarte angelötet ist. Der Resonanzkreis kann auch auf der Leiterkarte angeordnet oder ausgebildet sein.At least the bridge circuit can be arranged on a printed circuit board. This makes it possible that line sections are guided from the AC terminals of the AC voltage terminal to the inductors planar on the circuit board. This is beneficial for common mode rejection. The connections may be the points at which the bridge circuit is soldered to the circuit board. The resonant circuit can also be arranged or formed on the printed circuit board.
Die Induktivitäten können mittels eines gemeinsamen Ferrits gekoppelt sein. Dabei können die Induktivitäten gegensinnig auf einen gemeinsamen Ferrit, insbesondere einen Ferritring, gewickelt sein.The inductors may be coupled by means of a common ferrite. In this case, the inductances can be wound in opposite directions on a common ferrite, in particular a ferrite ring.
An den Gleichspannungsanschluss des Leistungswandlers kann ein Spannungswandler angeschlossen sein. Der Spannungswandler kann in einer Richtung als Tiefsetzsteller und in die andere Richtung als Hochsetzsteller betreibbar sein. Der Spannungswandler kann zwei schnell schaltende Transistoren, insbesondere in einer weiteren, zwei Transistoren aufweisenden Brückenschaltung, aufweisen. Dabei können die Transistoren Anstiegs- oder Abfallflanken der Spannung größer 8 kW/µs, insbesondere 16 kV/µs aufweisen bzw. dafür ausgelegt sein.A voltage converter can be connected to the DC voltage connection of the power converter. The voltage converter can be operated as a step-down converter in one direction and as a step-up converter in the other direction. The voltage converter can have two fast-switching transistors, in particular in a further, two-transistor bridge circuit. In this case, the transistors may have rising or falling edges of the voltage greater than 8 kW / μs, in particular 16 kV / μs, or be designed for this purpose.
Einer der Transistoren kann im Betrieb des Spannungswandlers als Tiefsetz- bzw. Hochsetzsteller als, insbesondere geschaltete, Freilaufdiode wirken.During operation of the voltage converter, one of the transistors can act as a step-down or step-up converter as a freewheeling diode, in particular a switched one.
Die Transistoren der Brückenschaltung, insbesondere auch die Transistoren des Spannungswandlers, können in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet sein. Durch das Modulgehäuse kann weiterhin eine elektromagnetische Abschirmung erfolgen.The transistors of the bridge circuit, in particular also the transistors of the voltage converter, can be arranged in a common module housing. Through the module housing can continue to be an electromagnetic shield.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers mit zumindest vier in einer Brückenschaltung angeordneten Transistoren, wobei die Brückenschaltung einen Gleichspannungsanschluss mit zwei DC-Anschlüssen und einen Wechselspannungsanschluss mit zwei AC-Anschlüssen aufweist, wobei am Wechselspannungsanschluss eine Unterdrückung des Gleichtaktstromflusses mittelst eines Resonanzkreises erfolgt. Dabei kann der Resonanzkreis zwischen die Brückenschaltung und einen Transformator geschaltet werden.The invention also includes a method for operating a power converter having at least four transistors arranged in a bridge circuit, wherein the bridge circuit has a DC voltage connection with two DC connections and an AC connection with two AC connections, with the common mode current flow being suppressed at the AC voltage connection a resonant circuit takes place. In this case, the resonant circuit between the bridge circuit and a transformer can be switched.
Der Resonanzkreis kann eine erste und eine zweite Induktivität aufweisen, die ausgelegt werden, dass die Spannungsanstiegsflanken im Bereich der Leitungsabschnitte zwischen den Induktivitäten und daran angeschlossenen Transformatoranschlüssen eines Transformators wenigstens um den Faktor 5 kleiner sind als im Bereich der Leitungsabschnitte zwischen den AC-Anschlüssen des Wechselspannungsanschlusses und den Induktivitäten. Insbesondere kann die Induktivität des Resonanzkreises auf die erste und die zweite Induktivität aufgeteilt werden, um dadurch eine besonders gute Gleichtaktunterdrückung zu realisieren.The resonant circuit can have a first and a second inductance, which are designed such that the voltage rise edges in the region of the line sections between the inductances and transformer terminals of a transformer connected thereto are at least five times smaller than in the area of the line sections between the AC terminals of the AC voltage connection and the inductors. In particular, the inductance of the resonant circuit can the first and the second inductance are divided, thereby realizing a particularly good common-mode rejection.
Die Transistoren können mit Anstiegsflanken der Spannung > 8 kV/µs, insbesondere 16 kV/µs betrieben werden.The transistors can be operated with rising edges of the voltage> 8 kV / μs, in particular 16 kV / μs.
Die Treiber der Transistoren können mit einer vorgebbaren Ansteuerfrequenz insbesondere > 10 kHz, insbesondere < 1 MHz, angesteuert werden. Dadurch lassen sich die steilen Anstiegsflanken der Transistoren realisieren.The drivers of the transistors can be driven with a predefinable drive frequency, in particular> 10 kHz, in particular <1 MHz. As a result, the steep rising edges of the transistors can be realized.
Die Brückenschaltung kann bidirektional betrieben werden, wobei sie in Richtung DC-Seite zur AC-Seite als Wechselrichter und in die andere Richtung als Brückengleichrichter, insbesondere als synchron geschalteter Brückengleichrichter, betrieben wird.The bridge circuit can be operated bidirectionally, being operated in the direction of the DC side to the AC side as an inverter and in the other direction as a bridge rectifier, in particular as a synchronously connected bridge rectifier.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentlliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu stehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description of an embodiment of the invention, with reference to the figures of the drawing, the erfindungswesentlliche details shows, and from the claims. The features shown there are not necessarily to scale and presented in such a way that the features of the invention can be made clearly visible. The various features may be implemented individually for themselves or for a plurality of combinations in variants of the invention.
In der schematischen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.In the schematic drawing an embodiment of the invention is shown and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Leistungswandlers; -
2 einen Teil des Resonanzkreises.
-
1 a schematic view of a power converter; -
2 a part of the resonant circuit.
Die
An den Wechselspannungsanschluss
Die Länge der Leitungsabschnitte
Den Transistoren
Die Induktivitäten
Die Brückenschaltung
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Leiterabschnitte
Die Transistoren
Die
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die noch nicht veröffentlichte am 12.06.2018 angemeldete deutsche Patentanmeldung
Der Transformator
Die Verwendung der dort beschriebenen Leiterkarte (10, 10.1), des Transformators (30) oder der Anordnung (40, 50, 60) umfassend eine oder mehrere Leiterkarte(n) (10, 10.1) und Transformator (30) zur Führung von Wechselstrom, und insbesondere zur Ladung und Entladung von Batterien, kann mit dem Leistungswandler
Auf die
Auf die
Auf die
Auf die noch nicht veröffentlichte am 26.03.2018 angemeldete deutsche Patentanmeldung
Alle in dem Leistungswandler
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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