DE4417785A1 - Primärseitig modulierter Hochfrequenz-DC/DC-Wandler - Google Patents

Description

1 Kurzbeschreibung

Der Gegenstand der Erfindung ist eine elektronische Schaltung für die Anwendung in der Leistungselektronik. Die Schaltung ist imstande, einen Gleichstrom in einen sinusförmigen Wechselstrom umzuwandeln und diesen, mit Hilfe eines Wechsel­ umrichters in das öffentliche Netz der Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVUs) einzuspeisen oder eine Netzsinuswechselspannung zu erzeugen.

Mit dieser Schaltung können technisch einfache und betriebssichere Wandler z. B. für

• - Photovoltaikspannungswandler mit Netzkopplung
• - Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UVS)
• - Inverter (DC/AC-Converter)
• - mobile Wechselspannungsgeneratoren mit Batteriespeisung

aufgebaut werden.

Der Vorteil bei Anwendung als Wandler für photovoltaisch erzeugter Energie mit Netzkopplung liegt darin, daß Photovoltaik-Solargeneratoren, bei entsprechender Verbreitung, praktisch den gesamten Tages-Spitzenstrombedarf decken können, der in der Zeit von Sonnenaufgang bis Nachmittag durch die Haushalte und der Industrie dem öffentlichen Stromnetz entnommen wird.

Da in den Tageszeiten hoher Insulation von Sonnenenergie auch ein hoher Strombedarf vorliegt könnten durch den Betrieb von Photovoltaik-Solargeneratoren Spitzenlastkraftwerke stillgelegt und damit die Umweltemissionen solcher Anlagen vermieden werden.

2. Stand der Technik

Strom aus Solarzellen, Batterien oder aus Wasserstoff-Sauerstoff Brennzellen ist prinzipbedingt Gleichstrom. Um solche Energie in das öffentliche Netz einspeisen zu können, muß diese vorher in einen netzsynchronen und phasenrichtigen Sinuswechselstrom umgewandelt werden.

Die Netzeinspeisung üblicher Wechselrichter erfolgt mit Wandlern in Niederfrequenztechnologie, die Rechteckströme in das Netz einspeisen. Diese Ströme enthalten einen sehr hohen Oberwellenanteil, der diese Netze unnötig, zusätzlich belastet.

In der Regel enthalten diese Lösungen aktive Netzwerke und Filter, die zusätzliche Energieverluste erzeugen und damit den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung verschlechtern.

In anderen Fällen wird die Kommutierung des eingespeisten Stromes weit vor bzw. weit nach den Nulldurchgang der Netzphase gelegt. Dies bedingt eine relativ lange Austastlücke des speisenden Stromes im Nulldurchgang der Netzwechselspannung, damit einen hohen Klirrfaktor und eine schlechte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) mit dem gespeisten Netz.

Wandler in 50 Hz (bzw. 60 Hz) Technik sind prinzipbedingt schwer und haben große Abmessungen.

3 Gegenstand der Erfindungsmeldung

Der Gegenstand der Erfindung ist die Schaltungstechnik von Bild 1 und schließt alle Kombinationsmöglichkeiten der Anordnung von bereits bekannten, primärseitig modulierten DC/DC-Wandler mit Pulsweiten- und Frequenzmodulation (PWM; FM) mit ein, wenn diese nach dem hier vorliegenden Verfahren die Strom- und Spannungsregelung vornehmen und darüber hinaus, mit Hilfe eines nachgeschalteten Wechselumrichters, einen, nach diesem Prinzip geregelten, (sinusförmigen) pulsierenden Strom in Sinusstrom umwandeln, in das öffentliche Stromnetz einspeisen oder eine (sinusförmige) Wechselspannung erzeugen.

Die Anordnung der Leistungsschaltglieder kann hierbei beliebig sein. Die Schaltung kann mit Leistungs-MOSFET, Isolated Gate Bipolar Transistoren (IGBT), MOS Controlled Thyristor (MCT) oder aus einer Kombination von diesen Transistortypen aufgebaut werden.

Unteransprüche liegen vor für:

• - Wandlerprinzip der stromgeprägten, strommittelwertgeregelten (Averange-Current- Mode Controlled) Pulsweitenmodulation mit primärseitiger Anordnung der Speicher­ drossel und hochfrequenter Übertragung eines (halbsinusförmig) modulierten Stromes mittels Hochfrequenzübertrager (Transformator) auf die, galvanisch getrennte, Sekundärseite bei Anwendung als DC/DC-Wandler zur Einspeisung einer (halbsinus- oder sinusförmig) pulsierender Gleichspannung in das öffentliche Stromnetz oder der Erzeugung einer (sinusförmigen) Wechselspannung.
• - Wandlerprinzip der spannungsgestützten, strommittelwertgeregelten (Averange­ Current-Mode Controlled) Pulsweiten- und Frequenzmodulation und hochfrequenten Übertragung eines nach diesem Prinzip modulierten Stromes mittels Hochfrequenz­ übertrager (Transformator) auf die, galvanisch getrennte, Sekundärseite bei Anwendung als DC/DC-Wandler im allgemeinen.
• - Pulspaketgesteuerter Wechselrichter zur Erzeugung einer (Sinus)wechselspannung und eines (Sinus)wechselstromes aus der nach dem oben beschriebenen Konzept erzeugten (sinusförmig) pulsierenden Gleichspannung.

Ein wesentlicher Bestandteil dieses Konzeptes ist die transformatorgekoppelte Ansteuerung der Leistungsschaltglieder der Wechselrichterbrücke mit Pulspaketen hoher Frequenz, wobei durch die Transformation des Ansteuersignales gleichzeitig die Energie für das Ansteuern und Sperren der Leistungsschaltglieder übertragen wird.

Desweiteren ist die Art und Weise, mit der ein kontinuierliches Durchschalten und Sperren der Leistungshalbleiter der Wechselrichterbrücke erzeugt wird, Gegenstand dieser Erfindung.

Die durch diese Wechselrichterbrücke erzeugte Wechselspannung kann in der Frequenz aufgrund der Art der Ansteuerung beliebig moduliert werden.

Bei phasenstarrer Kopplung des Phasendiskriminators mit der Netzwechselspannung ist sichergestellt, daß der resultierende Wechselstrom immer phasen- und frequenzgleich zur Netzwechselspannung verläuft.

Die maximale Phasenverschiebung in der Kommutierungsphase, d. h. beim Nulldurchgang der Netzwechselspannung, wird fast ausschließlich von den Schaltzeiten der verwendeten Halbleiter bestimmt.

Die Einbeziehung der bauteilprinzipbedingten parasitären Gate-Source- bzw. Gate- Emitter-Kapazität der MOSFETs, MCTs und IGBTs in die Anordnung der Bauteile stellt sicher, daß während der Leitphase des jeweiligen Transistors ein kontinuierlicher Stromfluß zustandekommt.

Automatisch gegeben ist desweiteren die galvanische Entkopplung der Ansteuerelektronik vom sekundären Leistungskreis.

4.0 Funktionsweise der Schaltung der spannungsgestützten, strommittelwert­ geregelten (Averange-Current-Mode-Controlled) Pulsweitenmodulation mit primärseitiger Anordnung der Speicherdrossel (Anlage 2 und 3)

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Anordnung der Stromspiegelschaltung, bestehend aus TS1-TS3 (und der zugehörigen diskreten Bauelemente) in Verbindung mit dem, für die Ausgangsspannungskonstanthaltung, erforderlichen Fehlerverstärker (ERR) der Regelrückführung. Die Stromspiegelschaltung erzeugt ein verstärktes Signal (IR1), ein Abbild des Stromes, der durch den Widerstand R1, der Speicherdrossel L1, den Leistungsschaltern des PWM und des HF-Übertragers fließt. Da die Speicherdrossel L1 Bestandteil dieses Lastkreises ist hat der, über dem Shuntwiderstand R1, strombedingt entstehende Spannungsabfall, prinzipbedingt einen zeitlich dreieckförmigen Verlauf. Die Steilheit dieser Spannung ist u. a. proportional dem Pulsbreitenverhältnis der Spannung im PWM-Lastkreis, wobei die dabei entstehenden Dreieckspannung einer Gleichspannung überlagert ist.

Der Widerstand R1 kann sowohl in der Masse-Leitung, als auch hochliegend im positiven Stromzweig liegen. Die Verhältnisse der Widerstandswerte innerhalb der Stromspiegelschaltung zueinander bestimmen den Arbeitspunkt des verstärkten Signales (IR1) des Laststromes.

Dieses Signal (IR1) wird am invertierenden Einganges eines Operationsverstärkers mit dem Signal der Regelrückführung des Spannungskonstantreglers verknüpft.

Fließt ein Strom durch R1 wird das Spannungspotential am invertierenden Einganges eines Operationsverstärkers um den Betrag der Spannung verstimmt, die über R1 als Spannungsabfall abfällt. Dies erfolgt praktisch mit dem gleichen zeitlichen Verlauf dieses Stromes. Die Folge der Verstimmung des Regelrückführungssignales der Spannungsregelung führt zu einer entsprechenden Reaktion der Pulsweitenmodulations- Steuerschaltung und der Anpassung der Signale zur Aussteuerung der Leistungsschalter der Pulsweitenmodulation. Als Reaktion darauf verändert sich die Ausgangsspannung. Dies wiederum verstimmt den Regelkreis, so daß der Fehlerverstärker (ERR) die Spannung nachregelt. Durch die Reaktion des Regelkreises verändert sich der Strom im Lastkreis, mithin der Spannungsabfall über R1. Das Spiel zwischen Strom­ spiegelschaltung und Spannungsregelung beginnt von neuem. Zeitlich dominant ist jedoch der Stromregelzweig, so daß, aufgrund des zeitlichen Verlaufes dieses Signales, äußerst schnelle Regelzeitkonstanten erreicht werden.

Durch die Kombination dieser Effekte wird bei Verwendung dieses Konzeptes mit dem hier vorliegenden Spannungswandler eine phasen- und amplitudenstarre Kopplung von Strom und Spannung erreicht. Die ist erforderlich um am Ausgang des Spannungswandlers einen sinusförmigen Verlauf von Strom und Spannung zu erzeugen.

4.1 Funktionsweise der Schaltung des Wechselrichters (Anlage 1)

Ein Phasendiskriminator (IC1) detektiert, in diesem Fall, die Netzwechselspannung und erzeugt nach jedem Phasennulldurchgang die Steuersignale Phase (+) und Phase (-), wobei das jeweilige Signal anzeigt, ob eine positive (+) oder negative (-) Halbwelle am detektierten Netz vorliegt.

Dieses Referenzsignal kann auch beliebig anderweitig erzeugt werden.

Diese beiden Signale werden über die UND- Legikgatter IC2, IC3 und IC4 (zusätzlich über eine Treiberschaltung hier IC5 und IC6) mit einem Rechteck-Hochfrequenzsignal (WR-PULS) z. B. 100 kHz logisch verknüpft, so daß am Eingang der Transformatoren TR1 und TR2 zwei Pulspakete mit, wie hier beschrieben, beispielsweise 100 kHz anliegen.

Der Startzeitpunkt der beiden Pulspakete ist jeweils um 180° phasenverschoben, jedes Pulspaket ist so lange wie die Halbwelle der Netzwechselspannung, der das Pulspaket durch die logische Verknüpfung zugeordnet ist oder gleich lang wie ein anderweitig erzeugte Referenzsignale.

Durch die Aufteilung des Transformators auf zwei Sekundärwicklungen entstehen je Netzphase gleichzeitig zwei galvanisch getrennte Pulspakete zur Ansteuerung der beiden Leistungstransistor-Paare. Diese zwei Transistoren sind mindestens nötig sind um eine Stromquelle und Stromsenke für jede Halbwelle zu bilden.

Anstelle eines Transformators mit zwei getrennten Sekundärwicklungen können auch zwei getrennte Transformatoren mit je einer Wicklung für die Primär- und Sekundärseite verwendet werden.

Bei positiver Spannung U_netz (positive Halbwelle) werden, durch die oben beschriebene Verknüpfung, die Transistoren TS1 und TS2 über den Transformator TR1 jeweils mit einem eigenen Pulspaket angesteuert und dadurch leitend. Über Transistor TS1 fließt ein positiver Strom in das Netz und vom Verbraucher über Transistor TS2 wieder zurück zum Bezug der Spannungsquelle.

Bei negativer Spannung U_netz (negative Halbwelle) werden, durch die oben beschriebene Verknüpfung, die Transistoren TS3 und TS4 über den Transformator TR2 jeweils mit einem eigenen Pulspaket angesteuert und dadurch leitend. Über Transistor TS3 fließt ein positiver Strom in die andere Leitung des Netzes und vom Verbraucher über Transistor TS4 wieder zurück zum Bezug der Spannungsquelle.

Durch die fortlaufende Wechselwirkung entsteht aus der den Wechselrichter speisenden (z. B. sinusförmig pulsierenden) Gleichspannung eine (sinusförmige) Wechselspannung.

Für die weitere Betrachtung der Funktionsweise dieser Erfindung ist desweiteren nur noch die Betrachtung eines Ansteuerkreises nötig, da die Ansteuerung aller vier in der Brücke enthaltenen Leistungsschalter identisch ist. Stellvertretend für die Ansteuerung von TS2-TS4 wird die Funktion der Ansteuerung von TS1 beschrieben.

Die Art und Weise dieser Ansteuermethode für MOSFETs und IGBTs bildet ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung.

Wird ein Hochfrequenzpulspaket, beginnend mit einer positiven Flanke; über die Wicklung II des Transformators TR1 an den Eingang der Ansteuerschaltung für TS1 übertragen, so wird dieses Signal über die Diode GL1 und dem, wegen der positiven Polarität des Ansteuersignals nun leitenden Transistor TS6, gleichgerichtet und liegt dann als positive Spannung am Gate des Leistungsschalters TS1 an.

Bei Verwendung eines MOSFET wird prinzipbedingt die Drain-Source-Zone niederohmig und der Transistor mithin leitend. Bei Verwendung eines IGBT wird prinzipbedingt die Collektor-Emitter-Strecke des Transistors leitend.

Da das ansteuernde Pulspaket aber aus einer Wechselspannung (z. B. 100 kHz) besteht, würde der Leistungsschalter TS1 mit der Frequenz dieser Wechselspannung pulsierend schalten und damit keinen kontinuierlichen Stromfluß ermöglichen.

Durch die Anordnung der Gleichrichterdioden GL1 und GL2 und der Transistoren TS5 und TS6 wird sichergestellt, daß die parasitäre Gate-Source-Kapazität (bzw. Gate- Emitter-Kapazität) der Leistungsschaltglieder in Verbindung mit dem Kondensator C1 als Pufferkondensator wirkt und mit in die Gleichrichterschaltung einbezogen werden kann, ohne daß sich die für die Gleichrichtung nötige, zusätzliche Kapazität von C1 auf das zeitliche Schaltverhalten des Leistungsschalters TS1 negativ auswirkt.

Ändert das Referenzsignal seinen logischen Zustand (hier wechselt z. B. der Phasendiskriminator wegen der sich ändernden Polarität der Netzspannung den logischen Zustand beider Ausgänge) werden die Ansteuerübertrager mit entgegengesetzter Polarität betrieben. Dies wird erreicht durch die logische Verknüpfung des Referenzsignals über IC2-IC4 und der Anordnung der Ansteuerübertrager innerhalb der H-Brücke (IC5 und IC6), die die Ansteuerübertrager aussteuern.

Auf der Sekundärseite entsteht ein in der Polarität entgegengesetztes Signal, so daß nun GL2 und TS5 leitend sind. Die Spannung am Gate von TS1 wird in der Polarität negativ. Durch das Umpolen der Ansteuerspannung von TS1 wird die gespeicherte Energie aus der Gate-Source-Kapazität (bzw. Gate-Emitter-Kapazität) der Leistungsschaltglieder sehr schnell ausgeräumt. Dies bewirkt jene extrem kurzen Sperrzeiten der Leistungsschalter, die nötig sind, um sicherzustellen, daß in der Kommutierungsphase der Wechselrichterbrücke keine Überschneidung des Stromflusses in den Leistungsschaltern stattfindet.

Da die Ansteuerspannung in der Sperrphase von TS1 nun negativ ist wird TS1 zuverlässig gesperrt und kann keinesfalls, auch nicht kurzzeitig, wieder in den leitenden Zustand lathen.

Durch die vorgeschriebene Schaltung wird erreicht, daß grundsätzlich nur die richtigen Leistungsschalter (Leistungs-MOSFETs, Isolated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) oder MOS Controlled Thyristor (MCTs) zum richtigen Zeitpunkt, netzsynchron und phasenrichtig einschalten.

Mit der zeitlichen Zuordnung der Flanken der Steuersignale des Phasendiskriminators zum Nulldurchgang der detektierten Wechselspannung kann ein Stromfluß in der Kommutierungsphase der Transistorbrücke gezielt vermieden oder bei Bedarf sogar gezielt erzeugt werden.

Claims (1)

1. Primärseitig (strom-und Spannungs-) modulierter Hoch­ frequenz-DC/DC-Spannungswandler, bei welchem primär­ seitig eine Speicherdrossel als Bauelement einer Stromspiegelschaltung angeordnet ist, um eine hochfre­ quente Stromübertragung auf die (galvanisch getrennte) Sekundärseite zu erhalten für ein Einspeisen einer Gleichspannung in ein Stromnetz oder zur Erzeugung einer Wechselspannung unter Verwendung eines Wechselrichters, der für die Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom ausgebildet ist.