EP4315579A1 - Dc-to-dc converter device for a wind turbine, an electric drive system or an industrial dc supply system, and operating method - Google Patents

Dc-to-dc converter device for a wind turbine, an electric drive system or an industrial dc supply system, and operating method

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Publication number
EP4315579A1
EP4315579A1 EP22719809.0A EP22719809A EP4315579A1 EP 4315579 A1 EP4315579 A1 EP 4315579A1 EP 22719809 A EP22719809 A EP 22719809A EP 4315579 A1 EP4315579 A1 EP 4315579A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
input
converter
converter device
intermediate circuit
bridge
Prior art date
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Pending
Application number
EP22719809.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Visosky
Heiko Bach-Preckwinkel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Keba Industrial Automation Germany GmbH
Original Assignee
Keba Industrial Automation Germany GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Keba Industrial Automation Germany GmbH filed Critical Keba Industrial Automation Germany GmbH
Publication of EP4315579A1 publication Critical patent/EP4315579A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582Buck-boost converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054Transistor switching losses
    • H02M1/0058Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters

Definitions

  • the invention relates to a DC/DC converter device for a wind turbine, an electrical drive system, or for an industrial DC supply network with electrical energy by means of an intermediate circuit, which can be coupled to the DC/DC converter device, of an AC/DC converter, a DC Energy storage or an energy source. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a DC/DC converter device.
  • the present technical field relates to a DC energy supply or support for a wind turbine, an interconnection of an intermediate circuit of at least one electrical drive or for the DC energy supply or support of a DC industrial network, preferably there a charging and discharging operation of an energy storage device or the coupling of DC -Subnets or network segments with different voltage levels.
  • a DC industrial network or an intermediate circuit of an electric drive especially in high-security applications such as a pitch or yaw drive of a wind turbine ge, with a grid-side AC or DC supply, both an AC / DC converter and a DC / DC converters (DC converters) are used.
  • DC intermediate circuits are used in frequency converters or for a DC power supply, which can be coupled to one another or to DC energy sources or energy sinks.
  • the document EP 2 515 424 B1 shows, for example, a DC voltage converter for stepping up and/or down voltages for supplying a third DC connection by a DC voltage source connected to a first connection and a DC voltage source connected to a second connection.
  • Voltage source for example two solar panels of a solar generator or two batteries.
  • At least a first connection and at least a second connection circuit and at least one third connection with an energy flow between the first and second connections on the one hand and the third connection on the other hand being possible, a first half-bridge which can be operated in a clocked manner, which is connected in parallel to the first connection and a series connection of at least one first switching device and a second switching device, and a second half-bridge that can be operated in a clocked manner, which is connected in parallel to the second terminal and has a series connection of at least one third switching device and at least one fourth switching device, the midpoints of the two half-bridges that can be operated in a clocked manner connected to one another via at least one inductor are connected, this at least one choke being operated as a flying inductance ben.
  • the disadvantage is that an input potential of the first connection and, parallel thereto, an input potential of the second connection are galvanically connected to an output potential of the third connection via potential rails, so that the two inputs and the output cannot be switched freely. Furthermore, two input DC energy sources are to be provided for supplying an output DC energy sink.
  • DE 10 2014 203 157 A1 considers a bipolar high-voltage network for an aircraft or spacecraft, which has a reference potential connection.
  • the circuit has two DC-DC converter modules that are switched into the converter circuit in such a way that they include two half-bridges that connect the input and output intermediate circuit rails, and their center taps each have a choke with a reference potential of the output intermediate circuit, which is related to ground potential , are connected.
  • the output circuit is bipolar, and a reference potential is connected to ground for short-circuit detection.
  • the two half-bridges of the two DC-DC converter modules are controlled separately, so that at least two chokes must be used, and the two chokes cannot be operated as flying inductors, since one connection is related to ground.
  • no quasi-potential isolation can be achieved and both half-bridges are controlled separately, so that no potential isolation can be ensured between the input and output circuits.
  • a short-circuit capability of the output connection to ground can therefore not be guaranteed.
  • the present invention can also be used in a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle.
  • a DC/DC converter device in particular a transformerless DC/DC converter device, is proposed for the operation of a wind turbine, an electric drive or an industrial DC supply network.
  • the charging station comprises: an input intermediate circuit, which has a number of intermediate circuit capacitors connected between a positive input conductor and a negative input conductor, and a DC/DC converter connected downstream of the input intermediate circuit, which has a first half bridge connected to the positive input conductor and a first half bridge connected to the negative input conductor Input conductor connected second half-bridge, wherein the center tap of the first half-bridge and the center tap of the second half-bridge are connected via a choke.
  • the DC/DC converter device has, for example, a housing, in particular a waterproof housing, with an interior space in which a plurality of electrical and/or electronic components and a connection socket connected to at least one of the components for connecting a connection or La de connector for an energy store, such as an electric vehicle, are arranged.
  • the DC/DC converter device can be used, for example, as a charging connection device for an electric vehicle.
  • the converter device can be designed in particular as a wall box.
  • the converter device can be used to charge or regenerate an energy storage device in an electric vehicle, an emergency energy storage device in a wind power plant, the coupling or emergency energy support of intermediate circuits in electrical drives, or for adjusting voltage levels in DC industrial networks are used.
  • the DC/DC converter device acts as a reference source for electrical energy for the energy store.
  • the DC/DC converter device can also be referred to as an intelligent charger for an energy store.
  • Examples of the electrical and/or electronic components of the DC/DC converter device include a contactor, all-current-sensitive circuit breaker, direct current, overcurrent and fault current monitoring device, relay, connection terminal, electronic circuits and a control device, for example comprising a printed circuit board in which a plurality of electronic components are arranged for controlling and/or measuring and/or monitoring the energy states.
  • An AC/DC converter included in the DC/DC converter device for an AC or three-phase grid connection can also be referred to as a converter.
  • the AC/DC converter is set up in particular for converting an AC voltage into a DC voltage and/or for converting a DC voltage into an AC voltage.
  • the DC/DC converter device includes an input intermediate circuit which is connected downstream of a converter of this type in particular and has a number of intermediate circuit capacitors which are connected to an input intermediate circuit center point.
  • the polyphase three-phase network i has in particular a number of phases, for example L1, L2 and L3, and a neutral conductor (also denoted by N).
  • the “charging and/or discharging of an energy store” includes both supplying electrical energy and drawing electrical energy. This means that the energy store can act as a consumer or as a generator in the DC network of the wind turbine, an electric drive or the industrial network.
  • an AC/DC converter that can be coupled to a number of AC phases L1, L2, L3, in particular a 3-point AC/DC converter, can be connected upstream of the input intermediate circuit on the input conductors on the input side, or a DC energy source , In particular a solar generator, or a DC energy store, in particular a 3-point accumulator, to the input-side input conductors, ie to be connected to the source-side input intermediate circuit.
  • a DC energy source In particular a solar generator, or a DC energy store, in particular a 3-point accumulator
  • DC energy can be taken from the DC output terminals of a mains rectifier or bidirectional AC/DC converter or stored again, or from a DC energy source, for example a fuel cell, a solar generator with solar cells, a flywheel mass storage device or ei ner battery are taken, or a DC energy storage, such as egg nem electrochemical accumulator, capacitor or flywheel storage are removed or recycled.
  • a DC energy source for example a fuel cell, a solar generator with solar cells, a flywheel mass storage device or ei ner battery are taken, or a DC energy storage, such as egg nem electrochemical accumulator, capacitor or flywheel storage are removed or recycled.
  • At least one pitch drive or one yaw drive of a wind turbine, at least one intermediate circuit of one or more electric drives, or at least one DC network segment of a DC industrial network can be connected downstream to an output intermediate circuit of the DC/DC converter.
  • the electrical supply in factories can be designed to be more energy-efficient, stable and flexible than with mains-side alternating current. If all electrical systems are coupled via an intelligent DC network, such as in the "DC Industry 2" joint project, this will also drive the energy transition in the industrial sector. In a DC industrial application, stepping up and stepping down a DC supply voltage bidirectionally seamlessly is possible with the aid of the proposed DC/DC converter device. In addition, there is a safe switch-off option and a short reaction time to short circuits and earth faults. This can be achieved in particular by the fact that the connection between the input and output of the DC/DC converter device is made exclusively by junction capacitances of semiconductor switching, i. H.
  • a pitch drive determines the angle of attack of one or more rotor blades in relation to the wind
  • a yaw drive defines the horizontal alignment of the wind turbine's nacelle in relation to the wind.
  • EP 1 852 605 B1 proposes adapting the voltage of an emergency energy store for a pitch drive to a DC intermediate circuit, so that a DC voltage level as in normal operation can be achieved largely independently of the voltage level of the emergency energy store in emergency operation and in generator operation Energy can be included in the emergency energy storage.
  • the proposed DC/DC converter device thus enables the flexible connection of the emergency energy storage device for pitch and yaw drives in wind turbines, in particular for a large number of different types of emergency energy storage devices such as lead, lithium-ion batteries or capacitors, in particular SuperCaps or UltraCaps.
  • the operational safety with fluctuating mains voltage on the input side can be maintained or stabilized, which is particularly important when using wind turbines or for safety-critical electrical drives;
  • a highly dynamic voltage exploitation up to near total discharge, for example of capacitor stores, enables both the coupling of energy stores, which provide significantly higher voltages than a DC intermediate circuit, and their operation until they are almost completely discharged, so that the energy content of the energy store is fully utilized can.
  • a control unit is provided which can control individual or all elements and units of the DC/DC converter device.
  • the choke of the DC/DC converter can preferably be operated as a flying inductance.
  • the DC/DC converter with the flying inductance can advantageously function functionally like a quasi-potential isolation.
  • the DC/DC converter has a number of semiconductor switching elements, which are in the form of MOSFETs, for example.
  • the DC/DC converter works as a voltage inverter, with the DC/DC converter preferably being controlled in such a way that the diodes of the MOSFETs never become conductive in an undesired manner during undisturbed operation.
  • the inductance preferably flies back and forth between the input potential and the output potential. This functionally results in the quasi-potential separation.
  • the potential of the energy store can shift freely relative to the potential of the intermediate input circuit of the DC/DC converter device.
  • the regulation of the inductor current of the inductor in the event of a ground fault is preferably not affected.
  • the duty cycle of the DC/DC converter does not have to be changed either.
  • the proposed DC/DC converter preferably behaves functionally like a DC/DC converter with a transformer.
  • the output potential to ground can be freely shifted within certain limits during operation without affecting the function of the DC/DC converter. This is the case in particular when there is no galvanic connection between the input side and the output side outside of a connection through the two half-bridges.
  • the inductor of the DC/DC converter can be operated as a flying inductance.
  • the DC/DC converter device is a transformerless DC/DC converter device.
  • the DC/DC converter is designed as a bidirectional DC/DC converter for stepping up and/or stepping down voltages.
  • the DC/DC converter can also be referred to as a DC voltage converter.
  • the DC/DC converter is constructed symmetrically and can step-down and step-up in both directions.
  • the respective half-bridge comprises a series connection of two semiconductor switching elements.
  • the center tap of the half-bridge is between the two series-connected semiconductor switching elements.
  • the respective semiconductor switching element is designed as a MOSFET, preferably as a SiC MOSFET, or as an IGBT or as a SiC cascode.
  • the present topology acts as a bidirectional voltage translation device (DC transformer), the voltage translation, which can be set by the control unit, depending on the ratio between the on-time and off-time of the semiconductor switching elements. With a duty cycle of 50%, the voltage transformation ratio is 1.
  • the DC/DC converter device comprises a control unit which is set up to control the semiconductor switching elements in such a way that two corresponding semiconductor switching elements of the two half-bridges switch simultaneously, in particular switch with an identical switch-on delay.
  • the two input-side, i.e. source-side semiconductor switching elements of the two half-bridges can be switched simultaneously, and the two load-side, i.e. output-side semiconductor switching elements of the two half-bridges can be switched simultaneously.
  • the DC/DC converter device can have a control unit which is set up to control the two half-bridges H1 and H2 with a phase shift, in particular with a 180° phase shift.
  • a control unit which is set up to control the two half-bridges H1 and H2 with a phase shift, in particular with a 180° phase shift.
  • phase-shifted, in particular anti-phase driving of the half-bridges can take place.
  • the quasi-potential isolation is abandoned, since a galvanic connection is established between the input and output side.
  • the efficiency of the DC / DC converter device can be increased significantly, and on the other hand, the choke can be made smaller and cheaper.
  • the terms "input side” or “source side” and the terms “output side” or “load side” should only be understood as topological definitions of the two connection sides of the DC/DC inverter device, and thereby illustrate a direction of energy flow in normal operation . Nevertheless, in a bidirectional operation within the meaning of the invention, the energy flow can also take place from the output or load side to the input or source side.
  • energy can flow from the emergency energy store on the load side to the DC intermediate circuit on the source side, or in generator operation, energy can be transferred from a DC industrial network to an AC supply network, while in control operation the energy flow vice versa.
  • energy can be routed from a first to a second intermediate circuit in the event of a high energy load in order to support the voltage level of the second intermediate circuit.
  • control unit never turns on the semiconductor switching elements of a half-bridge at the same time in order to prevent a direct connection between the input and load sides.
  • an interference suppression circuit is arranged between the input intermediate circuit and the DC/DC converter, which circuit has two interference suppression capacitors connected in parallel with the intermediate circuit capacitors.
  • the node connecting the two interference suppression capacitors is connected to ground potential.
  • the earth potential can also be referred to below as mass or earth.
  • the DC/DC converter device comprises an intermediate output circuit connected downstream of the DC/DC converter with a number of output capacitors which are connected between a negative output potential tap and a positive output potential tap of the DC/DC converter device are switched.
  • the intermediate circuit capacitors of the input intermediate circuit can advantageously form an input capacitor bridge with an input intermediate circuit center
  • the output capacitors of the output intermediate circuit can form an output capacitor bridge with an output intermediate circuit center.
  • the two intermediate circuit centers i.e. the input intermediate circuit center can be connected to the output intermediate circuit center via a coupling line.
  • the middle potential of the input and the output is galvanically coupled to each other.
  • an interference suppression circuit on the load side i.e. on the output side, is arranged between the DC/DC converter and the intermediate output circuit.
  • the load-side interference suppression circuit has two interference suppression capacitors connected in parallel with the number of output capacitors of the output intermediate circuit, the node connecting the two interference suppression capacitors being connected to ground potential.
  • the coupling line also makes it possible to drive the half-bridges H1 and H2 out of phase, in particular out of phase by 180°, i.e. in phase opposition. With this control, on the one hand, a significantly increased efficiency of the DC/DC converter device can be achieved and, on the other hand, the inductor can be made smaller and more cost-effective.
  • control unit is set up to control the semiconductor switching elements in such a way that the input-side semiconductor switching element of the first half-bridge and the load-side semiconductor switching element of the second half-bridge have overlapping switch-on times (switch-on times) and/or that the input-side semiconductor switching element of the second half-bridge and the load-side semiconductor switching element of the first half-bridge have slightly overlapping turn-on times.
  • the ratio of the switch-on times of the one output-side semiconductor switching elements to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements preferably corresponds to a predetermined quotient.
  • This control with the overlapping switch-on times causes a charge Shift in the interference suppression capacitors, which bear the reference numbers 651, 652 in the figures, in such a way that the potential of the output network can be adjusted with respect to ground potential. This allows the output potential to be balanced with respect to earth potential (ground). If an aforementioned coupling line is inserted between the capacitor bridges of the input and output, for example shown in FIG. 4a, an overlap with a 180° phase-shifted control can improve the efficiency. A phase shift that deviates slightly from 180° can change the symmetry of the output potential with respect to the input intermediate circuit center.
  • the control unit can be implemented in terms of hardware and/or software.
  • the control unit can be designed as a device or as part of a device, for example as a computer or as a microprocessor or as a control computer.
  • the control unit can be designed as a computer program product, as a function, as a routine, as part of a program code or as an executable object.
  • control unit is set up to switch off one of the input-side semiconductor switching elements of the two half-bridges earlier than the other input-side semiconductor switching element of the two half-bridges, so that coupling of an input-side primary circuit and a load-side secondary circuit via the inductor is made possible or is provided.
  • control unit is set up to turn off one of the load-side semiconductor switching elements of the two half-bridges earlier than the other load-side semiconductor switching element of the two half-bridges, so that - if no coupling line is provided and a quasi-potential isolation can be achieved - a coupling of an input-side Is made possible or is provided primary circuit and a load-side secondary circuit via the throttle.
  • the semiconductor switching elements are MOSFETs.
  • the control unit is set up to drive the gates of the MOSFETs of the half bridges with such phase-shifted control signals that - if no coupling line is provided and a quasi-potential isolation can be achieved - a coupling of an input-side primary circuit and a load-side secondary circuit is enabled or provided via the inductor.
  • the symmetry of the output voltage with respect to ground can be regulated relative to one another by a slight phase shift in the drive signals of the first half bridge and of the second half bridge. - If no coupling line is provided and a quasi-potential separation can be achieved, the phase shift periodically results in a brief coupling of the input circuit and the output circuit. This is also the case when no real power is being transmitted by the DC/DC converter device.
  • the control unit has a load current regulator, a balancing current regulator and a differential voltage regulator. Since the load current regulator is set up to set the ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements.
  • the balancing current controller is configured to provide an adjustment signal for balancing the potential at the negative output potential tap and the potential at the positive output potential tap with respect to ground potential.
  • the differential voltage controller is set up to provide a target value for the setting signal as a function of at least one measured voltage in the load-side secondary circuit.
  • the differential voltage regulator is slower than the balancing current regulator.
  • the anode of a first diode is coupled to the negative output potential tap and the cathode of the first diode is coupled to the input intermediate circuit center point. Furthermore, the anode of a second diode is coupled to the input intermediate circuit center and the cathode of the second diode is coupled to the positive output potential tap.
  • the anode of the first diode is connected to the negative output potential tap and the cathode of the first diode is connected to the input intermediate circuit center point. Furthermore, the anode of the second diode is connected to the input intermediate circuit center and the cathode of the second diode is connected to the positive output potential tap.
  • an overvoltage protection element is coupled between the input intermediate circuit midpoint and a node to which the cathode of the first diode is connected and to which the anode of the second diode is connected.
  • the overvoltage protection element is, in particular, a varistor or a bidirectional suppressor diode, such as a bidirectional transildiode.
  • a series circuit comprising a first overvoltage protection element and the first diode is arranged between the input intermediate circuit center point and the negative output potential tap. Furthermore, a series circuit comprising a second overvoltage protection element and the second diode is arranged between the input intermediate circuit center point and the positive output potential tap.
  • an EMC filter device and an LCL filter device connected downstream of the EMC filter device are coupled between three input-side connection terminals for the three phases of the multi-phase network and the AC/DC converter.
  • the LCL filter device preferably includes at least three inductors and three capacitors.
  • the AC/DC converter is designed as a 3-point AC/DC converter.
  • a reversing capacitor is connected to the middle tap of the first half-bridge, which is connected in parallel to the input-side semiconductor switching element of the first half-bridge, with a further reversing capacitor being connected to the middle tap of the first half-bridge, which is connected in parallel to the load-side semiconductor switching element of the first half-bridge is. Furthermore, a reversing capacitor is connected to the center tap of the second half-bridge, which is connected in parallel to the input-side semiconductor switching element of the second half-bridge, with a reversing capacitor connected to the center tap of the second half-bridge, which is connected in parallel to the load-side semiconductor switching element of the second half-bridge.
  • the reversing capacitors cause soft switching and thus a reduction in switching losses.
  • the resonant capacitors can also be referred to as ZVS capacitors of the snubber capacitors (ZVS; zero-voltage switching).
  • ZVS Zero-voltage switching
  • haft be arranged parallel to each semiconductor switching element, a U tuning capacitor to implement a loss-reduced turn-off.
  • the DC/DC converter device comprises a power switching device for safely disconnecting the number of input conductors from the input side, for example a multi-phase AC network.
  • the power switching device may be in the form of an electromechanical element such as a contactor or a four-phase relay.
  • the power switching device can be designed and controlled individually for a respective phase of the multiphase AC network and/or for a respective input conductor of the switching matrix, so that, for example, individual assignments can be interrupted by means of the power switching device.
  • a method for operating a DC / DC converter device for the operation of a wind turbine, an electric drive or an industrial DC supply network with electrical energy is proposed genes, wherein the DC / DC converter device has an intermediate circuit, which has a number of has intermediate circuit capacitors connected between a positive input conductor and a negative input conductor, and comprises a DC/DC converter connected downstream of the input intermediate circuit, which has a first half bridge connected to the positive input conductor and a second half bridge connected to the negative input conductor.
  • the method includes operating an inductor of the DC/DC converter that connects the center tap of the first half bridge (H1) and the center tap of the second half bridge as a flying inductor.
  • This method has the same advantages as explained for the DC/DC converter device according to the first aspect.
  • the embodiments described for the proposed DC/DC converter device apply correspondingly to the proposed method.
  • the definitions and explanations for the DC/DC converter device also apply accordingly to the proposed method.
  • FIG. 1a, 1b schematically shows two arrangements of a first embodiment of a DC/DC converter device for operating a DC industrial network and a wind power plant;
  • Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a
  • DC/DC converter device for charging and/or discharging an energy store
  • FIG. 3 shows a schematic circuit diagram of another embodiment of a DC/DC converter device
  • 4a, 4b show schematic circuit diagrams of a third and fourth embodiment of a DC/DC converter device
  • 5a, 5b show schematic circuit diagrams of a fifth and a further embodiment of a DC/DC converter device
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a sixth embodiment of a DC/DC converter device for supplying a DC network on the output side from a DC input circuit
  • FIG. 7 shows the schematic circuit diagram of FIG. 6 with a primary circuit on the output side and a secondary circuit on the load side drawn in;
  • FIG. 8 shows the schematic circuit diagram of FIG.
  • Fig. 9 shows diagrams to illustrate the inductor current and various
  • FIG. 10 shows the schematic circuit diagram of FIG. 6 with the balancing control drawn in
  • FIG. 11 shows a schematic flowchart of a method for operating a DC/DC converter device.
  • FIG. 1a and 1b show schematic arrangements with a first embodiment of a DC/DC converter device 1 for operating a DC industrial network (Fig. 1a) or an emergency energy store 2 of a pitch drive 3 of a wind turbine 3 (Fig.
  • a multi-phase AC network 4 is connected to a multi-phase power supply network 7 by means of a network connection point 6 .
  • the multi-phase AC network 4 has in particular a number of phases, for example L1, L2 and L3.
  • a DC industrial network 3 with at least one or more DC network segments 2, preferably with different voltage levels and/or electrically isolated, is connected to the DC/DC converter device 1, which includes an AC/DC converter, to the AC grid 4 coupled. Further island grids 2 with the same or different voltage levels are conceivable via DC/DC converter devices 1 that can be connected in parallel.
  • the industrial network 3 can be supplied with direct current energy via the DC/DC converter device, with the amount of energy being adjustable largely independently of the voltage level of the AC network 4 .
  • an energy store for example a high-capacity accumulator and/or a solar generator with a large number of solar cells connected in parallel, can provide switchable energy at least for isolated operation via additional DC/DC converters included in the DC/DC converter device 1. can ask. Faster load shedding in the event of a fault is conceivable, as is the connection of various DC energy sources with different or fluctuating voltage levels, which is possible without risk thanks to the quasi-potential isolation.
  • a DC/DC converter device 1 is included in a wind power plant 3 which includes a plurality of rotor blades which can be adjusted by means of pitch drives 3 .
  • the DC/DC converter device 1 couples a DC energy store 8 to an intermediate circuit of a pitch motor converter, which drives the pitch motors 2 in a controllable manner.
  • a DC/DC converter device 1 can be provided for each pitch motor 2, each of which couples an energy store 8, but also couples a common energy store 8 to the three pitch motor Z intermediate circuits due to the quasi potential separation.
  • the DC/DC converter device allows a desired DC voltage level to be provided steplessly and with a strongly fluctuating voltage level of the intermediate circuit, regardless of the nominal voltage or the charging capacity of the DC energy store 8.
  • Both energy stores 8 are used for the mains voltage, the nominal voltage of which is significantly higher than the DC intermediate circuit voltage of the pitch converter, and of the energy store 8, which provide a far lower voltage level. At high voltage levels, cables with smaller cross sections can be used due to reduced currents.
  • the DC/DC converter device 1 can have a number of electrical and/or electronic components (not shown in FIGS. 1a, 1b, see for example FIG. 2) and is particularly suitable for DC voltage conversion between the input and output sides the operation of a DC industrial network, or several network segments thereof, for coupling the intermediate circuit of one or more, in particular frequency-converted, drive systems, or to support the emergency supply of a pitch or yaw drive of a wind turbine by means of an intermediate circuit that can be coupled to a technical drive system Emergency energy storage provided..
  • Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a DC / DC converter device 1 for DC supply of an industrial network 3 from a multi-phase network 4, which includes an AC / DC converter 400 connected upstream.
  • the second 2 shows detailed features of the first embodiment according to FIG. 1a.
  • the DC/DC converter device 1 of FIG. 2 has three connection terminals 101, 102, 103 for the three phases L1, L2, L3 of the multiphase network 4.
  • the DC/DC converter device 1 can also have another connection terminal (not shown) for have the neutral conductor.
  • an EMC filter device 200 is connected downstream of the connection terminals 101, 102, 103. Furthermore, the DC/DC converter device 1 of FIG. to which a negative output potential tap 701 and a positive output potential tap 702 are connected.
  • an EMC filter device (not shown) can be connected between the negative output potential tap 701 and the positive output potential tap 702 .
  • FIG. 3 shows a DC/DC converter 600 with an integrated input intermediate circuit capacitor 501 and output capacitor 703 of an embodiment of a DC/DC converter device 1, which explains the basic principle of DC/DC conversion.
  • This includes two half-bridges H1, H2, each with two semiconductor switching elements 601, 602 or 603, 604, which are connected between the positive input conductor 401 and negative output potential tap 701 or between the negative input conductor 402 and positive output potential tap 702.
  • a choke 605 is connected as a flying de inductance between the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2.
  • An intermediate circuit capacitor 501 is connected in the input intermediate circuit 500 and an output capacitor 703 is connected to the output intermediate circuit 700 .
  • the semiconductor switching elements 601 to 604 are controlled by a control unit 600.
  • both a step-up and a step-down converter topology can be provided bidirectionally both from the input conductors 401, 402 to the output conductors 701, 702 and vice versa. This allows bidirectional DC energy from the input side 500 to the output 700 and vice versa, and the respective output voltages are continuously changed independently of the respective input voltages.
  • Fig. 4a shows a schematic circuit diagram of a third embodiment of a DC / DC converter device 1 which makes it possible with respect shiftable within certain limits, to convert DC voltage at the output potential taps 701, 702.
  • a symmetrical GND center potential can be fed in on the input side, particularly if a 3-point AC/DC converter is used, but this can also be dispensed with.
  • the third embodiment of FIG. 4a includes all the features of the second embodiment of FIG. FIG. 4a illustrates details of the DC/DC converter device 1.
  • FIG. 4a illustrates details of the DC/DC converter device 1.
  • the input intermediate circuit 500 has two intermediate circuit capacitors 501, 502, which are connected between a positive input conductor 401 and a negative input conductor 402 and a symmetrical center potential GND of the intermediate circuit center point 503.
  • the DC/DC converter 600 connected downstream of the input intermediate circuit 500 has a first half-bridge H1 and a second half-bridge H2.
  • the first half-bridge H1 is connected to the positive input conductor 401 and includes a series connection of two semiconductor switching elements 601, 602.
  • the first half-bridge H1 is also connected to the negative output potential tap 701.
  • the second half-bridge H2 is connected to the negative input conductor 402 and includes a series connection of two semiconductor switching elements 603, 604.
  • the respective semiconductor switching element 601, 602, 603, 604 is in the form of a MOSFET, for example.
  • the second half-bridge H2 is connected to the positive output potential tap 701 .
  • the center tap M1 of the first half-bridge H1 and the center tap M2 of the second half-bridge H2 are connected via a choke 605.
  • the inductance of the choke 605 is preferably between 10 mH and 100 mH. Included the value of the inductance of the choke 605 is selected in particular depending on the power of the DC/DC converter device 1 and the selected switching frequency from the range between 10 mH and 100 mH's.
  • the choke 605 of the DC/DC converter 600 can be operated in particular as a flying inductance.
  • the DC/DC converter device 1 of Fig. 4a has a control unit 610.
  • the control unit 610 is set up to control the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 and in particular to control them in such a way that two corresponding semiconductor switching elements 601, 603 and 602, 604 of the two half-bridges H1, H2 in phase or antiphase, also phase-shifted, switch, in particular switch with an identical switch-on delay.
  • the two input-side, i.e. source-side semiconductor switching elements 601, 603 of the two half-bridges H1, H2 can be switched simultaneously, and the two load-side, i.e. output-side semiconductor switching elements 602, 604 of the two half-bridges H1, H2 can also be switched simultaneously, in particular in phase or in phase opposition.
  • the half-bridges H1 and H2 are thus operated in phase.
  • the half-bridges H1 and H2 can also be operated with a 180° phase shift, i.e. in phase opposition.
  • An intermediate output circuit 700 which has a number of output capacitors 703, 704, is connected downstream of the DC/DC converter 600.
  • the intermediate output circuit 700 has - without loss of generality - an output capacitor bridge with two series-connected capacitors 703, 704 which is connected between the negative output potential tap 701 and the positive output potential tap 702 of the DC/DC converter device 1, between tween which an output intermediate circuit center 705 is defined.
  • the input intermediate circuit center point 503 and the output intermediate circuit center point 705 are connected to one another via a coupling line 750 .
  • the coupling line 750 equalizes the middle potentials of the intermediate circuit center points 503, 705, so that no potential differences occur in this respect and the input and output potential thus receive a common middle potential.
  • Fig. 4b is a schematic circuit diagram of a fourth embodiment of a DC / DC converter device 1, which is designed for charging and discharging a DC energy store 8 by means of an AC network 4.
  • the fourth embodiment of Fig. 4b includes essential features of the third embodiment of Fig. 4a, but differs from it in a few points:
  • the intermediate input circuit 500 is preceded by a 3-point AC/DC converter 400, which provides an input potential symmetrical about a GND center tap from mains-side three-wire phases of a subscriber network 4, which are smoothed by an LCL filter device 400.
  • the intermediate output circuit 700 includes a single output capacitor 703 and the coupling line 750 is omitted.
  • the center potential between the output potential taps 701, 702 can be freely shifted independently of the center potential at the input intermediate circuit center point 503 and is generally kept at ground potential during operation.
  • one of the output potential taps 701 or 702 can be brought to ground potential without impairing operation, which enables protection against accidental contact.
  • the DC/DC converter device 1 of Fig. 4b has an interference suppression circuit 550 arranged between the input intermediate circuit 500 and the DC/DC converter 600.
  • the interference suppression circuit 550 comprises two interference suppression capacitors 551, 552 connected in parallel with the intermediate circuit capacitors 501, 502.
  • the node 553 connecting the two suppression capacitors 551, 552 is connected to earth potential (mass).
  • the DC/DC converter device 1 of Fig. 4b has a load-side interference suppression circuit 650 arranged between the DC/DC converter 600 and the output intermediate circuit 700.
  • the load-side, i.e. output-side interference suppression circuit 650 has two parallel to the output capacitor 703 of the output intermediate circuit 700 switched interference suppression capacitors 651, 652.
  • the node 653 connecting the two interference suppression capacitors 651, 652 is connected to earth potential (ground).
  • FIG. 5a shows a schematic circuit diagram of a fifth embodiment of a DC/DC converter device 1 for charging and/or discharging an energy store 8 from an AC network 4.
  • the energy store 8 can also be powered by a DC industrial network 3 or an emergency energy store of an intermediate circuit a pitch drive 2 can be replaced, in which case no AC mains 4 but an intermediate circuit of the control Circuit of the pitch drive 2 is connected.
  • the fifth embodiment of FIG. 5a comprises all features of the fourth embodiment according to FIG. 4b, although the interference suppression circuit 550 on the input side and the interference suppression circuit .650 on the output side are omitted.
  • the DC/DC converter device 1 of FIG. 5a also has a first diode 801 and a second diode 802.
  • the anode of the first diode 801 is connected to the negative output potential tap 701, and the cathode of the first diode 801 is connected to the input Intermediate circuit center 503 connected.
  • the anode of the second diode 802 is connected to the input intermediate circuit center point 503 and the cathode of the second diode 802 is connected to the positive output potential tap 702 .
  • a resonant capacitor 606 is connected to the center tap M1 of the first half-bridge H1 and is connected in parallel with the semiconductor switching element 601.
  • an oscillating capacitor 607 is connected to the center tap M1 of the first half-bridge H1 and is connected in parallel to the semiconductor switching element 602 .
  • a reversing capacitor 608 is connected to the center tap M2 of the second half-bridge H2 and is connected in parallel to the semiconductor switching element 603 .
  • an oscillating capacitor 609 is connected to the center tap M2 of the second half-bridge H2 and is connected in parallel to the semiconductor switching element 604 .
  • the reversing capacitors 606, 607, 608, 609 limit the rate at which the voltage rises and thus reduce the turn-off losses and improve the EMC behavior with regard to interference emissions.
  • the resonant capacitors can also be referred to as ZVS capacitors or snubber capacitors (ZVS; zero-voltage switching).
  • FIG. 5b shows the fifth embodiment shown in FIG. 5a for a general DC/DC conversion as a further embodiment and enjoys the advantages shown with respect to the fifth embodiment, in particular with regard to the efficiency, the EMC and the ZVS switching behavior .
  • a DC source for example a drive intermediate circuit, a DC energy source such as a Solar generator or a DC energy storage can be connected.
  • a DC industrial network segment 2 of a DC industrial network 4 or an emergency energy store of a pitch drive 2 can be connected.
  • a DC voltage is provided on the input side on the positive and negative input conductors 401, 402, and a center voltage symmetrical thereto is provided on the GND input.
  • an intermediate output circuit with an output capacitor bridge 703, 704 is arranged on the output side.
  • the output intermediate circuit center point 705 is connected to the input intermediate circuit center point 503 via a coupling line 750, so that what was said about the embodiment of FIG. 4a applies in this regard.
  • the GND connection does not necessarily have to be used.
  • the control unit 610 is preferably set up to control the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 in such a way that the first half-bridge H1 and the second half-bridge H2 are controlled in phase or preferably in phase opposition with a 180° phase shift.
  • the ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements 601, 603 to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements 602, 604 is in particular adjustable or constant, ie has a predetermined quotient.
  • the symmetry of the average output voltage at the output potential taps 701 and 702 with respect to GND can be achieved by a phase shift that deviates slightly from in-phase or from 180°.
  • the control unit 610 is preferably set up to turn off one of the semiconductor switches 601, 602, 603 and 604 somewhat earlier in order to achieve symmetry of the average output voltage at the output potential taps 701 and 702 with respect to GND.
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a sixth embodiment of a DC/DC converter device 1 for providing a variably adjustable DC output potential on the output side.
  • the sixth embodiment of FIG. 6 includes all features of the fifth embodiment of FIG. 5a.
  • the DC/DC converter device 1 has an overvoltage protection element 803, which is coupled between the input intermediate circuit center point 503 and a node 804, to which the cathode of the first diode 801 is connected and to which the anode of the second Diode 802 is connected.
  • the overvoltage protection element 803 is, for example, a varistor or a bidirectional suppressor diode, such as a bidirectional transildiode.
  • the functionality of the diodes 801, 802 and the overvoltage protection element 803 is the protection of the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 against overvoltage. This overvoltage can arise if the mean potential of the output potential taps 701 and 702 should shift sharply in relation to the input intermediate circuit center point 503.
  • the diodes 801, 802 and the overvoltage protection element 803 achieve this in particular in that the potential of the output potential tap 702 cannot become more negative than the potential of the input intermediate circuit center point 503 and the potential at the output potential tap 701 cannot become more positive than that Potential of the input intermediate circuit center point 503.
  • a series circuit comprising a first overvoltage protection element and the first diode 801 can be arranged between the input intermediate circuit center point 503 and the negative output potential tap 701, and a series circuit comprising a second overvoltage can be arranged between the input intermediate circuit center point 503 and the positive output potential terminal 702 voltage protection element and the second diode 802 can be arranged.
  • the control unit 610 is preferably set up to control the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 in such a way that the input-side semiconductor switching element 601 of the first half-bridge H1 and the load-side semiconductor switching element 604 of the second half-bridge H2 are low have slightly overlapping turn-on times and/or that the input-side semiconductor switching element 603 of the second half-bridge H2 and the load-side semiconductor switching element 602 of the first half-bridge H1 have slightly overlapping turn-on times.
  • the ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements 601, 603 to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements 602, 604 is in particular adjustable or constant, that is to say it has a specific quotient.
  • control unit 610 is preferably set up to turn off one of the output-side semiconductor switching elements 601, 603 of the two half-bridges H1, H2 earlier than the other input-side semiconductor switching element 603, 601 of the two half-bridges H1, H2, so that a coupling of an input-side primary circuit K1 (see FIG. 7) and a load-side secondary circuit K2 (see FIG. 7) via the inductor 605 is provided.
  • a coupling for the circuit K3 of a balancing current is shown in FIG. Details on this are explained below.
  • the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 can be in the form of MOSFETs.
  • the control unit 610 can preferably be set up to control the gates of the MOSFETs 601, 602, 603, 604 of the half-bridges H1, H2 with such phase-shifted control signals G1, G2, G3, G4, so that the input-side primary circuit K1 (See Fig. 7) and the load-side secondary circuit K2 (see Fig. 7) via the choke 605 is provided.
  • FIG. 9a shows the current in the inductor 605
  • FIG. 9b shows the output voltage denoted as U1, plus to ground denoted as U2, minus to ground denoted as U3 and the average output voltage denoted as U4.
  • Fig. 9c shows the reverse voltages of MOSFETs 601, 602, 603 and 604, where V1 is the reverse voltage across MOSFET 601, V2 is the reverse voltage across MOSFET 602, V3 is the reverse voltage across MOSFET 603 and V4 is the reverse voltage across MOSFET 604 is.
  • FIG. 9a shows the current in the inductor 605
  • FIG. 9b shows the output voltage denoted as U1, plus to ground denoted as U2, minus to ground denoted as U3 and the average output voltage denoted as U4.
  • Fig. 9c shows the reverse voltages of MOSFETs 601, 602, 603 and 604, where V1 is the reverse voltage across MOSFET 601, V2 is the reverse voltage across MOSFET 602, V3 is
  • 9d shows the gate signals of the MOSFETs 601, 602, 603 and 604.
  • the gate signal G1 is assigned to the MOSFET 601
  • the gate signal G2 is assigned to the MOSFET 602, which is the gate signal G3 associated with MOSFET 603 and gate signal 604 associated with MOSFET 604 .
  • the mean value of the current flowing through the choke 605 is 60 A. This is the sum of the mean input current of the primary circuit K1 (see Fig. 7) and the mean output current of the secondary circuit K2 (see 7).
  • times A are provided in the gate signals G1, G2, G3, G4 of the MOSFETs 601, 602, 603, 604 for the charge reversal of the reversing capacitors 606, 607, 608 and 609.
  • the charge reversal can be seen on edge B of the MOSFET blocking voltages according to FIG. 9c.
  • the maximum current of + 150 A according to Fig. 9a in the inductor 605 causes rapid charge reversal, the minimum current of -30 A according to FIG.
  • ZVS switching of MOSFETs 601, 602, 603 and 604 is characterized by zero-loss turn-on and zero-loss turn-off with slew-rate limited by resonant capacitors 606, 607, 608 and 609.
  • ZVS switching presupposes that the inductor current according to FIG. 9a has at least one zero crossing between two switching operations of the MOSFETs 601, 602, 603 and 604.
  • MOSFET 603 is switched off earlier than MOSFET 601. This results in the above-mentioned coupling (see circuit K3 in FIG. 8) of the circuits.
  • the symmetry of the output voltage to ground shifts with each switching process (cf. FIG. 9b at time C). A symmetry control can thus take place.
  • control unit 610 can have two current regulators, which in particular are independent of one another.
  • control unit 610 includes a load current controller 611 and a balancing current controller 612.
  • Control unit 610 also includes a differential voltage controller 613.
  • the load current controller 611 is set up in particular to set the ratio of the switch-on times of the input-side MOSFETs 601, 603 to the switch-on times of the load side MOSFETs 602, 604 set.
  • the symmetry current regulator 612 provides a symmetry current (see circuit K3 of FIG. 8 and SY in FIG. 10) for symmetrizing the potential at the negative output potential tap 701 and the potenti as at the positive output potential tap 702 with respect to ground potential.
  • the differential voltage controller 613 is set up in particular to provide a setpoint value SWS (see FIG. 10) for a setting signal SY depending on at least one measured voltage U2, U3 (see FIG. 10) in the load-side secondary circuit K2.
  • the differential voltage controller 613 is slower than the balancing current controller 612.
  • the fast load current controller 611 influences the ratio of the switch-on times (switch-on durations) of the input-side MOSFETs 601, 603 to the switch-on times of the load-side MOSFETs 602, 604. If the ratio is less than 1, the input voltage is reduced, if the ratio is greater than 1 it is boosted, with a ratio of 1 the input voltage is only inverted.
  • the differential current controller influences the switch-off time of individual MOS-FETs 601, 602, 603, 604 or the phase shift.
  • the balancing current regulator 612 can set a balancing current according to FIGS. 8 and 10.
  • the differential voltage controller 613 supplies the target value SWS for the setting signal SY. For example, this can ensure that an earth leakage current caused by unequal soiling of the output potential taps 701 and 702 to earth is compensated for by the balancing current regulator 612 and the output voltage thus remains earth-symmetrical. It is also preferably suitable for compensating for the tendency towards asymmetry caused by timing tolerances in the gate signals G1, G2, G3, G4. Details on this are explained with reference to FIG. 10 .
  • FIG. 10 shows the schematic circuit diagram of FIG. 6 with the balancing control drawn in, with some of the reference symbols drawn in FIG. 6 being omitted in FIG. 10 for reasons of clarity.
  • the control unit 610 shown in FIG. 10 can also be referred to as a control unit or control device and is set up for balance control.
  • the control unit 610 of FIG. 10 includes a load current controller 611, a balancing current controller 612 and a differential voltage controller 613.
  • the DC/DC converter device 1 according to Fig. 10 includes a first current measuring device 614, a second current measuring device 615, a first voltage measuring device 616, a second voltage measuring device 617, a first subtraction unit 618, a summation unit 619, a second subtraction unit 620, a halving unit 621 as well a PWM generator 622 (PWM; pulse width modulation).
  • the first current measuring device 614 is set up to measure the current I3 flowing from the first half bridge H1 to the negative output potential tap 701 .
  • the second current measuring device 615 is set up to measure the current I2 flowing from the second half-bridge H2 to the positive output potential tap 702 .
  • the first subtraction unit 618 is suitable for providing a first differential signal DS1 from a difference between the current I2 and the current I3 on the output side.
  • the summing unit 619 sums the currents I2 and I3 and, depending on this, provides a sum signal SS1 on the output side.
  • the first voltage measuring device 616 is set up to measure a voltage drop between the negative output potential tap 701 and ground and to provide a first voltage value U3 (negative to ground) on the output side as a function of this measurement.
  • the second voltage measuring device 617 is set up to measure a voltage drop between the positive output potential tap 702 and ground and to provide a second voltage signal U2 (plus to ground) on the output side as a function of the measurement.
  • the second subtraction unit 620 forms a second difference signal DS2 from the difference between U2 and U3 and makes this available on the output side.
  • the differential voltage controller 613 receives on the input side the second differential signal DS2 from the second subtraction unit 620 and a differential voltage setpoint value DSS and, depending on this, sets the balancing current setpoint on the output side. value SWS and feeds it to the balancing current controller 612.
  • the balancing current controller 612 receives the balancing current setpoint SWS on the input side and the first differential signal DS1 from the first subtraction unit 618. Depending on these received signals DS1, SWS, the balancing current controller 612 provides the setting signal SY on the output side and feeds this to the PWM generator 622 to.
  • the load current controller 611 receives the halved sum signal SS2 and a load current setpoint value LSS and, depending on this, provides a setting signal on the output side for setting the switch-on times of the MOSFETs 601, 602, 603, 604.
  • the PWM generator generates the gate signals G1, G2, G3, G4 for the MOSFETs 601, 602, 603, 604 depending on the received setting signal ES and the received setting signal SY.
  • the differential voltage controller 613 is so slow that it cannot initially change the balancing current in the event of a fault current suddenly occurring.
  • the charge reversal of the capacitors 651 and 652 is preferably not disturbed in this case.
  • the system behaves like a system that is galvanically isolated from the network 4.
  • the DC/DC converter 600 is preferably switched off. If desired, the system could continue to operate with a ground fault if necessary, without driving a current into the ground fault.
  • step S1 the DC/DC converter device 1 is connected to a DC energy source such as an AC/DC converter 400 of a multi-phase network 4, an intermediate drive circuit, a solar generator, a DC energy store or the like and a DC energy sink.
  • a DC energy source such as an AC/DC converter 400 of a multi-phase network 4, an intermediate drive circuit, a solar generator, a DC energy store or the like and a DC energy sink.
  • a DC energy store 8 for example an electric vehicle, a network segment 2 of a DC industrial network 3, an emergency energy store, etc. coupled.
  • DC/DC converter device between an emergency energy store and the intermediate circuit of one or more pitch or yaw drives 2 of a wind turbine 3, between intermediate circuits of electrical drives for intermediate circuit coupling or support by means of an energy store or an energy source, between to use different network segments 2 of a DC industrial network 3 or the like, in which, preferably bidirectionally, electrical energy can be passed to the same or different, preferably variable, voltage levels.
  • step S2 the inductor 605 of the DC/DC converter 600 connecting the center tap M1 of the first half-bridge H1 and the center tap M2 of the second half-bridge H2 is operated as a flying inductor.
  • differential voltage regulator first current measuring device second current measuring device first voltage measuring device second voltage measuring device first subtraction unit

Abstract

Disclosed is a DC-to-DC converter device (1) for operating a wind turbine, an electric drive system or an industrial DC-to-DC supply system (3) with electric power, in particular by means of a DC link of an AC-to-DC converter (400) of a DC energy source or DC energy store (8), said DC link being able to be coupled to the DC-to-DC converter device (1) which comprises: - an input DC link (500) that includes a number of DC link capacitors (501, 502) which are connected between a positive input conductor (401) and a negative input conductor (402); and - a DC-to-DC converter (600) which is connected in series to the input DC link (500) and includes a first half-bridge (H1) connected to the positive input conductor (401) as well as a second half-bridge (H2) connected to the negative input conductor (402), the center tap (M1) of the first half-bridge (H1) and the center tap (M2) of the second half-bridge (H2) being connected via a choke (605). A secondary aspect of the invention relates to a method for operating the DC-to-DC converter device, in particular to operate a pitch drive or yaw drive of a wind turbine, of an electric drive or of an industrial DC supply system.

Description

DC/DC-WANDLERVORRICHTUNG FÜR EINE WINDKRAFTANLAGE, ESN ELEKTRISCHES ANTRIEBSYSTEM, ODER FÜR EIN INDUSTRIELLES DC- VERSORGUNGSNETZ UND BETRSEBSVERFAHREN DC/DC CONVERTER DEVICE FOR A WIND TURBINE, ESN ELECTRICAL PROPULSION SYSTEM, OR FOR AN INDUSTRIAL DC SUPPLY NETWORK AND METHOD OF OPERATION
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft eine DC/DC-Wandlervorrichtung für eine Windkraftanlage, ein elektrisches Antriebsystem, oder für ein industrielles DC-Versorgungsnetz mit elektri scher Energie mittels eines mit der DC/DC-Wandlervorrichtung koppelbaren Zwischen kreises eines AC/DC-Wandlers, eines DC-Energiespeichers oder einer Energiequelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen DC/DC- Wandlervorrichtung. The invention relates to a DC/DC converter device for a wind turbine, an electrical drive system, or for an industrial DC supply network with electrical energy by means of an intermediate circuit, which can be coupled to the DC/DC converter device, of an AC/DC converter, a DC Energy storage or an energy source. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a DC/DC converter device.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Das vorliegende technische Gebiet betrifft eine DC-Energieversorgung oder Stützung einer Windkraftanlage, eine Verschaltung eines Zwischenkreises zumindest eines elektrischen Antriebes oder für die DC-Energieversorgung oder Stützung eines DC- Industrienetzes, vorzugsweise dort einen Lade- und Entladebetrieb eines Energiespei chers oder die Kopplung von DC-Subnetzen bzw. Netzsegmenten mit verschiedenen Spannungsniveaus. In einem Netzbetrieb eines DC-Systems wie z. B. einem DC- Industrienetz oder eines Zwischenkreises eines Elektroantriebes, insbesondere in Hochsicherheitsanwendungen wie einem Pitch- oder Yaw-Antrieb einer Windkraftanla ge, können bei einer netzseitigen AC- oder DC-Versorgung sowohl ein AC/DC-Wandler als auch ein DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) zum Einsatz kommen. Im Be reich elektrischer Antriebe werden DC-Zwischenkreise in Frequenzumrichtern oder für eine Gleichstromversorgung eingesetzt, die miteinander oder mit DC-Energiequellen oder Energiesenken koppelbar sind. The present technical field relates to a DC energy supply or support for a wind turbine, an interconnection of an intermediate circuit of at least one electrical drive or for the DC energy supply or support of a DC industrial network, preferably there a charging and discharging operation of an energy storage device or the coupling of DC -Subnets or network segments with different voltage levels. In a mains operation of a DC system such. B. a DC industrial network or an intermediate circuit of an electric drive, especially in high-security applications such as a pitch or yaw drive of a wind turbine ge, with a grid-side AC or DC supply, both an AC / DC converter and a DC / DC converters (DC converters) are used. In the area of electrical drives, DC intermediate circuits are used in frequency converters or for a DC power supply, which can be coupled to one another or to DC energy sources or energy sinks.
Hierzu zeigt das Dokument EP 2 515 424 B1 beispielsweise einen Gleichspannungs wandler zum Hoch- und/oder Tief setzen von Spannungen für eine Versorgung eines dritten DC-Anschlusses durch eine an einem ersten Anschluss angeschlossene DC- Spannungsquelle und einer an einem zweiten Anschluss angeschlossenen DC- Spannungsquelle, beispielsweise zwei Solarmodule eines Solargenerators oder zwei Batterien. Hierzu ist wenigstens ein erster Anschluss und wenigstens ein zweiter An- Schluss sowie wenigstens ein dritter Anschluss umfasst, wobei ein Energiefluss zwi schen den ersten und zweiten Anschlüssen einerseits und dem dritten Anschluss an dererseits möglich ist, einer getaktet betreibbaren ersten Halbbrücke, welche parallel zu dem ersten Anschluss geschaltet ist und eine Reihenschaltung von wenigstens ei ner ersten Schaltvorrichtung und einer zweiten Schaltvorrichtung aufweist, und einer getaktet betreibbaren zweiten Halbbrücke, welche parallel zu dem zweiten Anschluss geschaltet ist und eine Reihenschaltung von wenigstens einer dritten Schaltvorrichtung und wenigstens einer vierten Schaltvorrichtung aufweist, wobei die Mittelpunkte der beiden getaktet betreibbaren Halbbrücken über wenigstens eine Drossel miteinander verbunden sind, wobei diese wenigstens eine Drossel als fliegende Induktivität betrie ben wird. Nachteilig sind ein Eingangspotential des ersten Anschlusses und parallel dazu ein Eingangspotential des zweiten Anschlusses mit einem Ausgangspotential des dritten Anschlusses über Potentialschienen galvanisch verbunden, so dass keine Frei schaltung zwischen den beiden Eingängen und dem Ausgang erfolgen kann. Des Wei teren sind zwei Eingangs-DC-Energiequellen zur Versorgung einer Ausgangs-DC- Energiesenke vorzusehen. For this purpose, the document EP 2 515 424 B1 shows, for example, a DC voltage converter for stepping up and/or down voltages for supplying a third DC connection by a DC voltage source connected to a first connection and a DC voltage source connected to a second connection. Voltage source, for example two solar panels of a solar generator or two batteries. For this purpose, at least a first connection and at least a second connection circuit and at least one third connection, with an energy flow between the first and second connections on the one hand and the third connection on the other hand being possible, a first half-bridge which can be operated in a clocked manner, which is connected in parallel to the first connection and a series connection of at least one first switching device and a second switching device, and a second half-bridge that can be operated in a clocked manner, which is connected in parallel to the second terminal and has a series connection of at least one third switching device and at least one fourth switching device, the midpoints of the two half-bridges that can be operated in a clocked manner connected to one another via at least one inductor are connected, this at least one choke being operated as a flying inductance ben. The disadvantage is that an input potential of the first connection and, parallel thereto, an input potential of the second connection are galvanically connected to an output potential of the third connection via potential rails, so that the two inputs and the output cannot be switched freely. Furthermore, two input DC energy sources are to be provided for supplying an output DC energy sink.
Daneben betrachtet die DE 10 2014 203 157 A1 ein bipolares Hochspannungsnetz für ein Luft- oder Raumfahrzeug, das einen Referenzpotentialanschluss aufweist. Die Schaltung weist zwei Gleichspannunsgswandlermodule auf, die derart in die Wandler schaltung eingeschaltet sind, dass diese zwei Halbbrücken umfassen, die die Ein gangs- und Ausgangszwischenkreisschienen verbinden, und deren Mittelabgriffe je weils über eine Drossel mit einem Referenzpotential des Ausgangszwischenkreis, das auf Massepotential bezogen ist, verbunden sind. Dazu ist der Ausgangskreis bipolar ausgeführt, und ein Referenzpotential ist mit der Masse zur Kurzschlussdetektion ver bunden. Die beiden Halbbrücken der beiden Gleichspannungswandlermodule sind an steuergetrennt, so dass zumindest zwei Drosseln einzusetzen sind, und die beiden Drosseln nicht als fliegende Induktivität betreibbar sind, da jeweils ein Anschluss auf Masse bezogen ist. Somit ist keine Quasi-Potentialtrennung erreichbar und beide Halbbrücken sind ansteuergetrennt, so dass keine Potentialtrennung zwischen Ein gangs- und Ausgangskreis sichergestellt werden kann. Eine Kurzschlussfähigkeit des Ausgangsanschlusses gegen Masse kann somit nicht gewährleistet werden. In addition, DE 10 2014 203 157 A1 considers a bipolar high-voltage network for an aircraft or spacecraft, which has a reference potential connection. The circuit has two DC-DC converter modules that are switched into the converter circuit in such a way that they include two half-bridges that connect the input and output intermediate circuit rails, and their center taps each have a choke with a reference potential of the output intermediate circuit, which is related to ground potential , are connected. For this purpose, the output circuit is bipolar, and a reference potential is connected to ground for short-circuit detection. The two half-bridges of the two DC-DC converter modules are controlled separately, so that at least two chokes must be used, and the two chokes cannot be operated as flying inductors, since one connection is related to ground. Thus, no quasi-potential isolation can be achieved and both half-bridges are controlled separately, so that no potential isolation can be ensured between the input and output circuits. A short-circuit capability of the output connection to ground can therefore not be guaranteed.
Gleichwohl kann die vorliegende Erfindung auch in einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges eingesetzt werden. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG Nevertheless, the present invention can also be used in a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle. DISCLOSURE OF THE INVENTION
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte DC/DC- Wandlervorrichtung zum Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebssys tems oder eines DC-Energienetzes zu schaffen. It is an object of the present invention to provide an improved DC/DC converter device for operating a wind turbine, an electric drive system or a DC power grid.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine DC/DC-Wandlervorrichtung mit und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. The task is solved by a DC/DC converter device with and by a method with the features of the independent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine DC/DC-Wandlervorrichtung, insbesondere eine transformatorlose DC/DC-Wandlervorrichtung, für den Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebs oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes vorge schlagen. Die Ladestation umfasst: einen Eingangszwischenkreis, welcher eine Anzahl von zwischen einem positi ven Eingangsleiter und einem negativen Eingangsleiter geschaltete Zwischen kreiskondensatoren aufweist, und einen dem Eingangszwischenkreis nachgeschalteten DC/DC-Wandler, welcher eine mit dem positiven Eingangsleiter verbundene erste Halbbrücke und eine mit dem negativem Eingangsleiter verbundene zweite Halbbrücke aufweist, wobei der Mittelabgriff der ersten Halbbrücke und der Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke über eine Drossel verbunden sind. According to a first aspect, a DC/DC converter device, in particular a transformerless DC/DC converter device, is proposed for the operation of a wind turbine, an electric drive or an industrial DC supply network. The charging station comprises: an input intermediate circuit, which has a number of intermediate circuit capacitors connected between a positive input conductor and a negative input conductor, and a DC/DC converter connected downstream of the input intermediate circuit, which has a first half bridge connected to the positive input conductor and a first half bridge connected to the negative input conductor Input conductor connected second half-bridge, wherein the center tap of the first half-bridge and the center tap of the second half-bridge are connected via a choke.
Die DC/DC-Wandlervorrichtung weist beispielsweise ein Gehäuse, insbesondere ein wasserdichtes Gehäuse, mit einem Innenraum auf, in dem eine Mehrzahl von elektri schen und/oder elektronischen Komponenten und eine mit zumindest einer der Kom ponenten verbundene Anschlussbuchse zum Verbinden eines Verbindungs- oder La desteckers für einen Energiespeicher, beispielsweise eines Elektrofahrzeuges, ange ordnet sind. The DC/DC converter device has, for example, a housing, in particular a waterproof housing, with an interior space in which a plurality of electrical and/or electronic components and a connection socket connected to at least one of the components for connecting a connection or La de connector for an energy store, such as an electric vehicle, are arranged.
Die DC/DC-Wandlervorrichtung kann beispielsweise als Ladeanschlussvorrichtung für ein Elektrofahrzeug eingesetzt werden. Die Wandlervorrichtung kann insbesondere als Wall box ausgebildet sein. Die Wandlervorrichtung kann zum Aufladen bzw. Regenerie ren eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges, eines Notenergiespeichers einer Windkraftanlage, die Verkopplung oder Notenergiestützung von Zwischenkreisen elektrischer Antriebe, oder für eine Anpassung von Spannungsniveaus in DC- Industrienetzen eingesetzt werden. Die DC/DC-Wandlervorrichtung agiert dabei als Bezugsquelle für elektrische Energie für den Energiespeicher. Die DC/DC- Wandlervorrichtung kann auch als intelligentes Ladegerät für einen Energiespeicher bezeichnet werden. The DC/DC converter device can be used, for example, as a charging connection device for an electric vehicle. The converter device can be designed in particular as a wall box. The converter device can be used to charge or regenerate an energy storage device in an electric vehicle, an emergency energy storage device in a wind power plant, the coupling or emergency energy support of intermediate circuits in electrical drives, or for adjusting voltage levels in DC industrial networks are used. The DC/DC converter device acts as a reference source for electrical energy for the energy store. The DC/DC converter device can also be referred to as an intelligent charger for an energy store.
Beispiele für die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der DC/DC- Wandlervorrichtung umfassen Schütz, Allstromsensitiver-Schutzschalter, Gleich-, Über- und Fehlerstrom-Überwachungsvorrichtung, Relais, Anschlussklemme, elektro nische Schaltkreise und eine Steuervorrichtung, beispielsweise umfassend eine Leiter platte, auf welcher eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen zum Steuern und/oder Messen und/oder Überwachen der Energiezustände angeordnet sind. Examples of the electrical and/or electronic components of the DC/DC converter device include a contactor, all-current-sensitive circuit breaker, direct current, overcurrent and fault current monitoring device, relay, connection terminal, electronic circuits and a control device, for example comprising a printed circuit board in which a plurality of electronic components are arranged for controlling and/or measuring and/or monitoring the energy states.
Ein in der DC/DC-Wandlervorrichtung umfasster AC/DC-Wandler für eine Wechsel oder Drehstromnetzanbindung kann auch als Umrichter bezeichnet werden. Der AC/DC-Wandler ist insbesondere zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und/oder zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspan nung eingerichtet. Die DC/DC-Wandlervorrichtung umfasst einen insbesondere einem derartigen Umrichter nachgeschalteten Eingangszwischenkreis mit einer Anzahl von Zwischenkreiskondensatoren, die mit einem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt ver bunden sind. An AC/DC converter included in the DC/DC converter device for an AC or three-phase grid connection can also be referred to as a converter. The AC/DC converter is set up in particular for converting an AC voltage into a DC voltage and/or for converting a DC voltage into an AC voltage. The DC/DC converter device includes an input intermediate circuit which is connected downstream of a converter of this type in particular and has a number of intermediate circuit capacitors which are connected to an input intermediate circuit center point.
Das mehrphasige Drehstromnetz i hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, bei spielsweise L1, L2 und L3, sowie einen Neutralleiter (auch bezeichnet mit N). The polyphase three-phase network i has in particular a number of phases, for example L1, L2 and L3, and a neutral conductor (also denoted by N).
Es sei angemerkt, dass das "Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers" sowohl ein Zuführen von elektrischer Energie als auch ein Entnehmen von elektrischer Energie umfasst. Das heißt, dass der Energiespeicher als Verbraucher oder als Erzeuger in dem DC-Netz der Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebs oder dem Industrienetz wirken kann. It should be noted that the “charging and/or discharging of an energy store” includes both supplying electrical energy and drawing electrical energy. This means that the energy store can act as a consumer or as a generator in the DC network of the wind turbine, an electric drive or the industrial network.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein mit einer Anzahl von AC-Phasen L1, L2, L3 koppelbarer AC/DC-Wandler, insbesondere ein 3-Punkt-AC/DC-Wandler am Ein gangszwischenkreis an den eingangsseitigen Eingangsleitern vorgeschaltet sein, oder eine DC-Energiequelle, insbesondere ein Solargenerator, oder ein DC- Energiespeicher, insbesondere ein 3-Punkt-Akkumulator, an den eingangsseitigen Eingangsleitern, d.h. am quellenseitigen Eingangszwischenkreis angeschlossen sein. Somit kann im Normalbetrieb DC-Energie aus den DC-Ausgangsklemmen eines Netz gleichrichters oder bidirektional arbeitenden AC/DC-Wandler entnommen bzw. rückge speichert werden, oder aus einem DC-Energiequelle, beispielsweise einer Brennstoff zelle, einem Solargenerator mit Solarzellen, einem Schwungmassenspeicher oder ei ner Batterie entnommen werden, oder einem DC-Energiespeicher, beispielsweise ei nem elektrochemischen Akkumulator, Kondensator oder Schwungmassenspeicher entnommen oder rückgeführt werden. Somit sind vielartige Einsatzmöglichkeiten für die Energieentnahme und Rückspeicherung zwischen verschiedenen DC- Spannungsniveaus möglich. According to one embodiment, an AC/DC converter that can be coupled to a number of AC phases L1, L2, L3, in particular a 3-point AC/DC converter, can be connected upstream of the input intermediate circuit on the input conductors on the input side, or a DC energy source , In particular a solar generator, or a DC energy store, in particular a 3-point accumulator, to the input-side input conductors, ie to be connected to the source-side input intermediate circuit. Thus, in normal operation, DC energy can be taken from the DC output terminals of a mains rectifier or bidirectional AC/DC converter or stored again, or from a DC energy source, for example a fuel cell, a solar generator with solar cells, a flywheel mass storage device or ei ner battery are taken, or a DC energy storage, such as egg nem electrochemical accumulator, capacitor or flywheel storage are removed or recycled. This means that there are many possible uses for energy extraction and energy recovery between different DC voltage levels.
Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest ein Pitch-Antrieb, oder ein Yaw-Antrieb einer Windkraftanlage, zumindest ein Zwischenkreis eines oder mehrerer elektrischer Antriebe, oder zumindest ein DC-Netzsegment eines DC-lndustrienetzes an einem Ausgangszwischenkreis des DC/DC-Wandlers nachgeschaltet sein. So ergeben sich vielfältige Vorteile bei Anwendung der DC/DC-Gleichrichtereinheit im Bereich einer Windkraftanlage, eines Antriebssystems oder in einem DC-lndustrienetz: According to one embodiment, at least one pitch drive or one yaw drive of a wind turbine, at least one intermediate circuit of one or more electric drives, or at least one DC network segment of a DC industrial network can be connected downstream to an output intermediate circuit of the DC/DC converter. This results in a wide range of advantages when using the DC/DC rectifier unit in the area of a wind turbine, a drive system or in a DC industrial network:
Mit Gleichstromnetzen lässt sich unter Anwendung von elektronischen Frequenzum richtern die elektrische Versorgung in Fabriken energieeffizienter, stabiler und flexibler gestalten als mit netzseitigem Wechselstrom. Werden alle elektrischen Anlagen über ein intelligentes DC-Netz gekoppelt, wie beispielsweise im Verbundprojekt „DC- Industrie 2“, treibt dies zudem die Energiewende im industriellen Bereich voran. In ei ner DC-lndustrieanwendung ist mithilfe der vorgeschlagenen DC/DC- Wandlervorrichtung ein Hoch- und Herabsetzen einer DC-Versorgungsspannung bidi rektional übergangslos möglich. Hinzu kommen eine sichere Abschaltmöglichkeit und eine geringe Reaktionszeit auf Kurz- und Erdschlüsse. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang der DC/DC- Wandlervorrichtung ausschließlich durch Sperrschichtkapazitäten von Halbleiterschal tern erfolgt, d. h. keine galvanische Verbindung zwischen Ein- und Ausgang existiert und eine Quasi-Potentialtrennung möglich ist. In diesem Fall kann die DC- Wandlervorrichtung bei einem Erdschluss uneingeschränkt weiter betrieben werden. Daneben ergeben sich die Möglichkeiten der Anbindung und Verwendung in verschie denen Applikationen bei Anbindung von Energiespeichern an, so z. B. bei: With direct current networks, using electronic frequency converters, the electrical supply in factories can be designed to be more energy-efficient, stable and flexible than with mains-side alternating current. If all electrical systems are coupled via an intelligent DC network, such as in the "DC Industry 2" joint project, this will also drive the energy transition in the industrial sector. In a DC industrial application, stepping up and stepping down a DC supply voltage bidirectionally seamlessly is possible with the aid of the proposed DC/DC converter device. In addition, there is a safe switch-off option and a short reaction time to short circuits and earth faults. This can be achieved in particular by the fact that the connection between the input and output of the DC/DC converter device is made exclusively by junction capacitances of semiconductor switching, i. H. there is no galvanic connection between input and output and quasi-potential isolation is possible. In this case, the DC converter device can continue to be operated without restriction in the event of a ground fault. In addition, there are the possibilities of connection and use in various applications which when connecting energy storage devices to, e.g. e.g.:
DC-Zwischenkreisen von Antriebssystemen; Netzausfallstützung, Spitzenlast- reduktion, Bremsenergieaufnahme statt Bremswiderstand von Elektroantrieben im generatorischen Betrieb; DC intermediate circuits of drive systems; Mains failure support, peak load reduction, braking energy absorption instead of braking resistance of electric drives in generator mode;
Bidirektionale Kopplung zweier oder mehrerer DC-Zwischenkreise von An triebssystemen, insbesondere auf unterschiedlichen Spannungsniveaus; Bidirectional coupling of two or more DC intermediate circuits of drive systems, in particular at different voltage levels;
- Ausbildung mehrerer DC-Netzsegmente, insbesondere auf verschiedenen Spannungsniveaus, in einer Industriehalle; - Development of several DC network segments, in particular at different voltage levels, in an industrial hall;
Verbindung verschiedener DC-Netzsegmente in einer Industriehalle mit der Möglichkeit zum Lastabwurf, Vorladung, Spannungsanpassung; Connection of different DC network segments in an industrial hall with the option of load shedding, pre-charging, voltage adjustment;
- Anbindung von Photovoltaik, Brennstoffzelle, Schwungmassenspeicher an ein DC- Netzsegment in einer Industriehalle. - Connection of photovoltaics, fuel cells, flywheel mass storage to a DC network segment in an industrial hall.
Weiterhin wird eine Quasipotentialtrennung zwischen Eingangs- und Lastseite ermög licht, wodurch eine erhöhte Sicherheit, Erdschluss- und Kurzschlussfestigkeit erreich bar ist. Furthermore, a quasi-potential separation between the input and load side is made possible, which means that increased safety, resistance to earth faults and short-circuits can be achieved.
Im Bereich einer Windkraftanlage ist der Einsatz der vorgeschlagenen DC/DC- Wandlervorrichtung, insbesondere im DC-Zwischenkreisnetz eines Pitch- und Yaw- Antriebs einer Windkraftanlage, vorteilhaft. Ein Pitchantrieb bestimmt den Anstellwinkel eines oder mehrerer Rotorblätter gegenüber dem Wind, ein Yaw-Antrieb definiert die horizontale Ausrichtung der Gondel der Windkraftanlage gegenüber dem Wind. In the area of a wind power plant, the use of the proposed DC/DC converter device is advantageous, in particular in the DC intermediate circuit network of a pitch and yaw drive of a wind power plant. A pitch drive determines the angle of attack of one or more rotor blades in relation to the wind, a yaw drive defines the horizontal alignment of the wind turbine's nacelle in relation to the wind.
Beispielsweise schlägt die EP 1 852 605 B1 eine Spannungsanpassung eines No tenergiespeichers für einen Pitchantrieb an einen DC-Zwischenkreis vor, so dass weit gehend unabhängig vom Spannungsniveau des Notenergiespeichers im Notbetrieb ein DC-Spannungsniveau wie im Normalbetrieb erreicht werden kann, und im generatori schen Betrieb Energie im Notenergiespeicher aufgenommen werden kann. Somit hin aus ermöglicht die vorgeschlagene DC/DC-Wandlervorrichtung die flexible Anbindung des Notenergiespeichers bei Pitch- und Yaw-Antrieben in Windkraftanlagen, insbeson dere für eine Vielzahl verschiedener Typen von Notenergiespeichern wie Blei-, Li- lonen-Akkumulatoren oder Kondensatoren, insbesondere SuperCaps oder UltraCaps.For example, EP 1 852 605 B1 proposes adapting the voltage of an emergency energy store for a pitch drive to a DC intermediate circuit, so that a DC voltage level as in normal operation can be achieved largely independently of the voltage level of the emergency energy store in emergency operation and in generator operation Energy can be included in the emergency energy storage. The proposed DC/DC converter device thus enables the flexible connection of the emergency energy storage device for pitch and yaw drives in wind turbines, in particular for a large number of different types of emergency energy storage devices such as lead, lithium-ion batteries or capacitors, in particular SuperCaps or UltraCaps.
Bisher gab es in Notenergie-Energiespeichern eine obere Schranke für Notenergie speicher-Spannungsniveaus im Vergleich zur Netzspannung, insbesondere musste das Spannungsniveau des Energiespeichers zu jeder Zeit kleiner als das der gleichge richteten Netzspannung sein. Starke Netzschwankungen, speziell in einer Windkraftan lage oder bei elektrischen Antrieben sind hierbei problematisch und können dazu füh ren, dass diese Bedingung temporär nicht erfüllt werden können. Dadurch kann eine noch stärkere Einschränkung bei der Auslegung der Notenergiespeicher notwendig werden, so dass die Notenergiespeicher-Spannung deutlich geringer als die gleichge richtete Soll-Netzspannung ausgelegt werden muss. Mit Hilfe der vorgeschlagenen DC/DC-Wandlervorrichtung ist ein Wegfall dieser oberen Schranke durch ein bidirekti onales Hoch-und-Tiefsetzen mit kontinuierlichem Übergang ermöglicht. Hierdurch er geben sich folgende Vorteile: So far, there has been an upper limit for emergency energy storage voltage levels in comparison to the mains voltage in emergency energy storage devices, in particular it had to be the voltage level of the energy storage device must be lower than that of the rectified mains voltage at all times. Strong mains fluctuations, especially in a wind turbine or with electric drives, are problematic here and can mean that this condition cannot be met temporarily. As a result, an even greater restriction in the design of the emergency energy store may become necessary, so that the emergency energy store voltage must be designed to be significantly lower than the rectified setpoint mains voltage. With the aid of the proposed DC/DC converter device, this upper limit can be eliminated by a bidirectional step-up and step-down with a continuous transition. This gives the following advantages:
Durch einen DC/DC-Wandlervorrichtung können unterschiedliche Nutzungsan forderungen befriedigt werden, insbesondere hohe oder niedrige Notenergie speicher-Spannungen zur Verfügung gestellt werden; By means of a DC/DC converter device, different usage requirements can be satisfied, in particular high or low emergency energy storage voltages can be made available;
Bei hoher Notenergiespeicher-Spannung können niedrigere Ströme eingesetzt werden, dies ermöglicht den Einsatz kostengünstigere Leitungen mit geringe rem Leitungsquerschnitt und einem geringeren Platzbedarf für die Schnittstel len, somit eine leichtere und kostengünstigere Installation; When the emergency energy storage voltage is high, lower currents can be used, which enables the use of more cost-effective cables with a smaller cable cross-section and a smaller space requirement for the interfaces, and thus easier and more cost-effective installation;
Die Betriebssicherheit bei schwankender eingangsseitiger Netzspannung kann aufrechterhalten bzw. stabilisiert werden, was insbesondere bei einem Wind kraftanlageneinsatz oder für sicherheitskritische elektrische Antriebe wesentlich ist; The operational safety with fluctuating mains voltage on the input side can be maintained or stabilized, which is particularly important when using wind turbines or for safety-critical electrical drives;
Mehrere DC/DC-Wandler und damit mehre Pitchantriebe können an einen No tenergiespeicher aufgrund der erreichbaren Quasipotentialtrennung ange schlossen werden; Several DC/DC converters and thus several pitch drives can be connected to an emergency energy store due to the quasi-potential separation that can be achieved;
Eine hochdynamische Spannungsausschöpfung bis nahe zur Tiefentladung beispielsweise von Kondensatorspeichern ermöglicht sowohl eine Ankopplung von Energiespeichern, die deutlich höhere Spannungen als ein DC- Zwischenkreis zur Verfügung stellen, als auch deren Betrieb bis zur nahezu vollständigen Entladung, so dass der Energiegehalt des Energiespeichers voll ständig ausgeschöpft werden kann. Insbesondere ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche einzelne oder alle Elemente und Einheiten der DC/DC- Wandlervorrichtung steuern kann. Ferner ist die Drossel des DC/DC-Wandlers vorzugsweise als fliegende Induktivität betreibbar. Hierbei kann der DC/DC-Wandler mit der fliegenden Induktivität vorteilhafterweise funktional wie eine Quasi-Potentialtrennung wirken. Beispielsweise weist der DC/DC-Wandler eine Anzahl von Halbleiterschaltelementen auf, welche beispielsweise als MOSFET ausgebildet sind. Insbesondere arbeitet der DC/DC-Wandler als Spannungsinverter, wobei der DC/DC-Wandler vorzugsweise derart angesteuert wird, dass die Dioden der MOSFETs im ungestörten Betrieb niemals in unerwünschter Weise leitend werden. Die Induktivität fliegt im Betrieb vorzugsweise zwischen dem Eingangspotential und dem Ausgangspo tential hin und her. Hierdurch ergibt sich funktional die Quasi-Potentialtrennung. Bei einem Erdschluss in der Ausgangsseite, beispielsweise an einem Notenergiespeicher eines Pitch-Antriebes (Akkumulator, Akku) kann sich das Potential des Energiespei chers relativ zum Potential des Eingangszwischenkreises der DC/DC- Wandlervorrichtung ungestört frei verlagern. Dabei wird die Regelung des Drossel stroms der Drossel im Erdschlussfall vorzugsweise nicht tangiert. Auch der T astgrad des DC/DC-Wandlers muss nicht geändert werden. A highly dynamic voltage exploitation up to near total discharge, for example of capacitor stores, enables both the coupling of energy stores, which provide significantly higher voltages than a DC intermediate circuit, and their operation until they are almost completely discharged, so that the energy content of the energy store is fully utilized can. In particular, a control unit is provided which can control individual or all elements and units of the DC/DC converter device. Furthermore, the choke of the DC/DC converter can preferably be operated as a flying inductance. In this case, the DC/DC converter with the flying inductance can advantageously function functionally like a quasi-potential isolation. For example, the DC/DC converter has a number of semiconductor switching elements, which are in the form of MOSFETs, for example. In particular, the DC/DC converter works as a voltage inverter, with the DC/DC converter preferably being controlled in such a way that the diodes of the MOSFETs never become conductive in an undesired manner during undisturbed operation. During operation, the inductance preferably flies back and forth between the input potential and the output potential. This functionally results in the quasi-potential separation. In the event of a ground fault on the output side, for example in an emergency energy store of a pitch drive (accumulator, battery), the potential of the energy store can shift freely relative to the potential of the intermediate input circuit of the DC/DC converter device. The regulation of the inductor current of the inductor in the event of a ground fault is preferably not affected. The duty cycle of the DC/DC converter does not have to be changed either.
Der vorgeschlagene DC/DC-Wandler verhält sich vorzugsweise funktional wie ein DC/DC-Wandler mit T ransformator. Das Ausgangspotential gegen Erde kann im Be trieb innerhalb gewisser Grenzen frei verlagert werden, ohne dass die Funktion des DC/DC-Wandlers davon tangiert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn au ßerhalb einer Verbindung durch die beiden Halbbrücken keine galvanische Verbindung zwischen der Eingangsseite und Ausgangsseite vorhanden ist. The proposed DC/DC converter preferably behaves functionally like a DC/DC converter with a transformer. The output potential to ground can be freely shifted within certain limits during operation without affecting the function of the DC/DC converter. This is the case in particular when there is no galvanic connection between the input side and the output side outside of a connection through the two half-bridges.
Im Falle eines geerdeten Eingangsnetzes ist es bei entsprechender Dimensionierung der Halbleiterschaltelemente des DC/DC-Wandlers möglich, dass eine Person einen Pol des Ausgangs der DC/DC-Wandlervorrichtung berührt, ohne dass ein wesentlicher Gleichstrom durch den Körper der Person fließen würde. In the case of a grounded input network, with appropriate dimensioning of the semiconductor switching elements of the DC/DC converter, it is possible for a person to touch one pole of the output of the DC/DC converter device without a significant direct current flowing through the person's body.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel des DC/DC-Wandlers als fliegende In duktivität betreibbar. According to one embodiment, the inductor of the DC/DC converter can be operated as a flying inductance.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die DC/DC-Wandlervorrichtung eine trans formatorlose DC/DC-Wandlervorrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler als ein bidirektionaler DC/DC-Wandler zum Hochsetzen und/oder Tiefsetzen von Spannungen ausgebildet. Der DC/DC-Wandler kann auch als Gleichspannungswandler bezeichnet werden. Der DC/DC-Wandler ist insbesondere symmetrisch aufgebaut und kann in beide Richtun gen tief- und hochsetzen. According to a further embodiment, the DC/DC converter device is a transformerless DC/DC converter device. According to a further embodiment, the DC/DC converter is designed as a bidirectional DC/DC converter for stepping up and/or stepping down voltages. The DC/DC converter can also be referred to as a DC voltage converter. In particular, the DC/DC converter is constructed symmetrically and can step-down and step-up in both directions.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die jeweilige Halbbrücke eine Rei henschaltung von zwei Halbleiterschaltelementen. Der Mittelabgriff der Halbbrücke ist zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterschaltelementen. According to a further embodiment, the respective half-bridge comprises a series connection of two semiconductor switching elements. The center tap of the half-bridge is between the two series-connected semiconductor switching elements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das jeweilige Halbleiterschaltelement als ein MOSFET, bevorzugt als ein SiC-MOSFET, oder als ein IGBT oder als eine SiC- Kaskode ausgebildet. According to a further embodiment, the respective semiconductor switching element is designed as a MOSFET, preferably as a SiC MOSFET, or as an IGBT or as a SiC cascode.
Insbesondere wirkt die vorliegende Topologie als bidirektionale Spannungsüberset zung-Vorrichtung (DC-T ransformator), wobei die Spannungsübersetzung, welche von der Steuereinheit einstellbar ist, vom Verhältnis zwischen Einschaltdauer und Aus schaltdauer der Halbleiterschaltelemente abhängt. Bei einem T astgrad von jeweils 50 % beträgt das Spannungsübersetzungsverhältnis 1. In particular, the present topology acts as a bidirectional voltage translation device (DC transformer), the voltage translation, which can be set by the control unit, depending on the ratio between the on-time and off-time of the semiconductor switching elements. With a duty cycle of 50%, the voltage transformation ratio is 1.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, die Halbleiterschaltelemente derart anzu steuern, dass jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken gleichzeitig schalten, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzö gerung schalten. According to a further embodiment, the DC/DC converter device comprises a control unit which is set up to control the semiconductor switching elements in such a way that two corresponding semiconductor switching elements of the two half-bridges switch simultaneously, in particular switch with an identical switch-on delay.
Dabei sind zur Erreichung einer Quasi-Potentialtrennung insbesondere die zwei ein gangsseitigen, d.h. quellenseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken gleichzeitig schaltbar, wie auch die beiden lastseitigen, d.h. ausgangsseitigen Halb leiterschaltelemente der beiden Halbbrücken gleichzeitig schaltbar sind. In order to achieve a quasi-potential separation, the two input-side, i.e. source-side semiconductor switching elements of the two half-bridges can be switched simultaneously, and the two load-side, i.e. output-side semiconductor switching elements of the two half-bridges can be switched simultaneously.
In einer weiteren Ausführungsform kann die DC/DC-Wandlervorrichtung eine Steuer einheit aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, die beiden Halbbrücken H1 und H2 phasenverschoben anzusteuern, insbesondere mit 180° Phasenverschiebung anzu steuern. Insbesondere wenn eine Koppelleitung zwischen den Zwischenkreismittel punkten einer eingangs- und ausgangsseitigen Kondensatorbrücke geschaltet ist, wie weiter unten beschrieben, kann im Gegensatz zu einem phasengleichen Ansteuern der Halbbrücken ein phasenverschobenes, insbesondere gegenphasiges Ansteuern der Halbbrücken erfolgen. Dabei wird die Quasi-Potentialtrennung aufgegeben, da eine galvanische Verbindung zwischen der Ein- und Ausgangsseite hergestellt wird. Hier durch kann erheblich der Wirkungsgrad der DC/DC-Wandlervorrichtung gesteigert werden, und andererseits die Drossel kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden.In a further embodiment, the DC/DC converter device can have a control unit which is set up to control the two half-bridges H1 and H2 with a phase shift, in particular with a 180° phase shift. In particular, when a coupling line between the intermediate circuit center points of an input and output-side capacitor bridge is connected, such as described further below, in contrast to in-phase driving of the half-bridges, phase-shifted, in particular anti-phase driving of the half-bridges can take place. In this case, the quasi-potential isolation is abandoned, since a galvanic connection is established between the input and output side. Here by the efficiency of the DC / DC converter device can be increased significantly, and on the other hand, the choke can be made smaller and cheaper.
In diesem Zusammenhang sollen die Begriffe „eingangsseitig“, bzw. „quellenseitig“ und die Begriffe „ausgangsseitig“ bzw. „lastseitig“ lediglich als topologische Definitionen der beiden Anschlussseiten der DC/DC-Wechselrichtervorrichtung verstanden werden, und hierbei eine Energieflussrichtung in einem Normalbetrieb veranschaulichen. Gleichwohl kann in einem bidirektionalen Betrieb im Sinne der Erfindung der Energiefluss auch von der Ausgangs- bzw. Lastseite zur Eingangs- bzw. Quellenseite erfolgen. So kann in einer inversen Betriebsart einer Anwendung zur Versorgung eines Pitchantriebes im Notbetrieb Energie vom lastseitigen Notenergiespeicher zum quellenseitigen DC- Z wischenkreis fließen, oder in einem generatorischen Betrieb Energie aus einem DC- Industrienetz in ein AC-Versorgungsnetz übertragen werden, während im Regelbetrieb der Energiefluß umgekehrt erfolgt. Bei verkoppelten Zwischenkreisen antriebstechni scher Systeme kann beispielsweise bei Bedarf Energie von einem ersten in einen zweiten Zwischenkreis bei hoher Energiebelastung zur Stützung des Spannungsni veaus des zweiten Zwischenkreises geführt werden. In this context, the terms "input side" or "source side" and the terms "output side" or "load side" should only be understood as topological definitions of the two connection sides of the DC/DC inverter device, and thereby illustrate a direction of energy flow in normal operation . Nevertheless, in a bidirectional operation within the meaning of the invention, the energy flow can also take place from the output or load side to the input or source side. In an inverse operating mode of an application for supplying a pitch drive in emergency operation, energy can flow from the emergency energy store on the load side to the DC intermediate circuit on the source side, or in generator operation, energy can be transferred from a DC industrial network to an AC supply network, while in control operation the energy flow vice versa. In the case of coupled intermediate circuits in drive systems, for example, if required, energy can be routed from a first to a second intermediate circuit in the event of a high energy load in order to support the voltage level of the second intermediate circuit.
Insbesondere schaltet die Steuereinheit zu keinem Zeitpunkt die Halbleiterschaltele mente einer Halbbrücke gleichzeitig ein, um eine direkte Verbindung zwischen Ein gangs- und Lastseite zu verhindern. In particular, the control unit never turns on the semiconductor switching elements of a half-bridge at the same time in order to prevent a direct connection between the input and load sides.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Entstörschaltung zwischen dem Ein- gangszwischenkreis und dem DC/DC-Wandler angeordnet, welche zwei zu den Zwi schenkreiskondensatoren parallel geschaltete Entstörkondensatoren aufweist. Dabei ist der die beiden Entstörkondensatoren verbindende Knoten mit Erdpotential verbun den. Das Erd potential kann im Folgenden auch als Masse oder Erde bezeichnet wer den. According to a further embodiment, an interference suppression circuit is arranged between the input intermediate circuit and the DC/DC converter, which circuit has two interference suppression capacitors connected in parallel with the intermediate circuit capacitors. The node connecting the two interference suppression capacitors is connected to ground potential. The earth potential can also be referred to below as mass or earth.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung einen dem DC/DC-Wandler nachgeschalteten Ausgangszwischenkreis mit einer Anzahl von Ausgangskondensatoren, welche zwischen einem negativen Ausgangspotentialabgriff und einem positiven Ausgangspotentialabgriff der DC/DC-Wandlervorrichtung geschal tet sind. According to a further embodiment, the DC/DC converter device comprises an intermediate output circuit connected downstream of the DC/DC converter with a number of output capacitors which are connected between a negative output potential tap and a positive output potential tap of the DC/DC converter device are switched.
Vorteilhaft kann zur Erweiterung der vorhergehenden Ausführungsform die Zwischen kreiskondensatoren des Eingangs-Zwischenkreises eine Eingangskondensatorbrücke mit einem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt ausbilden, und die Ausgangskondensa toren des Ausgangszwischenkreises eine Ausgangskondensatorbrücke mit einem Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt ausbilden. Die beiden Zwischenkreismittelpunkte, d.h. der Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt kann mit dem Ausgangs- Zwischenkreismittelpunkt über eine Koppelleitung verbunden sein. Somit wird das Mit tenpotential des Eingangs und des Ausgangs miteinander galvanisch gekoppelt. Dies verbessert insbesondere den Wirkungsgrad und die EMV-Robustheit der DC/DC- Wechselrichtervorrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine lastseitige, d.h. ausgangsseitige Entstörschaltung zwischen dem DC/DC-Wandler und dem Aus- gangszwischenkreis angeordnet. Die lastseitige Entstörschaltung weist zwei zu der Anzahl von Ausgangskondensatoren des Ausgangszwischenkreises parallel geschalte te Entstörkondensatoren auf, wobei der die beiden Entstörkondensatoren verbindende Knoten mit Erdpotential verbunden ist. Durch die Koppelleitung ist es darüber hinaus möglich, die Halbbrücken H1 und H2 phasenverschoben, insbesondere um 180° pha senverschoben, d.h. gegenphasig anzusteuern. Mit dieser Ansteuerung lässt sich ei nerseits ein erheblich gesteigerter Wirkungsgrad der DC/DC-Wandlervorrichtung errei chen und andererseits kann die Drossel kleiner und kostengünstiger ausgeführt wer den. To extend the previous embodiment, the intermediate circuit capacitors of the input intermediate circuit can advantageously form an input capacitor bridge with an input intermediate circuit center, and the output capacitors of the output intermediate circuit can form an output capacitor bridge with an output intermediate circuit center. The two intermediate circuit centers, i.e. the input intermediate circuit center can be connected to the output intermediate circuit center via a coupling line. Thus, the middle potential of the input and the output is galvanically coupled to each other. In particular, this improves the efficiency and the EMC robustness of the DC/DC inverter device. According to a further embodiment, an interference suppression circuit on the load side, i.e. on the output side, is arranged between the DC/DC converter and the intermediate output circuit. The load-side interference suppression circuit has two interference suppression capacitors connected in parallel with the number of output capacitors of the output intermediate circuit, the node connecting the two interference suppression capacitors being connected to ground potential. The coupling line also makes it possible to drive the half-bridges H1 and H2 out of phase, in particular out of phase by 180°, i.e. in phase opposition. With this control, on the one hand, a significantly increased efficiency of the DC/DC converter device can be achieved and, on the other hand, the inductor can be made smaller and more cost-effective.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente derart anzusteuern, dass das eingangsseitige Halbleiter schaltelement der ersten Halbbrücke und das lastseitige Halbleiterschaltelement der zweiten Halbbrücke überlappende Einschaltzeiten (Einschaltdauern) haben und/oder dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement der zweiten Halbbrücke und das lastseitige Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke geringfügig überlappende Einschaltzeiten haben. Dabei entspricht das Verhältnis der Einschaltzeiten der ein gangsseitigen Halbleiterschaltelemente zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halb leiterschaltelemente vorzugsweise einem vorbestimmten Quotienten. According to a further embodiment, the control unit is set up to control the semiconductor switching elements in such a way that the input-side semiconductor switching element of the first half-bridge and the load-side semiconductor switching element of the second half-bridge have overlapping switch-on times (switch-on times) and/or that the input-side semiconductor switching element of the second half-bridge and the load-side semiconductor switching element of the first half-bridge have slightly overlapping turn-on times. In this case, the ratio of the switch-on times of the one output-side semiconductor switching elements to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements preferably corresponds to a predetermined quotient.
Diese Ansteuerung mit den überlappenden Einschaltzeiten bedingt eine Ladungsver- Schiebung bei den Entstörkondensatoren, die in den Figuren die Bezugszeichen 651, 652 tragen, derart, dass das Potential des Ausgangsnetzes gegenüber Erdpotential einstellbar ist. Hierdurch kann eine Symmetrierung des Ausgangspotentials gegenüber Erd potential (Masse) bewerkstelligt werden. Bei Einfügen einer vorgenannten Koppel leitung zwischen Kondensatorbrücken des Ein- und Ausgangs, beispielsweise darge stellt gemäß Fig. 4a, kann eine Überlappung mit einer um 180° phasenverschobenen Ansteuerung den Wirkungsgrad verbessern. Eine geringfügig von 180° abweichende Phasenverschiebung kann die Symmetrie des Ausgangspotentials gegenüber dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verändern. This control with the overlapping switch-on times causes a charge Shift in the interference suppression capacitors, which bear the reference numbers 651, 652 in the figures, in such a way that the potential of the output network can be adjusted with respect to ground potential. This allows the output potential to be balanced with respect to earth potential (ground). If an aforementioned coupling line is inserted between the capacitor bridges of the input and output, for example shown in FIG. 4a, an overlap with a 180° phase-shifted control can improve the efficiency. A phase shift that deviates slightly from 180° can change the symmetry of the output potential with respect to the input intermediate circuit center.
Die Steuereinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch imple mentiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die Steuereinheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor oder als Steuerrechner ausgebildet sein. Bei einer softwaretechni schen Implementierung kann die Steuereinheit als Computerprogrammprodukt, als ei ne Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein. The control unit can be implemented in terms of hardware and/or software. In the case of a hardware implementation, the control unit can be designed as a device or as part of a device, for example as a computer or as a microprocessor or as a control computer. In the case of a software implementation, the control unit can be designed as a computer program product, as a function, as a routine, as part of a program code or as an executable object.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken früher auszu schalten als das andere eingangsseitige Halbleiterschaltelement der beiden Halbbrü cken, so dass eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises über die Drossel ermöglicht wird bzw. bereitgestellt ist. According to a further embodiment, the control unit is set up to switch off one of the input-side semiconductor switching elements of the two half-bridges earlier than the other input-side semiconductor switching element of the two half-bridges, so that coupling of an input-side primary circuit and a load-side secondary circuit via the inductor is made possible or is provided.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen der lastseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken früher auszuschalten als das andere lastseitige Halbleiterschaltelement der beiden Halbbrücken, so dass - sofern keine Koppelleitung vorgesehen ist, und eine Quasi-Potentialtrennung erreich bar ist - eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises und eines last seitigen Sekundär-Stromkreises über die Drossel ermöglicht wird bzw. bereitgestellt ist.According to a further embodiment, the control unit is set up to turn off one of the load-side semiconductor switching elements of the two half-bridges earlier than the other load-side semiconductor switching element of the two half-bridges, so that - if no coupling line is provided and a quasi-potential isolation can be achieved - a coupling of an input-side Is made possible or is provided primary circuit and a load-side secondary circuit via the throttle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Halbleiterschaltelemente MOS-FETs. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Gates der MOSFETs der Halbbrü cken mit derart phasenverschobenen Ansteuersignalen anzusteuern, dass - sofern keine Koppelleitung vorgesehen ist, und eine Quasi-Potentialtrennung erreichbar ist - eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises über die Drossel ermöglicht wird bzw. bereitgestellt ist. According to a further embodiment, the semiconductor switching elements are MOSFETs. The control unit is set up to drive the gates of the MOSFETs of the half bridges with such phase-shifted control signals that - if no coupling line is provided and a quasi-potential isolation can be achieved - a coupling of an input-side primary circuit and a load-side secondary circuit is enabled or provided via the inductor.
Bei dieser Ausführungsform kann die Symmetrie der Ausgangsspannung gegen Erde durch eine geringfügige Phasenverschiebung der Ansteuersignale der ersten Halbbrü cke und der zweiten Halbbrücke gegeneinander geregelt werden. - Sofern keine Kop pelleitung vorgesehen ist, und eine Quasi-Potentialtrennung erreichbar ist, ergibt sich durch die Phasenverschiebung periodisch eine kurzzeitige Verkopplung des Eingangs stromkreises und des Ausgangsstromkreises. Dies auch dann, wenn keine Wirkleis tung durch die DC/DC-Wandlervorrichtung übertragen wird. In this embodiment, the symmetry of the output voltage with respect to ground can be regulated relative to one another by a slight phase shift in the drive signals of the first half bridge and of the second half bridge. - If no coupling line is provided and a quasi-potential separation can be achieved, the phase shift periodically results in a brief coupling of the input circuit and the output circuit. This is also the case when no real power is being transmitted by the DC/DC converter device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Laststrom- Regler, einen Symmetrierstrom-Regler und einen Differenzspannungs-Regler auf. Da bei ist der Laststrom-Regler dazu eingerichtet, das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente einzustellen. Der Symmetrierstrom-Regler ist dazu eingerich tet, ein Einstellsignal zur Symmetrierung des Potentials an dem negativen Ausgangs potentialabgriff und des Potentials an dem positiven Ausgangspotentialabgriff gegen über Erdpotential zu stellen. Ferner ist der Differenzspannungs-Regler dazu eingerich tet, einen Soll-Wert für das Einstellsignal in Abhängigkeit zumindest einer gemessenen Spannung in dem lastseitigen Sekundär-Stromkreis bereitzustellen. According to a further embodiment, the control unit has a load current regulator, a balancing current regulator and a differential voltage regulator. Since the load current regulator is set up to set the ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements. The balancing current controller is configured to provide an adjustment signal for balancing the potential at the negative output potential tap and the potential at the positive output potential tap with respect to ground potential. Furthermore, the differential voltage controller is set up to provide a target value for the setting signal as a function of at least one measured voltage in the load-side secondary circuit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Differenzspannungs-Regler langsamer als der Symmetrierstrom-Regler. According to a further embodiment, the differential voltage regulator is slower than the balancing current regulator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Anode einer ersten Diode mit dem ne gativen Ausgangspotentialabgriff gekoppelt und die Kathode der ersten Diode ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt gekoppelt. Ferner ist die Anode einer zweiten Diode mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt gekoppelt und die Kathode der zweiten Diode ist mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff gekoppelt. According to a further embodiment, the anode of a first diode is coupled to the negative output potential tap and the cathode of the first diode is coupled to the input intermediate circuit center point. Furthermore, the anode of a second diode is coupled to the input intermediate circuit center and the cathode of the second diode is coupled to the positive output potential tap.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Anode der ersten Diode mit dem nega tiven Ausgangspotentialabgriff verbunden und die Kathode der ersten Diode ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verbunden. Des Weiteren ist die Anode der zweiten Diode mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verbunden und die Kathode der zweiten Diode ist mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff verbunden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Überspannungsschutzelement zwi schen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt und einem Knoten gekoppelt, an wel chem die Kathode der ersten Diode verbunden ist und an welchem die Anode der zweiten Diode verbunden ist. Das Überspannungsschutzelement ist insbesondere ein Varistor oder eine bidirektionale Suppressordiode, wie beispielsweise eine bidirektiona le Transildiode. According to a further embodiment, the anode of the first diode is connected to the negative output potential tap and the cathode of the first diode is connected to the input intermediate circuit center point. Furthermore, the anode of the second diode is connected to the input intermediate circuit center and the cathode of the second diode is connected to the positive output potential tap. According to a further embodiment, an overvoltage protection element is coupled between the input intermediate circuit midpoint and a node to which the cathode of the first diode is connected and to which the anode of the second diode is connected. The overvoltage protection element is, in particular, a varistor or a bidirectional suppressor diode, such as a bidirectional transildiode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Eingangs- Zwischenkreismittelpunkt und dem negativen Ausgangspotentialabgriff eine Reihen schaltung aus einem ersten Überspannungsschutzelement und der ersten Diode an geordnet. Weiter ist zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt und dem positi ven Ausgangspotentialabgriff eine Reihenschaltung aus einem zweiten Überspan nungsschutzelement und der zweiten Diode angeordnet. According to a further embodiment, a series circuit comprising a first overvoltage protection element and the first diode is arranged between the input intermediate circuit center point and the negative output potential tap. Furthermore, a series circuit comprising a second overvoltage protection element and the second diode is arranged between the input intermediate circuit center point and the positive output potential tap.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind eine EMV-Filtereinrichtung und eine der EMV-Filtereinrichtung nachgeschaltete LCL-Filtereinrichtung zwischen drei eingangs seitigen Anschlussklemmen für die drei Phasen des mehrphasigen Netzes und dem AC/DC-Wandler gekoppelt. Die LCL-Filtereinrichtung umfasst vorzugsweise zumindest drei Drosseln und drei Kondensatoren. According to a further embodiment, an EMC filter device and an LCL filter device connected downstream of the EMC filter device are coupled between three input-side connection terminals for the three phases of the multi-phase network and the AC/DC converter. The LCL filter device preferably includes at least three inductors and three capacitors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der AC/DC-Wandler als ein 3-Punkt- AC/DC-Wandler ausgebildet. According to a further embodiment, the AC/DC converter is designed as a 3-point AC/DC converter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an dem Mittelabgriff der ersten Halbbrücke ein Umschwingkondensator angeschlossen, der parallel zu dem eingangsseitigen Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke geschaltet ist, wobei an dem Mittelab griff der ersten Halbbrücke ein weiterer Umschwingkondensator angeschlossen, der parallel zu dem lastseitigen Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke geschaltet ist. Ferner ist an dem Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke ein Umschwingkondensator angeschlossen, der parallel zu dem eingangsseitigen Halbleiterschaltelement der zwei ten Halbbrücke geschaltet ist, wobei an dem Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke ein Umschwingkondensator angeschlossen, welcher parallel zu dem lastseitigen Halb leiterschaltelement der zweiten Halbbrücke geschaltet ist. Die Umschwingkondensato ren bewirken ein weiches Schalten und damit eine Verminderung der Schaltverluste. Die Umschwingkondensatoren können auch als ZVS-Kondensatoren der Snubberkon- densatoren bezeichnet werden (ZVS; Zero-Voltage-Switching). Insoweit kann vorteil- haft parallel zu jedem Halbleiterschaltelement ein U schwingkondensator zur Realisie rung eines verlustreduzierten Ausschaltens angeordnet sein. According to a further embodiment, a reversing capacitor is connected to the middle tap of the first half-bridge, which is connected in parallel to the input-side semiconductor switching element of the first half-bridge, with a further reversing capacitor being connected to the middle tap of the first half-bridge, which is connected in parallel to the load-side semiconductor switching element of the first half-bridge is. Furthermore, a reversing capacitor is connected to the center tap of the second half-bridge, which is connected in parallel to the input-side semiconductor switching element of the second half-bridge, with a reversing capacitor connected to the center tap of the second half-bridge, which is connected in parallel to the load-side semiconductor switching element of the second half-bridge. The reversing capacitors cause soft switching and thus a reduction in switching losses. The resonant capacitors can also be referred to as ZVS capacitors of the snubber capacitors (ZVS; zero-voltage switching). In this respect, haft be arranged parallel to each semiconductor switching element, a U tuning capacitor to implement a loss-reduced turn-off.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung eine Leistungsschaltvorrichtung zum sicheren Trennen der Anzahl von Eingangsleitern von der Eingangsseite, beispielsweise einem mehrphasigen AC-Netz. Die Leistungsschalt vorrichtung kann als ein elektromechanisches Element, wie beispielsweise ein Schütz oder ein Vierphasen-Relais, ausgebildet sein. Die Leistungsschaltvorrichtung kann in dividuell für eine jeweilige Phase des mehrphasigen AC- Netzes und/oder für einen je weiligen Eingangsleiter der Schaltmatrix ausgebildet und ansteuerbar sein, so dass sich beispielsweise einzelne Zuordnungen mittels der Leistungsschaltvorrichtung un terbrechen lassen. According to a further embodiment, the DC/DC converter device comprises a power switching device for safely disconnecting the number of input conductors from the input side, for example a multi-phase AC network. The power switching device may be in the form of an electromechanical element such as a contactor or a four-phase relay. The power switching device can be designed and controlled individually for a respective phase of the multiphase AC network and/or for a respective input conductor of the switching matrix, so that, for example, individual assignments can be interrupted by means of the power switching device.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer DC/DC- Wandlervorrichtung für den Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebs oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes mit elektrischer Energie vorgeschla gen, wobei die DC/DC-Wandlervorrichtung einen Zwischenkreis, welcher eine Anzahl von zwischen einem positiven Eingangsleiter und einem negativen Eingangsleiter ge schalteten Zwischenkreiskondensatoren aufweist, und einen dem Eingangszwischen- kreis nachgeschalteten DC/DC-Wandler umfasst, welcher eine mit dem positiven Ein gangsleiter verbundene erste Halbbrücke und eine mit dem negativem Eingangsleiter verbundene zweite Halbbrücke aufweist. Das Verfahren umfasst ein Betreiben einer den Mittelabgriff der ersten Halbbrücke (H1) und den Mittelabgriff der zweiten Halbbrü cke verbindenden Drossel des DC/DC-Wandlers als fliegende Induktivität. According to a second aspect, a method for operating a DC / DC converter device for the operation of a wind turbine, an electric drive or an industrial DC supply network with electrical energy is proposed genes, wherein the DC / DC converter device has an intermediate circuit, which has a number of has intermediate circuit capacitors connected between a positive input conductor and a negative input conductor, and comprises a DC/DC converter connected downstream of the input intermediate circuit, which has a first half bridge connected to the positive input conductor and a second half bridge connected to the negative input conductor. The method includes operating an inductor of the DC/DC converter that connects the center tap of the first half bridge (H1) and the center tap of the second half bridge as a flying inductor.
Dieses Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, die zu der DC/DC-Wandlervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt erläutert sind. Die für die vorgeschlagene DC/DC- Wandlervorrichtung beschriebenen Ausführungsformen gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend. Weiterhin gelten die Definitionen und Erläuterungen zu der DC/DC-Wandlervorrichtung auch für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.This method has the same advantages as explained for the DC/DC converter device according to the first aspect. The embodiments described for the proposed DC/DC converter device apply correspondingly to the proposed method. Furthermore, the definitions and explanations for the DC/DC converter device also apply accordingly to the proposed method.
"Ein" ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verste hen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahinge hend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl von Ele menten gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. As used herein, "a" is not necessarily meant to be limited to just one element. Rather, a plurality of elements, such as two, three or more, can also be provided. Any other counting word used here should also not be understood to mean that there is a restriction to exactly the number of elements specified. Rather, numerical deviations are up and down possible below unless otherwise stated.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit ge nannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbei spiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grund form der Erfindung hinzufügen. Further possible implementations of the invention also include combinations of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. The person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Er findung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. Further advantageous refinements and aspects of the invention are the subject matter of the dependent claims and of the exemplary embodiments of the invention described below. The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the enclosed figures.
Fig. 1a, 1b zeigt schematisch zwei Anordnungen einer ersten Ausführungsform ei ner DC/DC- Wandlervorrichtung zum Betrieb eines DC-lndustrienetzes und einer Windkraftanlage; 1a, 1b schematically shows two arrangements of a first embodiment of a DC/DC converter device for operating a DC industrial network and a wind power plant;
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einerFig. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a
DC/DC-Wandlervorrichtung zum Laden und/oder Entladen eines Ener giespeichers; DC/DC converter device for charging and/or discharging an energy store;
Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform ei ner DC/DC-Wandlervorrichtung; 3 shows a schematic circuit diagram of another embodiment of a DC/DC converter device;
Fig. 4a, 4b zeigen schematische Schaltbilder einer dritten und vierten Ausführungs form einer DC/DC-Wandlervorrichtung; 4a, 4b show schematic circuit diagrams of a third and fourth embodiment of a DC/DC converter device;
Fig. 5a, 5b zeigen schematische Schaltbilder einer fünften und einer weiteren Aus führungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung; 5a, 5b show schematic circuit diagrams of a fifth and a further embodiment of a DC/DC converter device;
Fig. 6 zeigt ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausführungsform ei ner DC/DC-Wandlervorrichtung zur Versorgung eines ausgangsseitigen DC- Netzes aus einem DC-Eingangskreis; 6 shows a schematic circuit diagram of a sixth embodiment of a DC/DC converter device for supplying a DC network on the output side from a DC input circuit;
Fig. 7 zeigt das schematische Schaltbild der Fig. 6 mit eingezeichnetem ein gangsseitigen Primär-Stromkreis und eingezeichnetem lastseitigen Se- kundär-Stromkreis; Fig. 8 zeigt das schematische Schaltbild der Fig. 6 mit eingezeichnetemFIG. 7 shows the schematic circuit diagram of FIG. 6 with a primary circuit on the output side and a secondary circuit on the load side drawn in; FIG. 8 shows the schematic circuit diagram of FIG
Stromkreis des Symmetriestroms; circuit of symmetry current;
Fig. 9 zeigt Diagramme zur Illustrierung des Drosselstroms und verschiedenerFig. 9 shows diagrams to illustrate the inductor current and various
Signale des DC/DC-Wandlers gemäß der Figs. 7 und 8; Signals of the DC/DC converter according to Figs. 7 and 8;
Fig. 10 zeigt das schematische Schaltbild der Fig. 6 mit eingezeichneter Sym- metrierregelung; und FIG. 10 shows the schematic circuit diagram of FIG. 6 with the balancing control drawn in; FIG. and
Fig. 11 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrei ben einer DC/DC-Wandlervorrichtung. FIG. 11 shows a schematic flowchart of a method for operating a DC/DC converter device.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszei chen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist. In the figures, elements that are the same or have the same function have been provided with the same reference symbols, unless otherwise stated.
Fig. 1a und 1b zeigen schematisch Anordnungen mit einer ersten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 zum Betrieb eines DC-lndustrienetzes (Fig. 1a) bzw. eines Notenergiespeichers 2 eines Pitchantriebes 3 einer Windkraftanlage 3 (Fig. 1a and 1b show schematic arrangements with a first embodiment of a DC/DC converter device 1 for operating a DC industrial network (Fig. 1a) or an emergency energy store 2 of a pitch drive 3 of a wind turbine 3 (Fig.
1b). 1b).
In der ersten Ausführungsform der Fig. 1a ist ein mehrphasiges AC-Netz 4 mittels ei nes Netzanschlusspunktes 6 an ein mehrphasiges Energieversorgungsnetz 7 ange schlossen. Das mehrphasige AC-Netz 4 hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise L1, L2 und L3. Es handelt sich in diesem Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils um dreiphasige Stromnetze. Ein DC-lndustrienetz 3 mit zu mindest einem oder mehreren DC-Netzsegmenten 2, vorzugsweise mit unterschiedli chen Spannungsniveaus und/oder galvanisch getrennt, sind über die mit der DC/DC- Wandlervorrichtung 1, der einen AC/DC-Wandler umfasst, an das AC-Netz 4 gekop pelt. Weitere Inselnetze 2 mit gleichen oder unterschiedlichen Spannungsniveaus sind über parallel schaltbare DC/DC-Wandlervorrichtungen 1 denkbar. Über die DC/DC- Wandlervorrichtung kann das Industrienetz 3 mit Gleichstromenergie versorgt werden, wobei die Höhe der Energie weitgehend unabhängig von dem Spannungsniveau des AC- Netzes 4 einstellbar ist. Es ist denkbar, dass ein Energiespeicher, beispielsweise ein hochkapazitiver Akkumulator und/oder ein Solargenerator mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Solarzellen über weitere in der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 um fasste DC/DC-Wandler umschaltbar Energie zumindest für einen Inselbetrieb bereit- stellen können. Ein schneller Lastabwurf im Fehlerfall ist ebenso wie die Anbindung verschiedenartiger DC-Energiequellen mit unterschiedlichen oder schwankenden Spannungsniveau denkbar, die durch die Quasi-Potentialtrennung gefahrlos möglich ist. In the first embodiment of FIG. 1a, a multi-phase AC network 4 is connected to a multi-phase power supply network 7 by means of a network connection point 6 . The multi-phase AC network 4 has in particular a number of phases, for example L1, L2 and L3. In this example, without loss of generality, it is a matter of three-phase power grids. A DC industrial network 3 with at least one or more DC network segments 2, preferably with different voltage levels and/or electrically isolated, is connected to the DC/DC converter device 1, which includes an AC/DC converter, to the AC grid 4 coupled. Further island grids 2 with the same or different voltage levels are conceivable via DC/DC converter devices 1 that can be connected in parallel. The industrial network 3 can be supplied with direct current energy via the DC/DC converter device, with the amount of energy being adjustable largely independently of the voltage level of the AC network 4 . It is conceivable that an energy store, for example a high-capacity accumulator and/or a solar generator with a large number of solar cells connected in parallel, can provide switchable energy at least for isolated operation via additional DC/DC converters included in the DC/DC converter device 1. can ask. Faster load shedding in the event of a fault is conceivable, as is the connection of various DC energy sources with different or fluctuating voltage levels, which is possible without risk thanks to the quasi-potential isolation.
Nach dem Beispiel der Fig. 1b ist in einer Windkraftanlage 3, die mehrere Rotorblätter umfasst, die mittels Pitchantriebe 3 verstellbar sind, eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 umfasst. Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 koppelt einen DC-Energiespeicher 8 an ei nen Zwischenkreis eines Pitch-Motorumrichters, der die Pitchmotoren 2 steuerbar be treibt. Es kann pro Pitchmotor 2 jeweils eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 vorgesehen sein, die jeweils einen Energiespeicher 8 ankoppelt, aber auch aufgrund der Quasipo tentialtrennung einen gemeinsamen Energiespeicher 8 an die drei Pitchmotor- Z wischenkreise ankoppelt. Die DC/DC-Wandlervorrichtung erlaubt stufenlos und bei stark schwankendem Spannungsniveau des Zwischenkreises die Bereitstellung eines gewünschten DC-Spannungsniveaus, unabhängig von der Nennspannung oder der Ladekapazität des DC-Energiespeichers 8. Es können aufgrund des Wegfalls einer oberen Schranke der Notenergiespeicher-Spannung im Vergleich zur Netzspannung sowohl Energiespeicher 8 eingesetzt werden, deren Nennspannung deutlich höher als die DC-Zwischenkreisspannung des Pitchumrichters liegen, als auch des Energiespei chers 8, die ein weit niedrigeres Spannungsniveau bereitstellen. Bei hohen Span nungsniveaus können aufgrund reduzierter Ströme Leitungen mit geringeren Quer schnitten eingesetzt werden. According to the example in FIG. 1 b , a DC/DC converter device 1 is included in a wind power plant 3 which includes a plurality of rotor blades which can be adjusted by means of pitch drives 3 . The DC/DC converter device 1 couples a DC energy store 8 to an intermediate circuit of a pitch motor converter, which drives the pitch motors 2 in a controllable manner. A DC/DC converter device 1 can be provided for each pitch motor 2, each of which couples an energy store 8, but also couples a common energy store 8 to the three pitch motor Z intermediate circuits due to the quasi potential separation. The DC/DC converter device allows a desired DC voltage level to be provided steplessly and with a strongly fluctuating voltage level of the intermediate circuit, regardless of the nominal voltage or the charging capacity of the DC energy store 8. Due to the omission of an upper limit of the emergency energy store voltage in comparison Both energy stores 8 are used for the mains voltage, the nominal voltage of which is significantly higher than the DC intermediate circuit voltage of the pitch converter, and of the energy store 8, which provide a far lower voltage level. At high voltage levels, cables with smaller cross sections can be used due to reduced currents.
Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 kann eine Anzahl elektrischer und/oder elektroni scher Komponenten aufweisen (nicht dargestellt in Fig. 1a, 1b, siehe zum Beispiel in Fig. 2) und ist zur DC-Spannungswandlung zwischen Ein- und Ausgangsseite insbe sondere für den Betrieb eines DC-lndustrienetzes, bzw. mehrerer Netzsegmente da von, zur Verkopplung von Zwischenkreis eines oder mehrerer, insbesondere frequenz gewandelter, Antriebssysteme, oder zur Stützung der Notversorgung eines Pitch- oder Yaw-Antriebes einer Windkraftanlage mittels eines an einem antriebstechnischen Zwi schenkreis ankoppelbaren Notenergiespeicher vorgesehen.. The DC/DC converter device 1 can have a number of electrical and/or electronic components (not shown in FIGS. 1a, 1b, see for example FIG. 2) and is particularly suitable for DC voltage conversion between the input and output sides the operation of a DC industrial network, or several network segments thereof, for coupling the intermediate circuit of one or more, in particular frequency-converted, drive systems, or to support the emergency supply of a pitch or yaw drive of a wind turbine by means of an intermediate circuit that can be coupled to a technical drive system Emergency energy storage provided..
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer DC/DC- Wandlervorrichtung 1 zur DC-Versorgung eines Industrienetzes 3 aus einem mehrpha sigen Netz 4, der einen vorgeschalteten AC/DC-Wandler 400 umfasst. Die zweite Aus- führungsform der Fig. 2 zeigt vertiefte Merkmale der ersten Ausführungsform nach Fig. 1a. Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a DC / DC converter device 1 for DC supply of an industrial network 3 from a multi-phase network 4, which includes an AC / DC converter 400 connected upstream. The second 2 shows detailed features of the first embodiment according to FIG. 1a.
Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der Fig. 2 hat drei Anschlussklemme 101, 102, 103 für die drei Phasen L1, L2, L3 des mehrphasigen Netzes 4. Die DC/DC- Wandlervorrichtung 1 kann auch eine weitere Anschlussklemme (nicht gezeigt) für den Neutralleiter aufweisen. The DC/DC converter device 1 of FIG. 2 has three connection terminals 101, 102, 103 for the three phases L1, L2, L3 of the multiphase network 4. The DC/DC converter device 1 can also have another connection terminal (not shown) for have the neutral conductor.
Gemäß der Fig. 2 ist eine EMV-Filtervorrichtung 200 den Anschlussklemmen 101, 102, 103 nachgeschaltet. Des Weiteren umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der Fig. 2 eine der EMV-Filtervorrichtung 200 nachgeschaltete LCL-Filtervorrichtung 300, einen AC/DC-Wandler 400, einen Eingangszwischenkreis 500, einen DC/DC-Wandler 600 sowie einen Ausgangszwischenkreis 700, an dem ein negativer Ausgangspotenzialab griff 701 und ein positiver Ausgangspotenzialabgriff 702 angeschlossen sind. According to FIG. 2, an EMC filter device 200 is connected downstream of the connection terminals 101, 102, 103. Furthermore, the DC/DC converter device 1 of FIG. to which a negative output potential tap 701 and a positive output potential tap 702 are connected.
Insbesondere kann eine EMV-Filtereinrichtung (nicht gezeigt) zwischen dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 und dem positiven Ausgangspotenzialabgriff 702 ange schlossen sein. In particular, an EMC filter device (not shown) can be connected between the negative output potential tap 701 and the positive output potential tap 702 .
In der Fig. 3 ist eine DC/DC-Wandler 600 mit integrierten Eingangs- Zwischenkreiskondensator 501 und Ausgangskondensator 703 einer Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 dargestellt, der das Grundprinzip der DC/DC- Wandlung erläutert. Dieser umfasst zwei Halbbrücken H1, H2, mit jeweils zwei Halb leiterschaltelementen 601, 602 bzw. 603, 604, die zwischen positivem Eingangsleiter 401 und negativen Ausgangspotentialabgriff 701 bzw. zwischen negativem Eingangs leiter 402 und positiven Ausgangspotentialabgriff 702 geschaltet sind. Zwischen den Mittelabgriffen M1, M2 der beiden Halbbrücken H1, H2 ist eine Drossel 605 als fliegen de Induktivität geschaltet. Im Eingangszwischenkreis 500 ist ein Zwischenkreiskonden sator 501 geschaltet und am Ausgangszwischenkreis 700 ist ein Ausgangskondensator 703 geschaltet. Die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 601 bis 604 erfolgt durch eine Steuereinheit 600. Je nach Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 601 bis 604 der beiden Halbbrücken H1, H2 durch die Steuereinheit 600 kann bidirektional im Zusammenspiel von Drossel 605 und Kondensatoren 501 bzw. 703 sowohl eine Hochsetz- als auch eine Tiefsetzstellertopologie bidirektional sowohl von der Eingangs leitern 401, 402 hin zu den Ausgangsleitern 701,702 als auch umgekehrt bereitgestellt werden. Hierdurch kann bidirektional DC-Energie von der Eingangsseite 500 zur Aus- gangsseite 700 als auch umgekehrt transportiert und die jeweiligen Ausgangsspan nungen unabhängig von den jeweiligen Eingangsspannungen stufenlos verändert wer den. 3 shows a DC/DC converter 600 with an integrated input intermediate circuit capacitor 501 and output capacitor 703 of an embodiment of a DC/DC converter device 1, which explains the basic principle of DC/DC conversion. This includes two half-bridges H1, H2, each with two semiconductor switching elements 601, 602 or 603, 604, which are connected between the positive input conductor 401 and negative output potential tap 701 or between the negative input conductor 402 and positive output potential tap 702. A choke 605 is connected as a flying de inductance between the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2. An intermediate circuit capacitor 501 is connected in the input intermediate circuit 500 and an output capacitor 703 is connected to the output intermediate circuit 700 . The semiconductor switching elements 601 to 604 are controlled by a control unit 600. Depending on the control of the semiconductor switching elements 601 to 604 of the two half-bridges H1, H2 by the control unit 600, both a step-up and a step-down converter topology can be provided bidirectionally both from the input conductors 401, 402 to the output conductors 701, 702 and vice versa. This allows bidirectional DC energy from the input side 500 to the output 700 and vice versa, and the respective output voltages are continuously changed independently of the respective input voltages.
Fig. 4a zeigt ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer DC/DC- Wandlervorrichtung 1 die es ermöglicht, eine bzgl. eines GND-Potentials symmetri schen +/- Eingangsspannung der Eingangspotentialleiter 401, 402 in eine, bzgl. eines GND-Potentials symmetrischen oder in gewissen Grenzen verschiebbare, DC- Spannung am Ausgangspotentialabgriffen 701, 702 zu wandeln. Ein symmetrisches GND-Mittenpotential kann eingangsseitig eingespeist werden, insbesondere wenn ein 3-Punkt AC/DC-Wandler eingesetzt wird, darauf kann allerdings auch verzichtet wer den Die dritte Ausführungsform der Fig. 4a umfasst alle Merkmale der zweiten Ausfüh rungsform nach Fig. 3, wobei die Fig. 4a Details der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 illus triert. Fig. 4a shows a schematic circuit diagram of a third embodiment of a DC / DC converter device 1 which makes it possible with respect shiftable within certain limits, to convert DC voltage at the output potential taps 701, 702. A symmetrical GND center potential can be fed in on the input side, particularly if a 3-point AC/DC converter is used, but this can also be dispensed with. The third embodiment of FIG. 4a includes all the features of the second embodiment of FIG. FIG. 4a illustrates details of the DC/DC converter device 1. FIG.
Gemäß der Fig. 4a hat der Eingangszwischenkreis 500 zwei Zwischenkreiskondensa toren 501, 502, welche zwischen einem positiven Eingangsleiter 401 und einem nega tiven Eingangsleiter 402 und einem symmetrischen Mittelpotential GND de Zwischen kreismittelpunktes 503 geschaltet sind. According to FIG. 4a, the input intermediate circuit 500 has two intermediate circuit capacitors 501, 502, which are connected between a positive input conductor 401 and a negative input conductor 402 and a symmetrical center potential GND of the intermediate circuit center point 503.
Der dem Eingangszwischenkreis 500 nachgeschaltete DC/DC-Wandler 600 weist eine erste Halbbrücke H1 und eine zweite Halbbrücke H2 auf. Die erste Halbbrücke H1 ist mit dem positiven Eingangsleiter 401 verbunden und umfasst eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltelementen 601, 602. Ferner ist die erste Halbbrücke H1 mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 verbunden. The DC/DC converter 600 connected downstream of the input intermediate circuit 500 has a first half-bridge H1 and a second half-bridge H2. The first half-bridge H1 is connected to the positive input conductor 401 and includes a series connection of two semiconductor switching elements 601, 602. The first half-bridge H1 is also connected to the negative output potential tap 701.
Die zweite Halbbrücke H2 ist mit dem negativen Eingangsleiter 402 verbunden und umfasst eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltelementen 603, 604. Das je weilige Halbleiterschaltelement 601, 602, 603, 604 ist beispielsweise als MOSFET ausgebildet. Außerdem ist die zweite Halbbrücke H2 mit dem positiven Ausgangspo tentialabgriff 701 verbunden. The second half-bridge H2 is connected to the negative input conductor 402 and includes a series connection of two semiconductor switching elements 603, 604. The respective semiconductor switching element 601, 602, 603, 604 is in the form of a MOSFET, for example. In addition, the second half-bridge H2 is connected to the positive output potential tap 701 .
Der Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 und der Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 sind über eine Drossel 605 verbunden. The center tap M1 of the first half-bridge H1 and the center tap M2 of the second half-bridge H2 are connected via a choke 605.
Die Induktivität der Drossel 605 liegt vorzugsweise zwischen 10 mH und 100 mH. Dabei wird der Wert der Induktivität der Drossel 605 insbesondere je nach Leistung der DC/DC- Wandlervorrichtung 1 und gewählter Schaltfrequenz aus dem Bereich zwi schen 10 mH und 100 mH gewählt. The inductance of the choke 605 is preferably between 10 mH and 100 mH. Included the value of the inductance of the choke 605 is selected in particular depending on the power of the DC/DC converter device 1 and the selected switching frequency from the range between 10 mH and 100 mH's.
Die Drossel 605 des DC/DC-Wandlers 600 ist insbesondere als fliegende Induktivität betreibbar. The choke 605 of the DC/DC converter 600 can be operated in particular as a flying inductance.
Ferner hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der Fig. 4a eine Steuereinheit 610. Die Steuereinheit 610 ist dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 zu steuern und insbesondere derart anzusteuern, dass jeweils zwei korrespondie rende Halbleiterschaltelemente 601, 603 und 602, 604 der beiden Halbbrücken H1, H2 gleich- oder gegenphasig, auch phasenversetzt, schalten, insbesondere mit einer iden tischen Einschaltverzögerung schalten. Furthermore, the DC/DC converter device 1 of Fig. 4a has a control unit 610. The control unit 610 is set up to control the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 and in particular to control them in such a way that two corresponding semiconductor switching elements 601, 603 and 602, 604 of the two half-bridges H1, H2 in phase or antiphase, also phase-shifted, switch, in particular switch with an identical switch-on delay.
Dabei sind insbesondere die zwei eingangsseitigen, d.h. quellenseitigen Halbleiter schaltelemente 601, 603 der beiden Halbbrücken H1, H2 gleichzeitig schaltbar, wie auch die beiden lastseitigen, d.h. ausgangsseitigen Halbleiterschaltelemente 602, 604 der beiden Halbbrücken H1, H2 gleichzeitig schaltbar sind, insbesondere gleichphasig oder gegenphasig. Somit werden die Halbbrücken H1 und H2 gleichphasig betrieben. Alternativ können die Halbbrücken H1 und H2 auch mit 180 Phasenverschiebung, d.h. gegenphasig betrieben werden. In particular, the two input-side, i.e. source-side semiconductor switching elements 601, 603 of the two half-bridges H1, H2 can be switched simultaneously, and the two load-side, i.e. output-side semiconductor switching elements 602, 604 of the two half-bridges H1, H2 can also be switched simultaneously, in particular in phase or in phase opposition. The half-bridges H1 and H2 are thus operated in phase. Alternatively, the half-bridges H1 and H2 can also be operated with a 180° phase shift, i.e. in phase opposition.
Dem DC/DC-Wandler 600 nachgeschaltet ist ein Ausgangszwischenkreis 700, welcher eine Anzahl von Ausgangskondensatoren 703, 704 aufweist. In dem Beispiel der Fig. 4a hat der Ausgangszwischenkreis 700 - ohne Einschränkung der Allgemeinheit - eine Ausgangskondensatorbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 703, 704 welcher zwischen dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 und dem positiven Ausgangspotenzialabgriff 702 der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 geschaltet ist, zwi schen denen ein Ausgangszwischenkreis-Mittelpunkt 705 definiert ist. Der Eingangs- Zwischenkreismittelpunkt 503 und der Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt 705 sind über eine Koppelleitung 750 miteinander verbunden. Die Koppelleitung 750 gleicht die Mittelpotentiale der Zwischenkreismittelpunkte 503, 705 an, so dass diesbezüglich kei ne Potentialdifferenzen auftreten und Eingangs- und Ausgangspotential somit ein ge meinsames Mittenpotential erhalten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Wir kungsgrad und die EMV-Beständigkeit der DC/DC-Wandlervorrichtung besonders vor teilhaft. In Fig. 4b ist ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform einer DC/DC- Wandlervorrichtung 1 die zum Laden- und Entladen eines DC-Energiespeichers 8 mit tels eines AC-Netzes 4 ausgelegt ist. Die vierte Ausführungsform der Fig. 4b umfasst wesentliche Merkmale der dritten Ausführungsform nach Fig. 4a, und weicht allerdings in einigen Punkten davon ab: An intermediate output circuit 700, which has a number of output capacitors 703, 704, is connected downstream of the DC/DC converter 600. In the example of Fig. 4a, the intermediate output circuit 700 has - without loss of generality - an output capacitor bridge with two series-connected capacitors 703, 704 which is connected between the negative output potential tap 701 and the positive output potential tap 702 of the DC/DC converter device 1, between tween which an output intermediate circuit center 705 is defined. The input intermediate circuit center point 503 and the output intermediate circuit center point 705 are connected to one another via a coupling line 750 . The coupling line 750 equalizes the middle potentials of the intermediate circuit center points 503, 705, so that no potential differences occur in this respect and the input and output potential thus receive a common middle potential. This is particularly advantageous with regard to the degree of efficiency and the EMC resistance of the DC/DC converter device. In Fig. 4b is a schematic circuit diagram of a fourth embodiment of a DC / DC converter device 1, which is designed for charging and discharging a DC energy store 8 by means of an AC network 4. The fourth embodiment of Fig. 4b includes essential features of the third embodiment of Fig. 4a, but differs from it in a few points:
Dem Eingangszwischenkreis 500 ist ein 3-Punkt-AC/DC-Wandler 400 vorgeschaltet., der aus netzseitigen Dreileiterphasen eines Teilnehmernetzes 4, die durch eine LCL- Filtervorrichtung 400 geglättet sind, ein um einen GND-Mittelabgriff symmetrisches Eingangspotential bereitstellt. The intermediate input circuit 500 is preceded by a 3-point AC/DC converter 400, which provides an input potential symmetrical about a GND center tap from mains-side three-wire phases of a subscriber network 4, which are smoothed by an LCL filter device 400.
Der Ausgangszwischenkreis 700 umfasst einen einzelnen Ausgangskondensator 703 und die Koppelleitung 750 entfällt. Hierdurch ist das Mittenpotential zwischen den Aus gangspotentialabgriffen 701, 702 unabhängig vom Mittenpotential am Eingangs- Zwischenkreismittelpunkt 503 frei verschiebbar und wird im Betrieb in der Regel auf Erd potential gehalten. Im Falle eines Erdschlusses kann eine der Ausgangspotential abgriffen 701 oder 702 ohne Beeinträchtigung des Betriebes auf Erdpotential gebracht werden, was einen Berührschutz ermöglicht. The intermediate output circuit 700 includes a single output capacitor 703 and the coupling line 750 is omitted. As a result, the center potential between the output potential taps 701, 702 can be freely shifted independently of the center potential at the input intermediate circuit center point 503 and is generally kept at ground potential during operation. In the event of a ground fault, one of the output potential taps 701 or 702 can be brought to ground potential without impairing operation, which enables protection against accidental contact.
Darüber hinaus hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der Fig. 4b eine zwischen dem Eingangszwischenkreis 500 und dem DC/DC-Wandler 600 angeordnete Entstörschal tung 550. Die Entstörschaltung 550 umfasst zwei zu den Zwischenkreiskondensatoren 501 , 502 parallel geschaltete Entstörkondensatoren 551 , 552. Der die beiden Entstör kondensatoren 551, 552 verbindende Knoten 553 ist mit Erd potential (Masse) verbun den. Des Weiteren hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der Fig. 4b eine zwischen dem DC/DC-Wandler 600 und dem Ausgangszwischenkreis 700 angeordnete lastseiti ge Entstörschaltung 650. Die lastseitige, d.h. ausgangsseitige Entstörschaltung 650 hat zwei zu dem Ausgangskondensator 703 des Ausgangszwischenkreises 700 parallel geschaltete Entstörkondensatoren 651, 652. Der die beiden Entstörkondensatoren 651 , 652 verbindende Knoten 653 ist mit Erd potential (Masse) verbunden. In addition, the DC/DC converter device 1 of Fig. 4b has an interference suppression circuit 550 arranged between the input intermediate circuit 500 and the DC/DC converter 600. The interference suppression circuit 550 comprises two interference suppression capacitors 551, 552 connected in parallel with the intermediate circuit capacitors 501, 502. The node 553 connecting the two suppression capacitors 551, 552 is connected to earth potential (mass). Furthermore, the DC/DC converter device 1 of Fig. 4b has a load-side interference suppression circuit 650 arranged between the DC/DC converter 600 and the output intermediate circuit 700. The load-side, i.e. output-side interference suppression circuit 650 has two parallel to the output capacitor 703 of the output intermediate circuit 700 switched interference suppression capacitors 651, 652. The node 653 connecting the two interference suppression capacitors 651, 652 is connected to earth potential (ground).
Fig. 5a zeigt ein schematisches Schaltbild einer fünften Ausführungsform einer DC/DC- Wandlervorrichtung 1 zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers 8 aus ei nem AC-Netz 4. Der Energiespeicher 8 kann auch durch ein DC-lndustrienetz 3 oder ein Notenergiespeicher eines Zwischenkreises eines Pitch-Antriebes 2 ersetzt werden, wobei dann eingangsseitig kein AC-Netz 4 sondern ein Zwischenkreis der Ansteuer- Schaltung des Pitch-Antriebes 2 angeschlossen ist. 5a shows a schematic circuit diagram of a fifth embodiment of a DC/DC converter device 1 for charging and/or discharging an energy store 8 from an AC network 4. The energy store 8 can also be powered by a DC industrial network 3 or an emergency energy store of an intermediate circuit a pitch drive 2 can be replaced, in which case no AC mains 4 but an intermediate circuit of the control Circuit of the pitch drive 2 is connected.
Die fünfte Ausführungsform der Fig. 5a umfasst alle Merkmale der vierten Ausfüh rungsform nach Fig. 4b, wobei allerdings die eingangsseitige Entstörschaltung 550 und die ausgangsseitige Entstörschaltung .650 entfallen. The fifth embodiment of FIG. 5a comprises all features of the fourth embodiment according to FIG. 4b, although the interference suppression circuit 550 on the input side and the interference suppression circuit .650 on the output side are omitted.
Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der Fig. 5a hat ferner eine erste Diode 801 sowie eine zweite Diode 802. Dabei ist die Anode der ersten Diode 801 mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 verbunden, und die Kathode der ersten Diode 801 ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 802 ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 verbunden, und die Kathode der zweiten Diode 802 ist mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff 702 verbunden.The DC/DC converter device 1 of FIG. 5a also has a first diode 801 and a second diode 802. The anode of the first diode 801 is connected to the negative output potential tap 701, and the cathode of the first diode 801 is connected to the input Intermediate circuit center 503 connected. The anode of the second diode 802 is connected to the input intermediate circuit center point 503 and the cathode of the second diode 802 is connected to the positive output potential tap 702 .
Gemäß Fig. 5a ist an dem Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 ein Umschwing kondensator 606 angeschlossen, der parallel zu dem Halbleiterschaltelement 601 ge schaltet ist. Ferner ist an dem Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 ein Um schwingkondensator 607 angeschlossen, der parallel zu dem Halbleiterschaltelement 602 geschaltet ist. According to FIG. 5a, a resonant capacitor 606 is connected to the center tap M1 of the first half-bridge H1 and is connected in parallel with the semiconductor switching element 601. FIG. Furthermore, an oscillating capacitor 607 is connected to the center tap M1 of the first half-bridge H1 and is connected in parallel to the semiconductor switching element 602 .
Analog ist an dem Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 ein Umschwingkonden sator 608 angeschlossen, der parallel zu dem Halbleiterschaltelement 603 geschaltet ist. Entsprechend ist an dem Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 ein Um schwingkondensator 609 angeschlossen, welcher parallel zu dem Halbleiterschaltele ment 604 geschaltet ist. Analogously, a reversing capacitor 608 is connected to the center tap M2 of the second half-bridge H2 and is connected in parallel to the semiconductor switching element 603 . Correspondingly, an oscillating capacitor 609 is connected to the center tap M2 of the second half-bridge H2 and is connected in parallel to the semiconductor switching element 604 .
Die Umschwingkondensatoren 606, 607, 608, 609 bewirken eine Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit und damit eine Verminderung der Ausschaltverlus te und eine Verbesserung des EMV-Verhaltens in Bezug auf Störaussendung. Die Umschwingkondensatoren können auch als ZVS-Kondensatoren oder Snubberkon- densatoren bezeichnet werden (ZVS; Zero-Voltage-Switching). The reversing capacitors 606, 607, 608, 609 limit the rate at which the voltage rises and thus reduce the turn-off losses and improve the EMC behavior with regard to interference emissions. The resonant capacitors can also be referred to as ZVS capacitors or snubber capacitors (ZVS; zero-voltage switching).
In Fig. 5b ist die in Fig. 5a dargestellte fünfte Ausführungsform für eine generelle DC/DC-Wandlung als weitere Ausführungsform dargestellt und genießt die bzgl. der fünften Ausführungsform dargestellten Vorteile, insbesondere bzgl. des Wirkungsgra des, der EMV und des ZVS-Schaltverhaltens. Eingangsseitig kann einen DC-Quelle, beispielsweise ein antriebstechnischer Zwischenkreis, eine DC-Energiequelle wie ein Solargenerator oder eine DC-Energiespeicher angeschlossen werden. Ausgangsseitig kann beispielsweise ein DC-lndustrienetzsegment 2 eines DC-lndustrienetzes 4 oder ein Notenergiespeicher eines Pitch-Antriebs 2 angeschlossen sein. 5b shows the fifth embodiment shown in FIG. 5a for a general DC/DC conversion as a further embodiment and enjoys the advantages shown with respect to the fifth embodiment, in particular with regard to the efficiency, the EMC and the ZVS switching behavior . On the input side, a DC source, for example a drive intermediate circuit, a DC energy source such as a Solar generator or a DC energy storage can be connected. On the output side, for example, a DC industrial network segment 2 of a DC industrial network 4 or an emergency energy store of a pitch drive 2 can be connected.
Vorteilhaft werden eingangsseitig an den positiven und negativen Eingangsleitern 401, 402 eine DC-Spannung, sowie am GND-Eingang eine hierzu symmetrische Mitten spannung bereitgestellt. Abweichend zur fünften Ausführungsform der Fig. 5a ist aus gangsseitig ein Ausgangszwischenkreis mit einer Ausgangs-Kondensatorbrücke 703, 704 angeordnet. Der Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt 705 ist - wie in der Fig. 4a - über eine Koppelleitung 750 mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 verbun den, so dass hierzu das zur Ausführungsform der Fig. 4a gesagte gilt. Advantageously, a DC voltage is provided on the input side on the positive and negative input conductors 401, 402, and a center voltage symmetrical thereto is provided on the GND input. Deviating from the fifth embodiment of FIG. 5a, an intermediate output circuit with an output capacitor bridge 703, 704 is arranged on the output side. As in FIG. 4a, the output intermediate circuit center point 705 is connected to the input intermediate circuit center point 503 via a coupling line 750, so that what was said about the embodiment of FIG. 4a applies in this regard.
Der GND-Anschluss muss nicht zwingend verwendet werden. Dabei ist die Steuerein heit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 derart anzusteuern, dass die erste Halbbrücke H1 und die zweite Halbbrücke H2 gleichphasig oder bevorzugt gegenphasig mit 180° Phasenverschiebung angesteuert werden. Dabei ist das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiter schaltelemente 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltele mente 602, 604 insbesondere einstellbar oder konstant, das heißt weist einen vorbe- stimmten Quotienten auf. Durch eine geringfügig von der Gleichphasigkeit oder von 180° abweichende, Phasenverschiebung kann die Symmetrie der mittleren Ausgangs spannung an den Ausgangspotentialabgriff en 701 und 702 gegenüber GND erreicht werden. Außerdem ist die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, einen der Halbleiterschalter 601, 602, 603 und 604 etwas früher auszuschalten, um die Symmet rie der mittleren Ausgangsspannung an den Ausgangspotentialabgriff en 701 und 702 gegenüber GND zu erreichen. The GND connection does not necessarily have to be used. The control unit 610 is preferably set up to control the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 in such a way that the first half-bridge H1 and the second half-bridge H2 are controlled in phase or preferably in phase opposition with a 180° phase shift. The ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements 601, 603 to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements 602, 604 is in particular adjustable or constant, ie has a predetermined quotient. The symmetry of the average output voltage at the output potential taps 701 and 702 with respect to GND can be achieved by a phase shift that deviates slightly from in-phase or from 180°. In addition, the control unit 610 is preferably set up to turn off one of the semiconductor switches 601, 602, 603 and 604 somewhat earlier in order to achieve symmetry of the average output voltage at the output potential taps 701 and 702 with respect to GND.
In Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 zur ausgangsseitigen Bereitstellung eines variabel ein stellbaren DC-Ausgangspotentials dargestellt. Die sechste Ausführungsform der Fig. 6 umfasst alle Merkmale der fünften Ausführungsform nach Fig. 5a. 6 shows a schematic circuit diagram of a sixth embodiment of a DC/DC converter device 1 for providing a variably adjustable DC output potential on the output side. The sixth embodiment of FIG. 6 includes all features of the fifth embodiment of FIG. 5a.
Des Weiteren hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 nach Fig. 6 ein Überspannungs schutzelement 803, welches zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und einem Knoten 804 gekoppelt ist, an welchem die Kathode der ersten Diode 801 verbunden ist und an welchem die Anode der zweiten Diode 802 verbunden ist. Das Überspannungsschutzelement 803 ist beispielsweise ein Varistor oder eine bidi rektionale Suppressordiode, wie zum Beispiel eine bidirektionale Transildiode. Furthermore, the DC/DC converter device 1 according to FIG. 6 has an overvoltage protection element 803, which is coupled between the input intermediate circuit center point 503 and a node 804, to which the cathode of the first diode 801 is connected and to which the anode of the second Diode 802 is connected. The overvoltage protection element 803 is, for example, a varistor or a bidirectional suppressor diode, such as a bidirectional transildiode.
Die Funktionalität der Dioden 801, 802 und des Überspannungsschutzelementes 803 ist der Schutz der Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 vor Überspannung. Diese Überspannung kann entstehen, wenn sich das mittlere Potential der Ausgangs potentialabgriffe 701 und 702 gegenüber dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 stark verschieben sollte. Dies erreichen die Dioden 801, 802 sowie das Überspan nungsschutzelement 803 insbesondere dadurch, indem das Potential des Aus gangspotentialabgriffs 702 nicht negativer werden kann als das Potential des Ein- gangs-Zwischenkreismittelpunktes 503 und das Potential an dem Ausgangspotential abgriff 701 nicht positiver werden kann als das Potential des Eingangs- Zwischenkreismittelpunktes 503. The functionality of the diodes 801, 802 and the overvoltage protection element 803 is the protection of the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 against overvoltage. This overvoltage can arise if the mean potential of the output potential taps 701 and 702 should shift sharply in relation to the input intermediate circuit center point 503. The diodes 801, 802 and the overvoltage protection element 803 achieve this in particular in that the potential of the output potential tap 702 cannot become more negative than the potential of the input intermediate circuit center point 503 and the potential at the output potential tap 701 cannot become more positive than that Potential of the input intermediate circuit center point 503.
Alternativ und nicht gezeigt kann zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 eine Reihenschaltung aus ei nem ersten Überspannungsschutzelement und der ersten Diode 801 angeordnet sein und zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und dem positiven Aus gangspotenzialabgriff 702 kann eine Reihenschaltung aus einem zweiten Überspan nungsschutzelement und der zweiten Diode 802 angeordnet sein. As an alternative and not shown, a series circuit comprising a first overvoltage protection element and the first diode 801 can be arranged between the input intermediate circuit center point 503 and the negative output potential tap 701, and a series circuit comprising a second overvoltage can be arranged between the input intermediate circuit center point 503 and the positive output potential terminal 702 voltage protection element and the second diode 802 can be arranged.
Dabei ist für die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform die Steuereinheit 610 vorzugs weise dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 derart anzu steuern, dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement 601 der ersten Halbbrücke H1 und das lastseitige Halbleiterschaltelement 604 der zweiten Halbbrücke H2 gering fügig überlappende Einschaltzeiten haben und/oder dass das eingangsseitige Halb leiterschaltelement 603 der zweiten Halbbrücke H2 und das lastseitige Halbleiter schaltelemente 602 der ersten Halbbrücke H1 geringfügig überlappende Einschaltzei ten haben. Dabei ist das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halb leiterschaltelemente 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschalt elemente 602, 604 insbesondere einstellbar oder konstant, das heißt weist einen vor bestimmten Quotienten auf. For the embodiment shown in Fig. 6, the control unit 610 is preferably set up to control the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 in such a way that the input-side semiconductor switching element 601 of the first half-bridge H1 and the load-side semiconductor switching element 604 of the second half-bridge H2 are low have slightly overlapping turn-on times and/or that the input-side semiconductor switching element 603 of the second half-bridge H2 and the load-side semiconductor switching element 602 of the first half-bridge H1 have slightly overlapping turn-on times. In this case, the ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements 601, 603 to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements 602, 604 is in particular adjustable or constant, that is to say it has a specific quotient.
Außerdem ist die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, einen der ein gangsseitigen Halbleiterschaltelemente 601, 603 der beiden Halbbrücken H1, H2 frü her auszuschalten als das andere eingangsseitige Halbleiterschaltelement 603, 601 der beiden Halbbrücken H1, H2, so dass eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises K1 (siehe Fig. 7) und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises K2 (siehe Fig. 7) über die Drossel 605 bereitgestellt ist. Eine solche Verkopplung für den Stromkreis K3 eines Symmetrierstroms ist in Fig. 8 dargestellt. Details hierzu wer den im Weiteren erläutert. In addition, control unit 610 is preferably set up to turn off one of the output-side semiconductor switching elements 601, 603 of the two half-bridges H1, H2 earlier than the other input-side semiconductor switching element 603, 601 of the two half-bridges H1, H2, so that a coupling of an input-side primary circuit K1 (see FIG. 7) and a load-side secondary circuit K2 (see FIG. 7) via the inductor 605 is provided. Such a coupling for the circuit K3 of a balancing current is shown in FIG. Details on this are explained below.
Wie die Fig. 6 zeigt, können die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 als MOS- FETs ausgebildet sein. Dabei kann die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu einge richtet sein, die Gates der MOSFETs 601, 602, 603, 604 der Halbbrücken H1, H2 mit derart phasenverschobenen Ansteuersignalen G1, G2, G3, G4 anzusteuern, so dass eine Verkopplung des eingangsseitigen Primär-Stromkreises K1 (siehe Fig. 7) und des lastseitigen Sekundär-Stromkreises K2 (siehe Fig. 7) über die Drossel 605 bereitge stellt ist. As FIG. 6 shows, the semiconductor switching elements 601, 602, 603, 604 can be in the form of MOSFETs. The control unit 610 can preferably be set up to control the gates of the MOSFETs 601, 602, 603, 604 of the half-bridges H1, H2 with such phase-shifted control signals G1, G2, G3, G4, so that the input-side primary circuit K1 (See Fig. 7) and the load-side secondary circuit K2 (see Fig. 7) via the choke 605 is provided.
Das Obige, insbesondere die Funktionsweise der als fliegenden Induktivität betreibba ren Drossel 605 und die Ausgangspotentialregelung, wird im Folgenden anhand der Diagramme der Fig. 9 näher erläutert. Hierzu zeigt die Fig. 9a den Strom in der Drossel 605 und die Fig. 9b zeigt die Ausgangsspannung bezeichnet als U 1 , Plus gegen Erde bezeichnet als U2, Minus gegen Erde bezeichnet als U3 und die mittlere Ausgangs spannung bezeichnet als U4. Ferner zeigt die Fig. 9c die Sperrspannungen der MOS FETs 601, 602, 603 und 604, wobei V1 die Sperrspannung am MOSFET 601 ist, V2 die Sperrspannung am MOSFET 602 ist, V3 die Sperrspannung am MOSFET 603 ist und V4 die Sperrspannung am MOSFET 604 ist. Des Weiteren zeigt die Fig. 9d die Gate-Signale der MOSFETs 601, 602, 603 und 604. Hierbei ist das Gate-Signal G1 dem MOSFET 601 zugeordnet, das Gate-Signal G2 ist dem MOSFET 602 zugeordnet, das Gate-Signal G3 ist dem MOSFET 603 zugeordnet und das Gate-Signal 604 ist dem MOSFET 604 zugeordnet. The above, in particular the mode of operation of the choke 605 that can be operated as a flying inductor and the output potential control, is explained in more detail below with reference to the diagrams in FIG. For this purpose, FIG. 9a shows the current in the inductor 605 and FIG. 9b shows the output voltage denoted as U1, plus to ground denoted as U2, minus to ground denoted as U3 and the average output voltage denoted as U4. Furthermore, Fig. 9c shows the reverse voltages of MOSFETs 601, 602, 603 and 604, where V1 is the reverse voltage across MOSFET 601, V2 is the reverse voltage across MOSFET 602, V3 is the reverse voltage across MOSFET 603 and V4 is the reverse voltage across MOSFET 604 is. Furthermore, FIG. 9d shows the gate signals of the MOSFETs 601, 602, 603 and 604. Here the gate signal G1 is assigned to the MOSFET 601, the gate signal G2 is assigned to the MOSFET 602, which is the gate signal G3 associated with MOSFET 603 and gate signal 604 associated with MOSFET 604 .
Wie die Fig. 9a zeigt, ist der Mittelwert des durch die Drossel 605 fließenden Stroms 60 A. Dies ist die Summe aus dem mittleren Eingangsstrom des Primär-Stromkreis K1 (siehe Fig. 7) und dem mittleren Ausgangsstrom des Sekundär-Stromkreises K2 (siehe Fig. 7). Mit Bezug zur Fig. 9d sind in die Gate-Signale G1, G2, G3, G4 der MOSFETs 601, 602, 603, 604 Zeiten A für die Umladung der Umschwingkondensatoren 606, 607, 608 und 609 vorgesehen. Die Umladung ist an der Flanke B der MOSFET- Sperrspannungen gemäß Fig. 9c zu sehen. Der Maximalstrom von + 150 A gemäß Fig. 9a in der Drossel 605 bewirkt eine schnelle Umladung, der Minimalstrom von -30 A gemäß Fig. 9a in der Drossel 605 bewirkt demgegenüber eine langsame Umladung und somit eine flache Flanke B der MOSFET-Sperrspannungen in Fig. 9c. Das Ein schalten der MOSFETs, siehe A in Fig. 9d, findet stets dann statt, wenn die Sperr spannung des MOSFETs Null ist, um Einschaltverluste zu verringern beziehungsweise zu vermeiden. Wenn die MOSFETs ausschalten (siehe A in Fig. 9d), so steigt die MOSFET-Sperrspannung während der Umladung über ihnen so langsam an, dass die Sperrspannung während des Ausschaltens klein bleibt, das heißt es ergibt sich ein dU/dt-begrenztes Ausschalten. Im Vergleich zu einem harten Ausschalten ergeben sich dadurch sehr viel weniger Ausschaltverluste. As shown in Fig. 9a, the mean value of the current flowing through the choke 605 is 60 A. This is the sum of the mean input current of the primary circuit K1 (see Fig. 7) and the mean output current of the secondary circuit K2 (see 7). With reference to FIG. 9d, times A are provided in the gate signals G1, G2, G3, G4 of the MOSFETs 601, 602, 603, 604 for the charge reversal of the reversing capacitors 606, 607, 608 and 609. The charge reversal can be seen on edge B of the MOSFET blocking voltages according to FIG. 9c. The maximum current of + 150 A according to Fig. 9a in the inductor 605 causes rapid charge reversal, the minimum current of -30 A according to FIG. 9a in the inductor 605, on the other hand, causes a slow charge reversal and thus a flat edge B of the MOSFET blocking voltages in FIG. 9c. The MOSFETs switch on, see A in FIG. 9d, always takes place when the blocking voltage of the MOSFETs is zero in order to reduce or avoid turn-on losses. When the MOSFETs turn off (see A in Fig. 9d), the MOSFET blocking voltage across them increases so slowly during charge reversal that the blocking voltage remains low during turn-off, i.e. there is a dU/dt-limited turn-off. Compared to hard turn-off, this results in far fewer turn-off losses.
Das ZVS-Schalten der MOSFETs 601, 602, 603 und 604 ist charakterisiert durch ein verlustfreies Einschalten bei einer Sperrspannung von Null und ein verlustreduziertes Ausschalten mit von den Umschwingkondensatoren 606, 607, 608 und 609 begrenzter Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit. Das ZVS-Schalten setzt voraus, dass der Dros selstrom gemäß Figur 9a zwischen zwei Schaltvorgängen der MOSFETs 601, 602, 603 und 604 zumindest einen Nulldurchgang aufweist. ZVS switching of MOSFETs 601, 602, 603 and 604 is characterized by zero-loss turn-on and zero-loss turn-off with slew-rate limited by resonant capacitors 606, 607, 608 and 609. ZVS switching presupposes that the inductor current according to FIG. 9a has at least one zero crossing between two switching operations of the MOSFETs 601, 602, 603 and 604.
Zum Zeitpunkt C in Fig. 9d wird der MOSFET 603 früher ausgeschaltet als der MOS- FET 601. Dadurch ergibt sich die oben angesprochene Verkopplung (siehe Stromkreis K3 in Fig. 8) der Stromkreise. Die Symmetrie der Ausgangsspannung gegen Erde ver schiebt sich dabei mit jedem Schaltvorgang (vgl. Fig. 9b zum Zeitpunkt C). So kann eine Symmetrieregelung stattfinden. At time C in FIG. 9d, MOSFET 603 is switched off earlier than MOSFET 601. This results in the above-mentioned coupling (see circuit K3 in FIG. 8) of the circuits. The symmetry of the output voltage to ground shifts with each switching process (cf. FIG. 9b at time C). A symmetry control can thus take place.
Wie oben bereits ausgeführt, gibt es zwei Möglichkeiten zur Symmetrieregelung: ers tens ein geringfügig früheres Ausschalten von einzelnen oder mehreren MOS-FETs und zweitens eine geringfügige Phasenverschiebung der Gate-Signale G1, G2, G3, G4 der beiden Halbbrücken H1, H2 gegeneinander. As already explained above, there are two possibilities for symmetry control: firstly, turning off one or more MOSFETs slightly earlier and secondly, slightly shifting the phase of the gate signals G1, G2, G3, G4 of the two half-bridges H1, H2 relative to one another.
Wie die Fig. 6, 7,8 und 10 zeigen, kann die Steuereinheit 610 zwei Stromregler aufwei sen, die insbesondere unabhängig voneinander sind. So umfasst die Steuereinheit 610 insbesondere einen Laststrom-Regler 611 und einen Symmetrierstrom-Regler 612. Außerdem umfasst die Steuereinheit 610 einen Differenzspannungs-Regler 613. As shown in FIGS. 6, 7, 8 and 10, the control unit 610 can have two current regulators, which in particular are independent of one another. In particular, control unit 610 includes a load current controller 611 and a balancing current controller 612. Control unit 610 also includes a differential voltage controller 613.
Der Laststrom-Regler 611 ist insbesondere dazu eingerichtet, das Verhältnis der Ein schaltzeiten der eingangsseitigen MOSFETs 601, 603 zu den Einschaltzeiten der last- seitigen MOSFETs 602, 604 einzustellen. Der Symmetrierstrom-Regler 612 stellt einen Symmetrierstrom (siehe Stromkreis K3 der Fig. 8 sowie SY in Fig. 10) zur Symmetrie rung des Potentials an dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 und des Potenti als an dem positiven Ausgangspotentialabgriff 702 gegenüber Erd potential zu stellen.The load current controller 611 is set up in particular to set the ratio of the switch-on times of the input-side MOSFETs 601, 603 to the switch-on times of the load side MOSFETs 602, 604 set. The symmetry current regulator 612 provides a symmetry current (see circuit K3 of FIG. 8 and SY in FIG. 10) for symmetrizing the potential at the negative output potential tap 701 and the potenti as at the positive output potential tap 702 with respect to ground potential.
Der Differenzspannungs-Regler 613 ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Soll- Wert SWS (siehe Fig. 10) für ein Einstellsignal SY in Abhängigkeit zumindest einer gemessenen Spannung U2, U3 (siehe Fig. 10) in dem lastseitigen Sekundär- Stromkreis K2 bereitzustellen. Dabei ist der Differenzspannungs-Regler 613 langsamer als der Symmetrierstrom-Regler 612. The differential voltage controller 613 is set up in particular to provide a setpoint value SWS (see FIG. 10) for a setting signal SY depending on at least one measured voltage U2, U3 (see FIG. 10) in the load-side secondary circuit K2. The differential voltage controller 613 is slower than the balancing current controller 612.
Wie oben ausgeführt, beeinflusst der schnelle Laststrom-Regler 611 das Verhältnis der Einschaltzeiten (Einschaltdauern) der eingangsseitigen MOSFETs 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen MOSFETs 602, 604. Bei einem Verhältnis kleiner 1 wird die Eingangsspannung heruntergesetzt, bei einem Verhältnis größer 1 wird sie hochgesetzt, bei einem Verhältnis von 1 wird die Eingangsspannung lediglich invertiert.As explained above, the fast load current controller 611 influences the ratio of the switch-on times (switch-on durations) of the input-side MOSFETs 601, 603 to the switch-on times of the load-side MOSFETs 602, 604. If the ratio is less than 1, the input voltage is reduced, if the ratio is greater than 1 it is boosted, with a ratio of 1 the input voltage is only inverted.
Der Differenzstrom-Regler beeinflusst den Ausschaltzeitpunkt einzelner MOS-FETs 601, 602, 603, 604 oder die Phasenverschiebung. Wie oben ausgeführt, kann der Symmetrierstrom-Regler 612 einen Symmetrierstrom gemäß Fig. 8 und 10 stellen. Der Differenzspannungs-Regler 613 liefert den Soll-Wert SWS für das Einstellsignal SY. Beispielsweise kann dieser dafür sorgen, dass ein durch ungleiche Verschmutzungen der Ausgangspotentialabgriffe 701 und 702 gegen Erde verursachter Erd-Fehlstrom vom Symmetrierstrom-Regler 612 ausgeglichen wird und somit die Ausgangsspannung erdsymmetrisch bleibt. Er ist außerdem vorzugsweise dazu geeignet, dass die durch Timing-Toleranzen in den Gate-Signalen G1, G2, G3, G4 verursachte Tendenz zur Asymmetrie ausgeglichen wird. Details hierzu werden mit Bezug zu Fig. 10 erläutert.The differential current controller influences the switch-off time of individual MOS-FETs 601, 602, 603, 604 or the phase shift. As explained above, the balancing current regulator 612 can set a balancing current according to FIGS. 8 and 10. The differential voltage controller 613 supplies the target value SWS for the setting signal SY. For example, this can ensure that an earth leakage current caused by unequal soiling of the output potential taps 701 and 702 to earth is compensated for by the balancing current regulator 612 and the output voltage thus remains earth-symmetrical. It is also preferably suitable for compensating for the tendency towards asymmetry caused by timing tolerances in the gate signals G1, G2, G3, G4. Details on this are explained with reference to FIG. 10 .
Hierbei zeigt die Fig. 10 das schematisches Schaltbild der Fig. 6 mit eingezeichneter Symmetrierregelung, wobei einige der in Fig. 6 gezeichneten Bezugszeichen aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 10 weggelassen sind. Here, FIG. 10 shows the schematic circuit diagram of FIG. 6 with the balancing control drawn in, with some of the reference symbols drawn in FIG. 6 being omitted in FIG. 10 for reasons of clarity.
Die in Fig. 10 gezeigte Steuereinheit 610 kann auch als Regelungseinheit oder Rege lungseinrichtung bezeichnet werden und ist zur Symmetrierregelung eingerichtet. Die Regelungseinheit 610 der Fig. 10 umfasst einen Laststrom-Regler 611 , einen Symmet rierstrom-Regler 612 sowie einen Differenzspannungs-Regler 613. Des Weiteren um- fasst die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 nach Fig. 10 eine erste Strommesseinrichtung 614, eine zweite Strommesseinrichtung 615, eine erste Spannungsmesseinrichtung 616, eine zweite Spannungsmesseinrichtung 617, eine erste Subtrahiereinheit 618, eine Summiereinheit 619, eine zweite Subtrahiereinheit 620, eine Halbierungseinheit 621 sowie einen PWM-Generator 622 (PWM; Pulsweiten-Modulation). The control unit 610 shown in FIG. 10 can also be referred to as a control unit or control device and is set up for balance control. The control unit 610 of FIG. 10 includes a load current controller 611, a balancing current controller 612 and a differential voltage controller 613. the DC/DC converter device 1 according to Fig. 10 includes a first current measuring device 614, a second current measuring device 615, a first voltage measuring device 616, a second voltage measuring device 617, a first subtraction unit 618, a summation unit 619, a second subtraction unit 620, a halving unit 621 as well a PWM generator 622 (PWM; pulse width modulation).
Die erste Strommesseinrichtung 614 ist dazu eingerichtet, den von der ersten Halbbrü cke H1 zum negativen Ausgangspotentialabgriff 701 fließenden Strom I3 zu messen. Entsprechend ist die zweite Strommesseinrichtung 615 dazu eingerichtet, den von der zweiten Halbbrücke H2 zum positiven Ausgangspotentialabgriff 702 fließenden Strom I2 zu messen. The first current measuring device 614 is set up to measure the current I3 flowing from the first half bridge H1 to the negative output potential tap 701 . Correspondingly, the second current measuring device 615 is set up to measure the current I2 flowing from the second half-bridge H2 to the positive output potential tap 702 .
Die erste Subtrahiereinheit 618 ist dazu geeignet, ein erstes Differenzsignal DS1 aus einer Differenz zwischen dem Strom I2 und dem Strom I3 ausgangsseitig bereitzustel len. Die Summiereinheit 619 hingegen summiert die Ströme I2 und I3 und stellt in Ab hängigkeit davon ausgangsseitig einen Summensignal SS1 bereit. The first subtraction unit 618 is suitable for providing a first differential signal DS1 from a difference between the current I2 and the current I3 on the output side. The summing unit 619, on the other hand, sums the currents I2 and I3 and, depending on this, provides a sum signal SS1 on the output side.
Die Halbierungseinheit 621 halbiert das erste Summensignal SS1, bereitgestellt von der Summiereinheit 619, und stellt ausgangsseitig ein zweites Summensignal SS2 be reit (SS2 = 0,5 * SS1). The halving unit 621 halves the first sum signal SS1 provided by the summing unit 619 and provides a second sum signal SS2 on the output side (SS2=0.5*SS1).
Die erste Spannungsmesseinrichtung 616 ist dazu eingerichtet, eine zwischen dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 und Erde abfallende Spannung zu messen und in Abhängigkeit von dieser Messung ausgangsseitig einen ersten Spannungswert U3 (Minus gegen Erde) bereitzustellen. The first voltage measuring device 616 is set up to measure a voltage drop between the negative output potential tap 701 and ground and to provide a first voltage value U3 (negative to ground) on the output side as a function of this measurement.
Ferner ist die zweite Spannungsmesseinrichtung 617 dazu eingerichtet, eine zwischen dem positiven Ausgangspotentialabgriff 702 und Erde abfallende Spannung zu messen und in Abhängigkeit der Messung ausgangsseitig ein zweites Spannungssignal U2 (Plus gegen Erde) bereitzustellen. Die zweite Subtrahiereinheit 620 bildet aus der Dif ferenz zwischen U2 und U3 ein zweites Differenzsignal DS2 und stellt dieses aus gangsseitig bereit. Furthermore, the second voltage measuring device 617 is set up to measure a voltage drop between the positive output potential tap 702 and ground and to provide a second voltage signal U2 (plus to ground) on the output side as a function of the measurement. The second subtraction unit 620 forms a second difference signal DS2 from the difference between U2 and U3 and makes this available on the output side.
Der Differenzspannungs-Regler 613 empfängt eingangsseitig das zweite Differenzsig nal DS2 von der zweiten Subtrahiereinheit 620 sowie einen Differenzspannungssoll wert DSS und stellt in Abhängigkeit davon ausgangsseitig den Symmetrierstromsoll- wert SWS bereit und führt diesen dem Symmetrierstrom-Regler 612 zu. Der Symmet- rierstrom-Regler 612 empfängt eingangsseitig den Symmetrierstromsollwert SWS und das erste Differenzsignal DS1 von der ersten Subtrahiereinheit 618. In Abhängigkeit von diesen empfangenen Signalen DS1, SWS stellt der Symmetrierstrom-Regler 612 ausgangsseitig das Einstellsignal SY bereit und führt dieses dem PWM-Generator 622 zu. The differential voltage controller 613 receives on the input side the second differential signal DS2 from the second subtraction unit 620 and a differential voltage setpoint value DSS and, depending on this, sets the balancing current setpoint on the output side. value SWS and feeds it to the balancing current controller 612. The balancing current controller 612 receives the balancing current setpoint SWS on the input side and the first differential signal DS1 from the first subtraction unit 618. Depending on these received signals DS1, SWS, the balancing current controller 612 provides the setting signal SY on the output side and feeds this to the PWM generator 622 to.
Der Laststrom-Regler 611 empfängt eingangsseitig das halbierte Summensignal SS2 und einen Laststrom soliwert LSS und stellt in Abhängigkeit davon ausgangsseitig ein Einstellsignal zum Einstellen der Einschaltzeiten der MOSFETs 601, 602, 603, 604 be reit. On the input side, the load current controller 611 receives the halved sum signal SS2 and a load current setpoint value LSS and, depending on this, provides a setting signal on the output side for setting the switch-on times of the MOSFETs 601, 602, 603, 604.
Der PWM-Generator generiert die Gatesignale G1, G2, G3, G4 für die MOSFETs 601, 602, 603, 604 in Abhängigkeit des empfangenen Einstellsignals ES und des empfan genen Einstellsignals SY. The PWM generator generates the gate signals G1, G2, G3, G4 for the MOSFETs 601, 602, 603, 604 depending on the received setting signal ES and the received setting signal SY.
Der Differenzspannungs-Regler 613 ist insbesondere so langsam, dass er im Falle ei nes plötzlich auftretenden Fehlerstroms den Symmetrierstrom zunächst nicht verän dern kann. Die Umladung der Kondensatoren 651 und 652 wird dabei vorzugsweise nicht gestört. Dadurch verhält sich das System wie ein galvanisch vom Netz 4 getrenn tes System. Bevor der Differenzspannungs-Regler 613 Symmetrierstrom-Regler 612 in einem solchen Fall reagieren kann, wird der DC/DC-Wandler 600 vorzugsweise abge schaltet. Falls gewünscht, könnte das System bei Bedarf auch mit Erdschluss weiter betrieben werden, ohne einen Strom in den Erdschluss zu treiben. In particular, the differential voltage controller 613 is so slow that it cannot initially change the balancing current in the event of a fault current suddenly occurring. The charge reversal of the capacitors 651 and 652 is preferably not disturbed in this case. As a result, the system behaves like a system that is galvanically isolated from the network 4. Before the differential voltage controller 613-balancing current controller 612 can react in such a case, the DC/DC converter 600 is preferably switched off. If desired, the system could continue to operate with a ground fault if necessary, without driving a current into the ground fault.
In den in den Figs 3, 4b, 5a, 6, 7 8, 10 dargestellten Ausführungsformen kann bei ei nem Verzicht auf Leitung 750, d.h. bei einer Quasi-Potentialtrennung und Verzicht auf einer galvanischen Verbindung zwischen der Eingangsseite und Ausgangsseite außer halb der Halbleiterbrücken H1, H2 die DC-Wandlervorrichtung 1 bei einem Erdschluss uneingeschränkt weiter betrieben werden. Dieser Umstand ist insbesondere hinsicht lich Personenschutz und Betriebssicherheit ein wesentlicher Aspekt. In the embodiments shown in Figures 3, 4b, 5a, 6, 7, 8, 10, if there is no line 750, i.e. if there is quasi-potential isolation and there is no galvanic connection between the input side and the output side outside of the semiconductor bridges H1 , H2 the DC converter device 1 can continue to be operated without restrictions in the event of a ground fault. This circumstance is an important aspect, particularly with regard to personal protection and operational safety.
Ferner zeigt die Fig. 11 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Be treiben einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 für den Betrieb einer Windkraftanlage oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes 3. Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 ist bei spielsweise wie in den vorstehenden Figuren erläutert ausgebildet. In Schritt S1 wird die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit einer DC-Energiequelle wie z.B. einem AC/DC-Wandler 400 eines mehrphasigen Netzes 4, einem antriebstechnischen Zwischenkreises, einem Solargenerator, einem DC-Energiespeicher oder ähnlichem und mit einer DC-Energiesenke, beispielsweise einem DC. Energiespeicher 8, beispiel haft eines Elektrofahrzeuges, einem Netzsegment 2 eines DC-lndustrienetzes 3, einen Notenergiespeicher etc. gekoppelt. Es ist auch denkbar, die DC/DC- Wandlervorrichtung zwischen einem Notenergiespeicher und dem Zwischenkreis eines oder mehrerer Pitch- oder Yaw-Antriebe 2 einer Windkraftanlage 3, zwischen Zwi schenkreisen von elektrischen Antrieben zur Zwischenkreisverkopplung oder Stützung mittels eines Energiespeichers bzw. einer Energiequelle, zwischen verschiedenen Netzsegmenten 2 eines DC-lndustrienetzes 3 oder ähnliches einzusetzen, in denen, vorzugsweise bidirektional elektrische Energie auf gleichen oder verschiedenen, vor zugsweise variablen Spannungsniveaus geleitet werden kann. 11 also shows a schematic flowchart of a method for operating a DC/DC converter device 1 for operating a wind turbine or an industrial DC supply network 3. The DC/DC converter device 1 is explained, for example, as in the preceding figures educated. In step S1, the DC/DC converter device 1 is connected to a DC energy source such as an AC/DC converter 400 of a multi-phase network 4, an intermediate drive circuit, a solar generator, a DC energy store or the like and a DC energy sink. for example a DC. Energy store 8, for example an electric vehicle, a network segment 2 of a DC industrial network 3, an emergency energy store, etc. coupled. It is also conceivable to place the DC/DC converter device between an emergency energy store and the intermediate circuit of one or more pitch or yaw drives 2 of a wind turbine 3, between intermediate circuits of electrical drives for intermediate circuit coupling or support by means of an energy store or an energy source, between to use different network segments 2 of a DC industrial network 3 or the like, in which, preferably bidirectionally, electrical energy can be passed to the same or different, preferably variable, voltage levels.
In Schritt S2 wird die den Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 und den Mittelab griff M2 der zweiten Halbbrücke H2 verbindende Drossel 605 des DC/DC-Wandlers 600 als fliegende Induktivität betrieben. In step S2, the inductor 605 of the DC/DC converter 600 connecting the center tap M1 of the first half-bridge H1 and the center tap M2 of the second half-bridge H2 is operated as a flying inductor.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Although the present invention has been described on the basis of embodiments, it can be modified in many ways.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
DC/DC- Wandlervorrichtung DC/DC converter device
Pitch-Antrieb oder DC-lndustrienetzsegmentPitch drive or DC industrial network segment
Windkraftanlage oder DC-lndustrienetzWind turbine or DC industrial grid
AC-Netz AC grid
Ladekabel charging cable
Netzanschlusspunkt mehrphasiges EnergieversorgungsnetzGrid connection point for multi-phase power supply grid
DC-Energiespeicher DC energy storage
Anschlussklemme terminal block
Anschlussklemme terminal block
Anschlussklemme terminal block
EMV-Filtervorrichtung EMC filter device
LCL-Filtervorrichtung LCL filter device
AC/DC-Wandler positiver Eingangsleiter negativer EingangsleiterAC/DC converter positive input lead negative input lead
Eingangszwischenkreisinput intermediate circuit
Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
Zwischenkreiskondensator intermediate circuit capacitor
Eingangs-ZwischenkreismittelpunktInput intermediate circuit center
Entstörschaltung suppression circuit
Entstörkondensator suppression capacitor
Entstörkondensator suppression capacitor
Knoten node
DC/DC-Wandler DC/DC converter
Halbleiterschaltelementsemiconductor switching element
Halbleiterschaltelementsemiconductor switching element
Halbleiterschaltelementsemiconductor switching element
Halbleiterschaltelement semiconductor switching element
Drossel throttle
Umschwingkondensatorreversing capacitor
Umschwingkondensatorreversing capacitor
Umschwingkondensatorreversing capacitor
Umschwingkondensator reversing capacitor
Steuereinheit control unit
Laststrom-Regler load current controller
Symmetrierstrom-Reglerbalancing current controller
Differenzspannungs-Regler erste Strommesseinrichtung zweite Strommesseinrichtung erste Spannungsmesseinrichtung zweite Spannungsmesseinrichtung erste Subtrahiereinheit differential voltage regulator first current measuring device second current measuring device first voltage measuring device second voltage measuring device first subtraction unit
Summiereinheit zweite Subtrahiereinheitsummation unit second subtraction unit
Halbierungseinheit bisection unit
PWM-Generator PWM generator
Entstörschaltung > m suppression circuit > m
651 Entstörkondensator 651 anti-interference capacitor
652 Entstörkondensator 652 anti-interference capacitor
653 Knoten 653 knots
700 Ausgangszwischenkreis 700 output intermediate circuit
701 Ausgangspotentialabgriff 701 output potential tap
702 Ausgangspotentialabgriff 702 output potential tap
703 Ausgangskondensator 703 output capacitor
704 Ausgangskondensator 704 output capacitor
705 Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt 750 Koppelleitung 801 Diode 802 Diode 705 output intermediate circuit center 750 coupling line 801 diode 802 diode
803 Überspannungsschutzelement 803 overvoltage protection element
804 Knoten 804 knots
, B, C Zeiten , B, C times
Einstellsignal adjustment signal
G1 Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 601 G1 gate signal for semiconductor switching element 601
G2 Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 602 G2 gate signal for semiconductor switching element 602
G3 Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 603 G3 gate signal for semiconductor switching element 603
G4 Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 604 G4 gate signal for semiconductor switching element 604
H1 erste Halbbrücke H1 first half bridge
H2 zweite Halbbrücke H2 second half bridge
I Strom current
12 Strom 12 electricity
13 Strom K1 Stromkreis K2 Stromkreis K3 Stromkreis L1 Phase L2 Phase L3 Phase M1 Mittelabgriff der ersten Halbbrücke M2 Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke s Zeit in Sekunden 13 current K1 circuit K2 circuit K3 circuit L1 phase L2 phase L3 phase M1 center tap of the first half bridge M2 center tap of the second half bridge s Time in seconds
S1, S2 Verfahrensschritte S1, S2 method steps
SY Einstellsignal ui Ausgangsspannung SY setting signal ui output voltage
U2 Plus gegen Erde U2 plus to earth
U3 Minus gegen Erde U3 negative to earth
U4 Mittlere Ausgangsspannung U4 Average output voltage
V1 Spannung am Halbleiterschaltelement 601 V1 Voltage at the semiconductor switching element 601
V2 Spannung am Halbleiterschaltelement 602 V2 voltage at the semiconductor switching element 602
V3 Spannung am Halbleiterschaltelement 603 V3 voltage at the semiconductor switching element 603
V4 Spannung am Halbleiterschaltelement 604 V4 voltage at the semiconductor switching element 604
GND Mittenpotential am Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt GND Center potential at the input intermediate circuit center

Claims

Patentansprüche patent claims
1. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) für den Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebsystems, oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes (3) mit elektrischer Energie, mit: einem Eingangszwischenkreis (500), welcher eine Anzahl von zwischen einem positiven Eingangsleiter (401) und einem negativen Eingangsleiter (402) geschal tete Zwischenkreiskondensatoren (501, 502) aufweist, und einem dem Eingangszwischenkreis (500) nachgeschalteten DC/DC-Wandler (600), welcher eine mit dem positiven Eingangsleiter (401) verbundene erste Halbbrücke (H1) und eine mit dem negativem Eingangsleiter (402) verbundene zweite Halbbrücke (H2) aufweist, wobei der Mittelabgriff (M1) der ersten Halbbrü cke (H1) und der Mittelabgriff (M2) der zweiten Halbbrücke (H2) über eine Drossel (605) verbunden sind. 1. DC/DC converter device (1) for operating a wind turbine, an electrical drive system, or an industrial DC supply network (3) with electrical energy, having: an input intermediate circuit (500) which has a number of intermediate circuits between a positive input conductor ( 401) and a negative input conductor (402) has switched intermediate circuit capacitors (501, 502), and a DC/DC converter (600) which is connected downstream of the input intermediate circuit (500) and which has a first half-bridge (H1 ) and a second half-bridge (H2) connected to the negative input conductor (402), the center tap (M1) of the first half-bridge (H1) and the center tap (M2) of the second half-bridge (H2) being connected via a choke (605). are.
2. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Anzahl von AC-Phasen (L1, L2, L3) koppelbarer AC/DC-Wandler (400), ins besondere ein 3-Punkt-AC/DC-Wandler am Eingangszwischenkreis (500) an den Eingangsleitern (401, 402) vorgeschaltet ist, oder eine DC-Energiequelle, insbeson dere ein Solargenerator, oder ein DC-Energiespeicher (3), insbesondere ein Akkumu lator, am Eingangszwischenkreis (500) an den Eingangsleitern (401, 402) ange schlossen ist. 2. DC / DC converter device (1) according to claim 1, characterized in that with a number of AC phases (L1, L2, L3) can be coupled AC / DC converter (400), in particular a 3-point AC/DC converter is connected upstream on the input intermediate circuit (500) on the input conductors (401, 402), or a DC energy source, in particular a solar generator, or a DC energy store (3), in particular an accumulator, on the input intermediate circuit (500 ) is connected to the input conductors (401, 402).
3. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Pitch-Antrieb (3), oder ein Yaw-Antrieb einer Windkraftanlage (3), ein Zwischenkreis eines elektrischen Antriebs oder zumindest ein DC-Netzsegment eines DC-lndustrienetzes (3) an einem Ausgangszwischenkreis (700) des DC/DC- Wandlers (600) nachgeschaltet ist. 3. DC / DC converter device (1) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one pitch drive (3), or a yaw drive of a wind turbine (3), an intermediate circuit of an electrical drive or at least one DC Network segment of a DC industrial network (3) is connected downstream to an intermediate output circuit (700) of the DC/DC converter (600).
4. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (605) des DC/DC-Wandlers (600) als fliegende In duktivität betreibbar ist. 5. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlervorrichtung (1) eine transformatorlose DC/DC-Wandlervorrichtung ist. 4. DC/DC converter device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the inductor (605) of the DC/DC converter (600) can be operated as a flying inductance. 5. DC / DC converter device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the DC / DC converter device (1) is a transformerless DC / DC converter device.
6. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (600) als ein bidirektionaler DC/DC- Wandler zum Hochsetzen und/oder Tiefsetzen von Spannungen ausgebildet ist. 6. DC / DC converter device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the DC / DC converter (600) is designed as a bidirectional DC / DC converter for stepping up and / or stepping down voltages.
7. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Halbbrücke (H1, H2) eine Reihen schaltung von zwei Halbleiterschaltelementen (601, 602, 603, 604) aufweist. 7. DC/DC converter device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the respective half-bridge (H1, H2) has a series connection of two semiconductor switching elements (601, 602, 603, 604).
8. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Halbleiterschaltelement (601, 602, 603, 604) als ein MOSFET, bevorzugt als ein SiC-MOSFET, oder als ein IGBT oder als eine SiC-Kaskode ausgebildet ist. 8. DC / DC converter device (1) according to claim 7, characterized in that the respective semiconductor switching element (601, 602, 603, 604) as a MOSFET, preferably as a SiC MOSFET, or as an IGBT or as a SiC Cascode is formed.
9. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlervorrichtung (1) eine Steuereinheit (610) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Halbleiterschaltelemente (601, 602, 603, 604) derart anzu steuern, dass jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschaltelemente (601, 603, 602, 604) der beiden Halbbrücken (H1, H2) gleichzeitig schalten, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzögerung schalten. 9. DC/DC converter device (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the DC/DC converter device (1) has a control unit (610) which is set up to switch the semiconductor switching elements (601, 602, 603, 604) to control such that two corresponding semiconductor switching elements (601, 603, 602, 604) of the two half-bridges (H1, H2) switch simultaneously, in particular switch with an identical switch-on delay.
10. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlervorrichtung (1) eine Steuereinheit (610) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Halbbrücken H1 und H2 phasenverschoben anzusteuern, insbesondere mit 180° Phasenverschiebung anzusteuern. 10. DC/DC converter device (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the DC/DC converter device (1) has a control unit (610) which is set up to control the half-bridges H1 and H2 out of phase, in particular with 180° phase shift.
11. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingangszwischenkreis (500) und dem DC/DC- Wandler (600) eine Entstörschaltung (550) angeordnet ist, welche zwei zu den Zwi schenkreiskondensatoren (501, 502) parallel geschaltete Entstörkondensatoren (551, 552) aufweist, wobei der die beiden Entstörkondensatoren (551, 552) verbindende Knoten (553) mit Erdpotential verbunden ist. 12. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem DC/DC-Wandler (600) nachgeschalteten Aus- gangszwischenkreis (700) mit einer Anzahl von Ausgangskondensatoren (703, 704), welche zwischen einem negativen Ausgangspotentialabgriff (701) und einem positi ven Ausgangspotentialabgriff (702) der DC/DC-Wandlervorrichtung (1) geschaltet sind. 11. DC / DC converter device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that between the input intermediate circuit (500) and the DC / DC converter (600) an interference suppression circuit (550) is arranged, which two to the intermediate circuit capacitors (501, 502) has interference suppression capacitors (551, 552) connected in parallel, with the node (553) connecting the two interference suppression capacitors (551, 552) being connected to ground potential. 12. DC / DC converter device (1) according to any one of the preceding claims, characterized by a DC / DC converter (600) downstream output intermediate circuit (700) with a number of output capacitors (703, 704) which between a negative Output potential tap (701) and a positive output potential tap (702) of the DC/DC converter device (1) are connected.
13 DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreiskondensatoren (501, 502) des Eingangs-Zwischenkreises (500) eine Eingangskondensatorbrücke mit einem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt (503) ausbilden, und die Ausgangskondensatoren (703, 704) des Ausgangszwischenkrei- ses (700) eine Ausgangskondensatorbrücke mit einem Ausgangs- Zwischenkreismittelpunkt (705) ausbilden, wobei der Eingangs- Zwischenkreismittelpunkt (503) mit dem Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt (705) über eine Koppelleitung (750) verbunden ist. 13 DC/DC converter device (1) according to Claim 12, characterized in that the intermediate circuit capacitors (501, 502) of the input intermediate circuit (500) form an input capacitor bridge with an input intermediate circuit center point (503), and the output capacitors (703, 704 ) of the output intermediate circuit (700) form an output capacitor bridge with an output intermediate circuit center (705), the input intermediate circuit center (503) being connected to the output intermediate circuit center (705) via a coupling line (750).
14. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem DC/DC-Wandler (600) und dem Ausgangszwischenkreis (700) eine lastseitige Entstörschaltung (650) angeordnet ist, welche zwei, zu der Anzahl von Ausgangskondensatoren (703, 704) des Ausgangszwischenkreises (700) parallel geschaltete, Entstörkondensatoren (651, 652) aufweist, wobei der die beiden Entstör kondensatoren (651, 652) verbindende Knoten (653) mit Erdpotential verbunden ist. 14. DC/DC converter device (1) according to claim 12 or 13, characterized in that a load-side interference suppression circuit (650) is arranged between the DC/DC converter (600) and the intermediate output circuit (700), which has two Number of output capacitors (703, 704) of the intermediate output circuit (700) has suppression capacitors (651, 652) connected in parallel, the node (653) connecting the two suppression capacitors (651, 652) being connected to ground potential.
15. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (610) dazu eingerichtet ist, die Halbleiter schaltelemente (601, 602, 603, 604) derart anzusteuern, dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement (601) der ersten Halbbrücke (H1) und das lastseitige Halb leiterschaltelement (604) der zweiten Halbbrücke (H2) überlappende Einschaltzeiten haben und/oder dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement (603) der zweiten Halbbrücke (H2) und das lastseitige Halbleiterschaltelement (602) der ersten Halb brücke (H1) überlappende Einschaltzeiten haben, wobei das Verhältnis der Ein schaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente (601, 603) zu den Ein schaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente (602, 604) vorzugsweise einen vorbestimmten Quotienten aufweist. 16. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (610) dazu eingerichtet ist, einen der ein gangsseitigen Halbleiterschaltelemente (601, 603) der beiden Halbbrücken (H1, H2) früher auszuschalten als das andere eingangsseitige Halbleiterschaltelement (601, 603) der beiden Halbbrücken (H1, H2), so dass eine Verkopplung eines eingangssei tigen Primär-Stromkreises (K1) und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises (K2) über die Drossel (605) bereitgestellt ist. 15. DC / DC converter device (1) according to any one of claims 9 to 14, characterized in that the control unit (610) is set up to control the semiconductor switching elements (601, 602, 603, 604) such that the input-side semiconductor switching element (601) of the first half-bridge (H1) and the load-side semiconductor switching element (604) of the second half-bridge (H2) have overlapping switch-on times and/or that the input-side semiconductor switching element (603) of the second half-bridge (H2) and the load-side semiconductor switching element (602) of first half bridge (H1) have overlapping turn-on times, the ratio of the turn-on times of the input-side semiconductor switching elements (601, 603) to the turn-on times of the load-side semiconductor switching elements (602, 604) preferably having a predetermined quotient. 16. DC/DC converter device (1) according to one of claims 9 to 15, characterized in that the control unit (610) is set up to switch one of the output-side semiconductor switching elements (601, 603) of the two half-bridges (H1, H2) earlier turn off than the other input-side semiconductor switching element (601, 603) of the two half-bridges (H1, H2), so that a coupling of an input-side primary circuit (K1) and a load-side secondary circuit (K2) via the inductor (605) is provided .
17. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente (601, 602, 603, 604) MOSFETs sind und die Steuereinheit (610) dazu eingerichtet ist, die Gates der MOSFETs (601, 602, 603, 604) der Halbbrücken (H1, H2) mit derart phasenverschobenen Ansteuer signalen (G1, G2, G3, G4) anzusteuern, so dass eine Verkopplung eines eingangs seitigen Primär-Stromkreises (K1) und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises (K2) über die Drossel (605) bereitgestellt ist. 17. DC/DC converter device (1) according to any one of claims 9 to 16, characterized in that the semiconductor switching elements (601, 602, 603, 604) are MOSFETs and the control unit (610) is set up to switch the gates of the MOSFETs ( 601, 602, 603, 604) of the half-bridges (H1, H2) with such phase-shifted control signals (G1, G2, G3, G4), so that a coupling of an input-side primary circuit (K1) and a load-side secondary circuit (K2) is provided via the throttle (605).
18. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (610) einen Laststrom-Regler (611), einen Symmetrierstrom-Regler (612) und einen Differenzspannungs-Regler (613) aufweist, wobei der Laststrom -Regler (611) dazu eingerichtet ist, das Verhältnis der Ein schaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente (601, 603) zu den Ein schaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente (602, 604) einzustellen, wobei der Symmetrierstrom-Regler (612) dazu eingerichtet ist, ein Einstellsignal (SY) zur Symmetrierung des Potentials an dem negativen Ausgangspotentialab griff (701) und des Potentials an dem positiven Ausgangspotentialabgriff (702) ge genüber Erd potential zu stellen, und wobei der Differenzspannungs-Regler (613) dazu eingerichtet ist, einen SollWert (SWS) für das Einstellsignal (SY) in Abhängigkeit zumindest einer gemessenen Spannung (U2, U3) in dem lastseitigen Sekundär-Stromkreis (K2) bereitzustellen. 18. DC/DC converter device (1) according to one of Claims 9 to 17, characterized in that the control unit (610) has a load current controller (611), a balancing current controller (612) and a differential voltage controller (613). has, wherein the load current controller (611) is set up to set the ratio of the switch-on times of the input-side semiconductor switching elements (601, 603) to the switch-on times of the load-side semiconductor switching elements (602, 604), the balancing current controller (612) being used for this purpose is set up to set a setting signal (SY) for balancing the potential at the negative output potential tap (701) and the potential at the positive output potential tap (702) with respect to ground potential, and the differential voltage regulator (613) is set up to do this, provide a target value (SWS) for the setting signal (SY) depending on at least one measured voltage (U2, U3) in the load-side secondary circuit (K2).
19. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzspannungs-Regler (613) langsamer als der Symmetrierstrom-Regler (612) ist. 20. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode einer ersten Diode (801) mit dem negativen Aus gangspotentialabgriff (701) gekoppelt ist und die Kathode der ersten Diode (801) mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt (503) gekoppelt ist und die Anode einer zweiten Diode (802) mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt (503) gekoppelt ist und die Kathode der zweiten Diode (802) mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff (702) gekoppelt ist. 19. DC/DC converter device (1) according to claim 18, characterized in that the differential voltage controller (613) is slower than the balancing current controller (612). 20. DC/DC converter device (1) according to one of claims 12 to 19, characterized in that the anode of a first diode (801) is coupled to the negative output potential tap (701) and the cathode of the first diode (801). is coupled to the input intermediate circuit center point (503) and the anode of a second diode (802) is coupled to the input intermediate circuit center point (503) and the cathode of the second diode (802) is coupled to the positive output potential tap (702).
21. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der ersten Diode (801) mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff (701) ver bunden ist und die Kathode der ersten Diode (801) mit dem Eingangs- Zwischenkreismittelpunkt (503) verbunden ist und die Anode der zweiten Diode (802) mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt (503) verbunden ist und die Kathode der zweiten Diode (802) mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff (702) verbunden ist. 21. DC/DC converter device (1) according to claim 20, characterized in that the anode of the first diode (801) is connected to the negative output potential tap (701) and the cathode of the first diode (801) is connected to the input intermediate circuit center point (503) and the anode of the second diode (802) is connected to the input intermediate circuit center point (503) and the cathode of the second diode (802) is connected to the positive output potential tap (702).
22. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein22. DC / DC converter device (1) according to claim 20, characterized in that a
Überspannungsschutzelement (803) zwischen dem Eingangs-Overvoltage protection element (803) between the input
Zwischenkreismittelpunkt (503) und einem Knoten (804) gekoppelt ist, an welchem die Kathode der ersten Diode (801) verbunden ist und an welchem die Anode der zweiten Diode (802) verbunden ist. Intermediate circuit center (503) and a node (804) is coupled to which the cathode of the first diode (801) is connected and to which the anode of the second diode (802) is connected.
23. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt (503) und dem negativen Aus gangspotentialabgriff (701) eine Reihenschaltung aus einem ersten Überspannungs schutzelement und der ersten Diode (801) angeordnet ist und zwischen dem Ein- gangs-Zwischenkreismittelpunkt (503) und dem positiven Ausgangspotentialabgriff (702) eine Reihenschaltung aus einem zweiten Überspannungsschutzelement und der zweiten Diode (802) angeordnet ist. 23. DC/DC converter device (1) according to claim 20, characterized in that a series connection of a first overvoltage protection element and the first diode (801) is arranged between the input intermediate circuit center point (503) and the negative output potential tap (701). and a series connection made up of a second overvoltage protection element and the second diode (802) is arranged between the input intermediate circuit center point (503) and the positive output potential tap (702).
24. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine EMV-Filtereinrichtung (200) und eine der EMV- Filtereinrichtung (200) nachgeschaltete LCL-Filtereinrichtung (300) zwischen drei ein gangsseitigen Anschlussklemmen (101, 102, 103) für die drei Phasen (L1, L2, L3) des mehrphasigen Netzes (4) und dem AC/DC-Wandler (400) gekoppelt sind. 25. DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig angeordneter AC/DC-Wandler (400) als ein 3- Punkt-AC/DC-Wandler ausgebildet ist. 24. DC/DC converter device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an EMC filter device (200) and an LCL filter device (300) connected downstream of the EMC filter device (200) between three input-side connection terminals (101 , 102, 103) for the three phases (L1, L2, L3) of the multi-phase network (4) and the AC/DC converter (400). 25. DC/DC converter device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the AC/DC converter (400) arranged on the input side is designed as a 3-point AC/DC converter.
26 DC/DC-Wandlervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu jedem Halbleiterschaltelement (601, 602, 603, 604) ein Umschwingkondensator (606, 607, 608, 609) zur Realisierung eines ZVS- Umschaltverhaltens geschaltet ist. 26 DC / DC converter device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that connected in parallel with each semiconductor switching element (601, 602, 603, 604) a resonant capacitor (606, 607, 608, 609) to implement a ZVS switching behavior is.
27. Verfahren zum Betreiben einer DC/DC-Wandlervorrichtung (1) für den Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebssystems oder eines industriellen DC- Versorgungsnetzes (3) mit elektrischer Energie, bevorzugt nach einem der vorherge henden Ansprüche, wobei die DC/DC-Wandlervorrichtung (1) einen Eingangszwi- schenkreis (500), welcher eine Anzahl von zwischen einem positiven Eingangsleiter (401) und einem negativen Eingangsleiter (402) geschaltete Zwischenkreiskondensa toren (501, 502) aufweist, und einen dem Eingangszwischenkreis (500) nachgeschal teten DC/DC-Wandler (600) umfasst, welcher eine mit dem positiven Eingangsleiter27. A method for operating a DC/DC converter device (1) for operating a wind turbine, an electrical drive system or an industrial DC supply network (3) with electrical energy, preferably according to one of the preceding claims, wherein the DC/DC Converter device (1) has an input intermediate circuit (500) which has a number of intermediate circuit capacitors (501, 502) connected between a positive input conductor (401) and a negative input conductor (402), and a DC connected downstream of the input intermediate circuit (500). / DC converter (600), which one with the positive input conductor
(401) verbundene erste Halbbrücke (H1) und eine mit dem negativem Eingangsleiter(401) connected first half bridge (H1) and one to the negative input conductor
(402) verbundene zweite Halbbrücke (H2) aufweist, mit: (402) connected second half-bridge (H2), with:
Betreiben einer den Mittelabgriff (M1) der ersten Halbbrücke (H1) und den Mit telabgriff (M2) der zweiten Halbbrücke (H2) verbindenden Drossel (605) des DC/DC-Wandlers (600) als fliegende Induktivität. Operating a choke (605) of the DC/DC converter (600) connecting the center tap (M1) of the first half-bridge (H1) and the center tap (M2) of the second half-bridge (H2) as a flying inductor.
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US10700589B2 (en) * 2016-04-29 2020-06-30 Massachusetts Institute Of Technology Wide-operating-range resonant-transition soft-switched converter
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