WO2024056744A1 - Elektrischer gleichspannungswandler zum wandeln einer eingangs-gleichspannung in eine ausgangs-gleichspannung - Google Patents

Elektrischer gleichspannungswandler zum wandeln einer eingangs-gleichspannung in eine ausgangs-gleichspannung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an electrical DC-DC converter for converting an input DC voltage into an output DC voltage, as well as a method for operating the DC-DC converter.
  • the invention further relates to an arrangement for feeding an electrical voltage into the grid, consisting of a voltage generator for generating the voltage to be fed in, a DC-DC converter according to the invention and a grid inverter.
  • Allow voltage converters such as DC-DC converters (“DC-DC converters”), inverters (“DC-AC converters”), rectifiers (“AC-DC converters”), transformers or converters (“AC-AC converters”) the conversion of an input voltage applied to the input of the voltage converter into an output voltage output at the output of the voltage converter.
  • DC-DC converters DC-DC converters
  • DC-AC converters inverters
  • AC-DC converters rectifiers
  • AC-AC converters transformers or converters
  • Both the input voltage and the output voltage can be a direct voltage or an alternating voltage.
  • the output voltage can have a higher, lower, inverted or even the same voltage level compared to the input voltage, and the frequency of an input voltage can also be converted during the voltage conversion. Due to the diverse areas of application of voltage converters, e.g.
  • a voltage converter in PC power supplies, household appliances, electric motors or in on-board power systems of hybrid or electric vehicles, voltage converters are still the subject of current research questions in the field of power electronics.
  • a voltage converter can include several sub-voltage converters.
  • An example of this is a DC-DC converter constructed from a series circuit consisting of an inverter and a rectifier.
  • Voltage converters are also used in fuel cell technology and photovoltaics, in particular to process voltages generated by fuel cells or photovoltaic systems for feeding into the grid.
  • voltage converters used to feed into the grid can often only process certain, specified voltage levels, such as 700V in particular.
  • voltages generated by fuel cells or photovoltaic systems if they do not correspond to a predetermined voltage level, must first be converted to this voltage level by a first voltage converter before they can be further processed by a downstream grid inverter as a second voltage converter.
  • rectifier diodes which are among the components typically installed in voltage converters.
  • reverse voltage limits of 1200V are common for SiC rectifier diodes (silicon carbide rectifier diodes), which must not be exceeded due to the risk of damage.
  • the fuel cell Before the voltage converter connected to the fuel cell is started, the fuel cell is idle. According to the polarization curves common in fuel cells, the fuel cell outputs its highest possible voltage when idling, its idle voltage.
  • the no-load voltage can be more than twice the voltage expected in normal operation.
  • the input DC voltage present at the input of the voltage converter can be twice as high, specifically 200V and above, which affects all internal voltages of the voltage converter, but of course also the Output DC voltage can break down.
  • the output DC voltage which in many embodiments also drops across the installed rectifier diodes, can therefore be 1400V and above, which exceeds the stated reverse voltage limit of 1200V and can result in damage to the SiC rectifier diodes.
  • Multi-phase voltage converters are increasingly being used in fuel cell technology and photovoltaics.
  • Multi-phase voltage converters include several parallel phases to which the power to be transferred in the course of the voltage conversion or the power to be transmitted in the course of the voltage conversion The electricity to be transmitted is divided. “Phases” are to be understood in their usual sense in electrical engineering, as live electrical conductors.
  • phase current flowing in each phase is reduced compared to the total current flowing in all phases.
  • the (ohmic) power loss occurring in a phase is proportional to the square of the phase current flowing in the phase.
  • the power loss occurring in a voltage converter can be reduced and the achievable efficiency of the voltage converter can be increased.
  • the reduction of individual phase currents reduces the current load on components installed in the phases, high voltage loads can also occur in multi-phase voltage converters, which is why the stated reverse voltage limits of rectifier diodes can also represent a critical system limit in multi-phase voltage converters.
  • Voltage converters are well known in the prior art, for example in the form of DC-DC converters, inverters, transformers, but also as multi-phase voltage converters.
  • An example of this is EP 1 589648 A2, which discloses a multi-phase voltage converter for reducing the harmonic distortion of the generated output variables.
  • CN 101873067 A teaches a multi-phase voltage converter with a high frequency transformer to enable the use of high frequency internal currents and voltages in voltage conversion.
  • KR 10-2009-0011604 A discloses the use of a bidirectional multi-phase voltage converter for a hydrogen vehicle, which, among other things, focuses on reducing the size of output filters.
  • KR 10-2010-0006785 also describes the use of a multi-phase voltage converter for feeding the grid into a fuel cell or photovoltaic system, with the aim of achieving the greatest possible voltage gain.
  • the independent claims provide an electrical DC-DC converter for converting an electrical input DC voltage into an electrical output DC voltage, which has a voltage converter with three voltage divider units and a plurality of rectifiers, i.e. with at least two rectifiers.
  • the voltage divider units are designed to convert an input voltage generated from the input direct voltage into at least two divider alternating voltages and thus divide it, advantageously into equal parts, and the rectifiers allow at least one divider alternating voltage to be converted into a rectifier output voltage to walk.
  • the outputs of the at least two rectifiers are connected in series in order to sum at least two rectifier output voltages to the said output direct voltage.
  • an input voltage generated from the input DC voltage is divided into a plurality of divider AC voltages, which are preferably small compared to the output DC voltage generated, the divider AC voltages are converted into rectifier output voltages and the generated rectifier output voltages are converted into the output -DC voltage summed.
  • the rectifiers used to process the divider AC voltages must therefore process lower voltages compared to voltage converters in which no voltage division takes place. In this way, the voltage load on the rectifiers is reduced, which as a direct consequence reduces the load and wear on the components installed in the rectifiers.
  • the voltage divider units can be in the form of an electrical transformer be designed with a primary side and a secondary side, wherein the input voltage can be applied to the primary side of the transformer in the form of an electrical alternating voltage and the transformer converts the input voltage into at least two divider alternating voltages output on the secondary side of the transformer.
  • the primary side of such a transformer advantageously has at least one primary winding to which at least part of the electrical input voltage can be applied.
  • other implementations of a voltage divider unit are also conceivable, such as serial, ohmic voltage dividers.
  • the secondary side of a voltage divider unit designed as a transformer has a plurality of secondary windings, the secondary windings being designed to each output at least one divider alternating voltage.
  • the primary and secondary windings can be wound around a common iron core, which makes it possible to use a wide variety of transformers to implement the voltage divider unit according to the invention.
  • the DC-DC converter according to the invention can therefore be flexibly adapted to different applications.
  • the invention makes it possible to use the inverter provided in the DC-DC converter to convert a predetermined input DC voltage into an input voltage for the voltage converter according to the invention in the form of an AC voltage.
  • the input voltage generated by the inverter can subsequently be converted into at least two divider alternating voltages by means of the at least one voltage divider unit of the voltage converter according to the invention, which, as described, are converted by at least two rectifiers into partial output voltages, which ultimately become the output voltage output by the direct voltage converter.
  • DC voltage can be added.
  • the components used in the DC-DC converter described are designed as three-phase components.
  • the inverter is designed as a three-phase inverter, which converts the input direct voltage into three input voltages in the form of an alternating voltage.
  • the voltage converter in this case is equipped with three voltage divider units, each of which converts one of the input voltages generated by the three-phase inverter into at least two divider alternating voltages.
  • a voltage converter according to the invention designed as a three-phase voltage converter thereby combines the advantages of division of a high output voltage according to the invention into several, smaller, internal voltages with the advantages of multi-phase voltage converters discussed at the beginning (division of the currents to be transmitted over several phases, lower current load on the components installed in the respective phases, ).
  • the design of the components mentioned (inverter, voltage divider unit, rectifier) as three-phase components also offers the possibility of connecting the voltage divider units within the voltage converter according to the invention on the primary side and on the secondary side in a star connection or in a delta connection.
  • the option of selecting a suitable primary-side or a suitable secondary-side connection, depending on the application, represents a further design parameter that additionally increases the already mentioned flexibility of the voltage converter according to the invention.
  • the DC-DC converter according to the invention can be used in a variety of applications. What should be emphasized here is the use as part of an arrangement consisting of a voltage generator, a grid inverter and a DC-DC converter described for feeding an input DC voltage into an energy transmission network.
  • the grid inverter is advantageously connected to the energy transmission network and ensures the feed into the energy transmission network.
  • the DC-DC converter ensures the processing of the input DC voltage to be fed in as described above.
  • the voltage generator mentioned can be a fuel cell or a PV system.
  • the voltage converter according to the invention can be used to solve the problem mentioned at the beginning of converting a voltage generated by a fuel cell or photovoltaic system to a voltage level suitable for a grid inverter.
  • FIGS. 1 to 6 show advantageous embodiments of the invention by way of example, schematically and non-restrictively. Show it
  • Fig.1 a voltage converter
  • Fig.2a, Fig.2b, Fig.2c possible embodiments of a voltage divider unit
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of a DC-DC converter according to the invention, comprising an inverter and an Voltage converter according to the invention with three voltage divider units and two rectifiers,
  • Fig. 6 shows an arrangement consisting of a voltage generator, a DC-DC converter according to the invention and a grid inverter for feeding into the grid.
  • Fig.1 shows schematically a voltage converter 100 for converting an electrical input voltage u e into an electrical output direct voltage UDC, as used in a direct voltage converter 200 according to the invention.
  • the voltage converter 100 shown in FIG. 1 has a voltage divider unit T, which converts the input voltage u e into at least two, preferably larger, divider alternating voltages uzi, uz2 compared to the input voltage u e .
  • the divider alternating voltages uzi, uz2 are converted by two rectifiers Gi, G2 into two rectifier output voltages UGI, UG2.
  • the rectifier output voltages UGI, UG2 are summed to produce the desired output direct voltage UDC.
  • the outputs of the rectifiers G1, G2 are interconnected.
  • that output of the first rectifier G1, which has the lower potential of the outputs of the first rectifier G1 (specifically the rectifier negative pole G1-) is connected to that output of the second rectifier G2, which has the lower potential of the outputs of the second rectifier G2 has the higher potential (specifically the rectifier positive pole G2+).
  • the outputs of the rectifiers G1, G2 are therefore connected in series with one another.
  • the remaining outputs of the rectifiers G1, G2 in the present exemplary embodiment form the output of the voltage converter 100 shown in FIG. 1, so that ultimately the output direct voltage UDC generated by the voltage converter 100 is between the outputs G1+ and G2- falls off.
  • the output of the voltage converter 100 does not necessarily have to be formed by the outputs of one or more rectifiers G1, G2.
  • additional electrical elements such as smoothing capacitors or damping elements, for example in the form of chokes or filters.
  • the topology shown in Fig. 1 makes it possible to divide high input voltages u e into several, especially smaller, internal partial voltages.
  • the topology shown in Fig. 1 also allows high output direct voltages UDC to be generated by summing smaller partial voltages, in the present example by summing the rectifier output voltages UGI, UG2. In this way, the voltage load on the individual rectifiers G1, G2 is reduced, which is a direct result As a consequence, the load and wear on the components installed in the rectifiers Gi, G2 is also reduced.
  • FIG. 1 is only to be understood as an example.
  • a plurality of voltage divider units T can also be provided in a voltage converter 100, each of which converts the input voltage u e into more than two divider alternating voltages uzi, uz2.
  • the number of rectifiers G1, G2 is in no way limited to two rectifiers.
  • the rectifiers G1, G2 can also have a different or the same number of inputs in order to accommodate more than just one AC divider voltage.
  • any number of voltage divider units T can be combined with any number of rectifiers G1, G2.
  • three voltage divider units T each of which generates two divider alternating voltages uzi, uz2, and two rectifiers G1, G2, which convert these divider alternating voltages uzi, uz2 into corresponding rectifier output voltages UGI, UG2, be provided.
  • the voltage divider unit T shown in FIG. 1 has a first divider input pole TA and a second divider input pole TB for applying the input voltage u e .
  • the voltage divider unit T shown in FIG second divider alternating voltage uz2 falling between a third divider output pole TE and a fourth divider output pole TF is divided.
  • the first rectifier G1 has a first rectifier input pole GIA which is electrically conductively connected to the first divider output pole Tc and a second rectifier input pole which is electrically conductively connected to the second divider output pole TD Give up.
  • the second rectifier G2 has a first rectifier input pole G2A that is electrically conductively connected to the third divider output pole TE and a second rectifier input pole G2B that is electrically conductively connected to the fourth divider output pole TF.
  • the first rectifier Gi converts the first divider alternating voltage uzi into a first rectifier voltage UGI which drops between its rectifier positive pole Gi+ and its rectifier negative pole Gi-.
  • the second rectifier G2 converts the second divider alternating voltage uz2 into a second rectifier voltage UG2 which drops between its rectifier positive pole G2+ and its rectifier negative pole G2-.
  • the rectifier negative pole Gi- of the first rectifier Gi is electrically conductive connected to the rectifier positive pole G2+ of the second rectifier G2. If, as mentioned, a higher number of rectifiers is used, the type of connection described can be transferred analogously to the higher number of rectifiers.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c Several possible embodiments of the voltage divider unit T used in the voltage divider 100 are shown in FIGS. 2a, 2b and 2c.
  • Figures 2a, 2b, 2c show an embodiment of the voltage divider unit T in the form of an electrical transformer with a primary side I and a secondary side II.
  • the input voltage u e is to be applied to the primary side I of the transformer in the form of an electrical alternating voltage, so that the transformer can convert the input voltage u e into at least two divider alternating voltages uzi, uz2 that can be output on the secondary side II.
  • a voltage divider unit T can also be designed to convert an input voltage u e into more than two divider alternating voltages uzi, uz2 to convert.
  • the number of rectifiers Gi, G2 and/or the number of rectifier input poles is preferably adapted to the number of divider alternating voltages uzi, uz2 generated.
  • three voltage divider units T can be provided, which are designed to each provide two divider alternating voltages uzi, uz2, and two rectifiers can be provided, which convert these total of six divider alternating voltages uzi, uz2 into rectifier output voltage UGI, Convert UG2.
  • the embodiment of the voltage divider unit T shown in FIG. 2a has only one primary winding Li on the primary side I, to which at least part of the electrical input voltage u e is to be applied. In an advantageous manner, the entire input voltage u e can also be applied to the primary winding Li.
  • the connections of the primary winding Li are electrically connected to the divider input poles TA and TB for this purpose.
  • the secondary side II has two secondary windings L21, L22. The connections of the first secondary winding L21 are electrically connected to the divider output poles Tc, TD, while the connections of the second secondary winding L22 are connected to the divider output poles TE, TF.
  • At least one primary winding Li and at least one secondary winding L2 of the transformer are wound around a common iron core FE in order to magnetically couple them as is usual in transformers.
  • several iron cores FE1, FE2 can also be provided for the magnetic coupling of primary and secondary windings.
  • FIGS. 2b and 2c How a voltage divider unit T can be designed in the form of a transformer in addition to the variant shown in FIG. 2a can be seen in FIGS. 2b and 2c as an example.
  • Two series-connected primary windings Lu, L12 are provided on the primary side I.
  • Fig.2c has two separate iron cores FEI, FE2, so that in Fig.2c two separate, magnetically decoupled winding pairs are created.
  • Transformer-based versions of the voltage divider unit T make it possible to divide an applied input voltage u e almost arbitrarily by appropriately selecting the number of turns of the given windings.
  • the number of turns can be selected such that voltages uzi, uz2 of the same level are formed on the secondary windings L21, L22.
  • Different numbers of turns can also be provided, so that voltages uzi, uz2 of different heights drop across the secondary windings L21, L22.
  • different numbers of turns can also be provided and voltages of the same level can still be realized on the secondary windings L21, L22. This possibility exists in particular in variants according to or similar to Fig.
  • the secondary windings L21, L22 can be arranged in an advantageous manner as secondary windings L21, L22 that are galvanically isolated from one another.
  • a serial voltage divider well known from electrical engineering.
  • Such a voltage divider can be constructed from series impedance elements, which can be formed from ohmic resistances or from reactances or from combinations of ohmic resistances and reactances.
  • a voltage divider unit T results as a series connection of ohmic impedance elements and/or ohmic-inductive impedance elements and/or ohmic-capacitive impedance elements.
  • two or more impedance elements can be connected in series.
  • At least part of the input voltage u e can be applied to this series connection, like to a primary winding of a transformer.
  • the alternating divider voltage uzi, uz2 to be subsequently processed by the rectifiers then drop across the respective impedance elements.
  • other circuit topologies are also conceivable for implementing the division according to the invention of an existing input voltage u e in a voltage divider unit T.
  • Fig.3a, Fig.3b, Fig.3c, Fig.3d show possible embodiments of rectifiers Gi, G2 that can be used in the voltage converter. Since rectifiers are well known in the field of power electronics, how they work will not be discussed in detail here. However, it should be noted that different rectifier topologies can be used to implement the present invention, such as half-wave rectifiers (Fig. 3a), bridge rectifiers (Fig. 3b, Fig. 3c, Fig. 3d), or midpoint rectifiers or controllable rectifiers.
  • the bridge rectifiers shown in Fig.3b, Fig.3c, Fig.3d differ in the number of input poles, with Fig.3c showing the important case of a three-phase rectifier, while Fig.3d generally shows a rectifier with x input poles for recording of x-1 divider alternating voltages.
  • the three-phase rectifier Gi, 2 shown in Fig. 3c is particularly important for the following explanations.
  • a three-phase rectifier also called a three-phase rectifier or B6 bridge, is known to convert three-phase alternating current into direct current.
  • Typical three-phase rectifiers accept three phase-shifted alternating voltages as input voltages, for which the input poles GIA, GIB, GIC are provided in the embodiment shown in Fig. 3c. It should be noted that the input poles GIA, GIB, GIC themselves only carry one electrical potential, and that the voltages uzi, uz2, uzs converted by the rectifier Gi in this case are known to result from the differences between these potentials.
  • three-phase rectifiers can be used advantageously in different ways, which will be discussed separately later.
  • a smoothing capacitor C a and a smoothing choke L m are also provided for smoothing the generated output voltage UGI.
  • the smoothing capacitor C a and the smoothing choke L m are not a mandatory requirement for the functioning of the respective rectifiers.
  • a voltage converter 100 corresponding to the previous embodiments can be connected to an inverter WR in order to form a DC-DC converter 200 according to the invention for converting an input DC voltage Ue.Dc into an output DC voltage UDC ZU.
  • a DC-DC converter 200 formed in this way can be used in particular to convert an input DC voltage U e , Dc generated by a fuel cell or by another voltage generator SE to a predetermined voltage level.
  • the important task mentioned at the beginning of voltage adjustment when feeding fuel cells into the grid can therefore be solved with the DC-DC converter 200 shown.
  • in an inverter WR switch Si S2
  • semiconductor switches such as bipolar transistors, IGBTs (“insulated gate bipolar transistors”) or field effect transistors (MOSFETs, JFETs, IGFETs) are provided, which are continuously opened and closed.
  • known methods such as pulse width modulation PWM or pulse frequency modulation PFM or another modulation method can be used to switch a direct voltage applied to the inverter WR through to the output of the inverter WR in sections.
  • pulse width modulation PWM or pulse frequency modulation PFM or another modulation method can be used to switch a direct voltage applied to the inverter WR through to the output of the inverter WR in sections.
  • U e , Dc between the inverter input poles WA and WB, which is alternately switched through to the output poles Wc and WD or not by alternately opening and closing the switches S1 and S2.
  • inverters there are various forms of implementation of inverters, such as multi-phase inverters or multi-level inverters or string inverters or module inverters or central inverters or other inverters.
  • an inverter WR the specific design of which is not essential, can advantageously be combined with a voltage converter 100 and thus to build a DC-DC converter 200 for converting an input DC voltage U e , Dc in an output direct voltage UDC can be used. This procedure is examined in detail below.
  • the DC-DC converter 200 shown in FIG. All of the previously illustrated embodiments can also be used for the voltage converter 100.
  • an input DC voltage U e , oc applied to the input of the inverter WR is first converted into at least one input voltage u e in the form of an AC voltage using the inverter WR.
  • This at least one input voltage u e is subsequently converted by the voltage converter 100 to the output direct voltage UDC.
  • the inverter WR of the DC-DC converter 200 shown in FIG. 5 is designed in the form of a three-phase inverter.
  • the inverter WR has the inverter input poles WA and WB, as well as the inverter output poles Wc, WD and Ws.
  • the input direct voltage U e , Dc is present at the inverter input poles WA, WB.
  • the inverter input poles WA and WB thus represent the input of the DC-DC converter 200.
  • the input voltages U e i, U e 2, U e 3 generated by the inverter WR drop between the inverter output poles Wc, WD and WE.
  • the input direct voltage U e , Dc is converted into three input voltages U e i, U e 2, U e 3 in the form of an alternating voltage, which in the case shown in FIG. 5 is provided by three voltage divider units Ti, T2, T3 can be recorded.
  • the voltage divider units Ti, T2, T3 can also be implemented in all of the configurations described with reference to FIGS. 2a-c.
  • the voltage divider units Ti, T2, T3 are, in particular, voltage divider units Ti, T2, T3 that are separate from one another, that is to say spatially separated from one another and/or electromagnetically decoupled.
  • each of the voltage divider units Ti, T2, T3 has a first divider input pole TIA, T2A, T3A, a second divider input pole TIB, T2B, T3B, a first divider output pole Tic, T2C, T 3 c, a second divider output pole T, T2D, T3D, a third divider output pole TIE, T2E, TSE and a fourth divider output pole TIF, T2F, TSF, the first divider input poles TIA, T2A, TSA respectively connected to one of the inverter output poles Wc, WD and WE.
  • Each of the voltage divider units Ti, T2, T3 converts one of the input voltages u ei , u e 2, u e 3 into two divider alternating voltage uzi, uz2, which ultimately leads to six divider alternating voltage uzi, uz2, uz3, uz4, uz5, uze.
  • the first divider output pole Tic of the first voltage divider unit Ti is electrically conductively connected to the second divider output pole T3D of the third voltage divider unit T3, the second divider output pole T of the first voltage divider unit Ti electrically conductively connected to the first divider output pole Tzc of the second voltage divider unit T2, the third divider output pole TIE of the first voltage divider unit Ti electrically conductively connected to the fourth divider output pole TSE of the second voltage divider unit T2, the fourth divider output pole TIF of the first voltage divider unit Ti electrically conductively connected to the third divider output pole T2E of the second voltage divider unit T2, the second divider output pole T2D of the second voltage divider unit T2 electrically conductively connected to the first divider output pole T3c of the third voltage divider unit T3, and the fourth divider output pole T2F of second voltage divider unit T2 is electrically connected to the third divider
  • the voltage divider units Ti, T2, T3 can also be connected on the primary side in a star connection or in a delta connection; in the embodiment shown in FIG. 5, a star connection is used here.
  • the implementation of a primary-side star connection of the voltage divider units Ti, T2, T3 can be ensured by electrically connecting the second divider input poles TB of the voltage divider units Ti, T2, T3 to one another.
  • the current load on the voltage divider units Ti, T2, T3 is lowest when a star/delta connection is selected, i.e. the primary sides of the voltage divider units Ti, T2, T3 are connected in a star connection and the secondary sides of the voltage divider units Ti, T2, T3 are connected in a delta connection. Due to the lower current load, the size of the voltage divider units Ti, T2, T3 can be reduced in this case, which makes it possible to reduce installation space and costs in many applications.
  • connection variants of the voltage divider units Ti, T2, T3 are also conceivable, and that the voltage divider units Ti, T2, Ts do not necessarily have to be connected to one another.
  • a voltage divider unit Ti, T2, Ts can also be assigned directly to a rectifier G1, G2.
  • the divider alternating voltages uzi, uz2, uz3, uz4, uzs, uze are subsequently converted in accordance with the above statements by two rectifiers G1, G2 to rectifier output voltages UGI, UG2, which are summed to form the output direct voltage UDC in accordance with the above statements .
  • the rectifiers G1, G2 shown in FIG. 5 are each designed in the form of a three-phase rectifier. In order to supply the divider alternating voltages uzi, uz2, uzs, uz4, uzs, uze to the rectifiers G1, G2 shown in FIG.
  • rectifier input poles GIA, GIB, Gic or G2A, G2B, G2C for each rectifier G1, G2 intended.
  • the rectifier input poles GIA, GIB, GIG of the first rectifier G1 are in the embodiment shown in FIG.
  • G2C of the second rectifier G2 are connected in sequence to the third divider output pole of the voltage divider units Ti, T2, T3.
  • a clamping circuit Mi, M2 is also advantageously provided in the rectifiers G1, Gz.
  • all of the rectifiers shown in Figures 3a-3c can also be used to implement a DC-DC converter 200, so that the clamping circuits Mi, M2 do not represent a mandatory part of the rectifiers used and thus of the DC-DC converter 200 as a whole.
  • the clamping circuits Mi, M2 can in particular be used to reduce the tendency to oscillate in resonance circuits forming in the DC-DC converter 200 (the rectifier output voltages UGI, UG2 generated by the rectifiers G1, G2 are “clamped”).
  • the clamping circuits Mi, M2 are constructed in the embodiment variant shown by a series connection of a clamping diode DM and a clamping capacitor CM, which is connected in parallel to the branches of the respective rectifiers G1, G2, and a parallel connection of an output choke l_M and a clamping resistor RM.
  • the output DC voltage UDC ultimately generated by the DC-DC converter 200 is smoothed by the output choke LM and thus its residual ripple is dampened.
  • the clamping diode DM and the clamping capacitor CM are provided. As soon as an oscillation begins to form between the output choke LM and one of the above-mentioned parasitic capacitances, the clamping capacitor CM is charged at a positive voltage (wave crest) that drops across the clamping diode DM.
  • the clamping capacitor CM is in turn discharged via the clamping resistor R m , which prevents the formation of oscillations between the output choke LM and parasitic capacitances.
  • the components of the clamping circuits Mi, M2 can be coordinated with the remaining components installed in the DC-DC converter 200 in order to achieve the best possible clamping of the rectifier output voltages UGI, UG2 to a predetermined target rectifier output voltage, as well as the best possible suppression of oscillations in the rectifier output voltages UGI, UG2.
  • a significant reduction in oscillations in the rectifier output voltages UGI, UG2 can be achieved, and on the other hand, a particularly low current load can be achieved compared to other versions.
  • connection of the rectifiers G1, G2 shown in FIG. 5 corresponds to a series connection, so that the generated rectifier output voltages UGI, UG2 are summed up to form a total output direct voltage UDC and the voltage division according to the invention is made possible.
  • the rectifier output voltage UGI, UG2 generated by the respective rectifiers G1, G2 are the same, which results in a doubling of the voltage at the output of the voltage converter 100 and thus at the output of the DC-DC converter 200.
  • FIG. 5 corresponds to a multi-phase voltage converter and therefore represents a particularly advantageous embodiment of the present invention.
  • the advantages of the invention's division of a high output voltage into several, smaller, internal voltages are achieved.
  • the above-mentioned advantages of multi-phase voltage converters are combined.
  • this configuration enables particularly gentle operation of the components or components used (in particular the diodes Du, D12, D13, D14, D15, Die) compared to other approaches. The components or parts used are thereby protected from overvoltages and thus from physical damage or destruction.
  • a control unit (not shown) can be provided in the DC-DC converter 200, which implements the modulation methods already mentioned such as PWM, PFM, etc.
  • Such a control unit can determine ignition pulses or control signals in a manner well known in the field of power electronics and supply these to the switches Si, S2, S3, S4, S5, Se for their control.
  • a control unit can also be designed separately from a DC-DC converter 200 and only be wired to the switches Si, S2, S3, S4, S5, Se in order to control them.
  • Possible implementations of such a control unit include microprocessor-based hardware, such as microcontrollers and integrated circuits (ASIC, FPGA).
  • phase-shifted phase currents and associated time-shifted phase voltages are established in the respective phases.
  • ripple in the resulting output voltage, but also ripple in the resulting output current can be significantly reduced.
  • output filters that are cheaper and smaller in size can be used to suppress the remaining residual ripple.
  • an essential application of the DC-DC converter 200 according to the invention is the adaptation of voltages, which are generated in particular by fuel cells or photovoltaic systems or other voltage generators, to predetermined voltage levels, so that the generated voltage can be fed into the grid using a grid inverter N - WR.
  • electrical energy storage devices designed in other ways can also be used as voltage generators (e.g. home storage batteries, intralogistics batteries, forklift batteries, etc.).
  • an inventive DC-DC converter 200 is used to fulfill this task, can be designed, is finally shown with reference to FIG.
  • Fig. 6 shows an arrangement 300 consisting of a DC-DC converter 200 according to the invention, a voltage generator SE and a network inverter N-WR.
  • the voltage generator SE can in particular be a fuel cell or photovoltaic system.
  • the voltage generator SE is designed to generate an input direct voltage U e , Dc and to supply this to the direct voltage converter 200 for conversion into an output direct voltage UDC.
  • the DC-DC converter 200 is designed to convert the input DC voltage U e , Dc into the output DC voltage UDC ZU and further supply this to the grid inverter N-WR for feeding into an energy transmission network 301.
  • the output of the grid inverter N-WR can be connected to an energy transmission network 301, such as a public or private alternating voltage network or a multi-phase network, in order to feed a network feed-in alternating voltage into it, and/or also to at least one electrical consumer 302, which represents a burden.
  • a consumer 302 is formed by a motor, refrigerator, radio, etc.
  • the consumer 302 can also represent a home supply.
  • a grid inverter N-WR preferably serves as a so-called grid-connected inverter, the energy management of which is optimized to feed as much energy as possible into the energy transmission network 301.
  • Control of the at least one semiconductor switch provided in the inverter WR can be adjusted/changed during operation.
  • control engineering e.g. sliding mode control, model predictive control, flatness-based control strategies, classic concepts such as PI control, etc.
  • a control error can be determined by means of a comparison, in particular a difference formation, of the output direct voltage UDC as the actual value and the predetermined voltage level as the setpoint, and the control of the inverter can be adjusted based on the control error in accordance with the control strategy used.
  • the duration of the control pulses specified as part of a pulse width modulation PWM can be increased if the output direct voltage UDC is too small, or the duration of the control pulses specified as part of a pulse width modulation PWM can be reduced if the output direct voltage UDC is TOO large.
  • Such a control strategy/regulator can be implemented in a particularly advantageous manner in the aforementioned control unit in the DC-DC converter 200.

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Abstract

Um bei hohen und sich sprungartig ändernden Eingangs-Gleichspannungen (Ue,DC) einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, wird ein elektrischer Gleichspannungswandler (200) mit zumindest einer Spannungsteilereinheit (T) und einer Mehrzahl von Gleichrichtern (G1, G2) angegeben, wobei die zumindest eine Spannungsteilereinheit (T) ausgestaltet ist, eine aus der Eingangs-Gleichspannung (Ue,DC) erzeugte Eingangsspannung (ue) in zumindest zwei Teiler-Wechselspannungen (uZ1, uZ2) zu wandeln, die Gleichrichter (G1, G2) ausgestaltet sind, jeweils zumindest eine Teiler-Wechselspannung (uZ1, uZ2) in eine Gleichrichter-Ausgangsspannung (UG1, UG2) zu wandeln, und die Ausgänge von zumindest zwei Gleichrichtern (G1, G2) in Reihe miteinander verschaltet sind, um deren Gleichrichter-Ausgangsspannungen (UG1, UG2) zu einer Ausgangs-Gleichspannung (UDC) zu summieren.

Description

Elektrischer Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Eingangs-Gleichspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen elektrischen Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Eingangs-Gleichspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Gleichspannungswandlers. Weiters betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Netzeinspeisung einer elektrischen Spannung, bestehend aus einem Spannungserzeuger zur Erzeugung der einzuspeisenden Spannung, einemerfindungsgemäßen Gleichspannungswandler und einem Netz-Wechselrichter.
Spannungswandler, wie Gleichspannungswandler („DC-DC-Wandler“), Wechselrichter („DC- AC-Wandler“), Gleichrichter („AC-DC-Wandler“), Transformatoren oder Umrichter („AC-AC- Wandler“), erlauben die Wandlung einer am Eingang des Spannungswandlers angelegten Eingangsspannung in eine am Ausgang des Spannungswandlers ausgegebene Ausgangsspannung. Dabei kann es sich sowohl bei der Eingangsspannung als auch bei der Ausgangsspannung um eine Gleichspannung oder um eine Wechselspannung handeln. Die Ausgangsspannung kann im Vergleich zur Eingangsspannung ein höheres, niedrigeres, invertiertes oder auch gleiches Spannungsniveau aufweisen, und auch die Frequenz einer Eingangsspannung kann im Zuge der Spannungswandlung gewandelt werden. Aufgrund der vielfältigen Einsatzgebiete von Spannungswandlern, z.B. in PC-Netzteilen, Haushaltsgeräten, Elektromotoren oder in Energiebordnetzen von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, sind Spannungswandler nach wie vor Gegenstand aktueller Forschungsfragen auf dem Gebiet der Leistungselektronik. Je nach Anwendungsfall kann ein Spannungswandler mehrere Sub-Spannungswandler umfassen. Als dahingehendes Beispiel sei ein aus einer Serienschaltung aus einem Wechselrichter und einem Gleichrichter aufgebauter Gleichspannungswandler genannt.
Auch in der Brennstoffzellentechnik und Photovoltaik werden Spannungswandler eingesetzt, insbesondere um von Brennstoffzellen oder Photovoltaikanlagen erzeugte Spannungen für die Netzeinspeisung aufzubereiten. Für derartige Anwendungsfälle gilt, dass zur Netzeinspeisung eingesetzte Spannungswandler (nachfolgend als Netz-Wechselrichter bezeichnet) oft nur bestimmte, vorgegebene Spannungshöhen verarbeiten können, wie insbesondere 700V. Demzufolge müssen von Brennstoffzellen oder Photovoltaikanlagen erzeugte Spannungen, wenn sie einer vorgegebenen Spannungshöhe nicht entsprechen, zuerst von einem ersten Spanungswandler auf diese Spannungshöhe gewandelt werden, bevor sie von einem nachgeschalteten Netz-Wechselrichter als zweitem Spannungswandler weiterverarbeitet werden können.
Bei Brennstoffzellen führen aktuelle Entwicklungen zu einer steten Zunahme der erzielbaren Wirkungsgrade, womit in vielen Fällen eine Erhöhung der von Spannungswandlern zu wandelnden Eingangsspannungen einhergeht. Dabei zeigt sich, dass hohe Eingangsspannungen hohe interne Spannungen im Inneren der eingesetzten Spannungswandler zur Folge haben können. Insbesondere in Kombination mit zum Teil nicht vermeidbaren parasitären Phänomenen, wie mit Spannungsüberhöhungen beim Zu- oder Wegschalten von Brennstoffzellen oder mit Schwingungen zwischen kapazitiven und induktiven Speicherelementen in einem Spannungswandler, können verschiedenste in Spannungswandlern verbaute Bauteile an ihre physikalischen Belastungsgrenzen gebracht werden.
Als wichtiges Beispiel sind in diesem Zusammenhang Gleichrichterdioden zu nennen, die zu den in Spannungswandlern typischerweise verbauten Bauteilen gehören. Konkret sind bei SiC-Gleichrichterdioden (Siliciumcarbid-Gleichrichterdioden) Sperrspannungsgrenzen von 1200V üblich, die aufgrund einer ansonsten drohenden Beschädigung nicht überschritten werden dürfen.
Ist nun vorgesehen, anhand eines Spannungswandlers mit SiC-Gleichrichterdioden eine von einer Brennstoffzelle erzeugte Eingangs-Gleichspannung in Höhe von 100V in eine Ausgangs-Gleichspannung in Höhe von 700V zu wandeln, können Szenarien wie das nachfolgend skizzierte eintreten:
Bevor der mit der Brennstoffzelle verbundene Spannungswandler gestartet wird, befindet sich die Brennstoffzelle im Leerlauf. Gemäß der bei Brennstoffzellen üblichen Polarisationskurven gibt die Brennstoffzelle im Leerlauf ihre größtmögliche Spannung aus, ihre Leerlauf-Spannung. Die Leerlauf-Spannung kann dabei um mehr als das Zweifache über der im Normalbetrieb zu erwartenden Spannung liegen. Bezogen auf die oben genannte Eingangs-Gleichspannung von 100V kann es damit im Zeitpunkt des Systemstarts zu einer doppelt so hohen am Eingang des Spannungswandlers anliegenden Eingangs- Gleichspannung kommen, konkret 200V und darüber, was auf sämtliche interne Spannungen des Spannungswandlers, aber natürlich auch auf die Ausgangs- Gleichspannung durchschlagen kann. Im gegenständlichen Beispiel kann die Ausgangs- Gleichspannung, die in vielen Ausführungsformen auch an den verbauten Gleichrichterdioden abfällt, folglich bei 1400V und darüber liegen, was die genannte Sperrspannungsgrenze von 1200V übersteigt und eine Beschädigung der SiC- Gleichrichterdioden nach sich ziehen kann.
Aus Gründen der Energieeffizienz, der erzielbaren Signalqualität, aber ebenso aufgrund einer verbesserten Bauteilbelastbarkeit finden auch in der Brennstoffzellentechnik und Photovoltaik zunehmend Mehrphasen-Spannungswandler Anwendung. Mehrphasen- Spannungswandler umfassen mehrere parallele Phasen, auf welche die im Zuge der Spannungswandlung zu übertragende Leistung bzw. der im Zuge der Spannungswandlung zu übertragende Strom aufgeteilt wird. „Phasen“ sind hierbei in ihrem in der Elektrotechnik üblichen Sinn zu verstehen, als spannungsführende elektrische Leiter.
Durch die Aufteilung der zu übertragenden Leistung auf mehrere parallele Phasen wird der je Phase fließende Phasenstrom im Vergleich zum in allen Phasen insgesamt fließenden Gesamtstrom reduziert. Bekanntermaßen ist die in einer Phase auftretende (ohmsche) Verlustleistung proportional zum Quadrat des in der Phase fließenden Phasenstromes.
Durch eine Aufteilung eines großen Gesamtstromes auf mehrere, kleinere Phasenströme können die in einem Spannungswandler auftretende Verlustleistung folglich reduziert und der erreichbare Wirkungsgrad des Spannungswandlers erhöht werden. Obwohl die Reduktion von individuellen Phasenströmen die Strombelastung von in den Phasen verbauten Komponenten verringert, können auch bei Mehrphasen-Spannungswandlern hohe Spannungsbelastungen auftreten, weswegen die genannten Sperrspannungsgrenzen von Gleichrichterdioden auch bei Mehrphasen-Spannungswandlern eine kritische Systemgrenze darstellen können.
Im Stand der Technik sind Spannungswandler hinlänglich bekannt, z.B. in Form von Gleichspannungswandlern, Wechselrichtern, Transformatoren, ebenso aber auch als Mehrphasen-Spannungswandler. Beispielgebend sei dafür die EP 1 589648 A2 genannt, die einen Mehrphasen-Spannungswandler zur Reduktion der harmonischen Verzerrung der erzeugten Ausgangsgrößen offenbart.
In ähnlicher Weise lehrt die CN 101873067 A einen Mehrphasen-Spannungswandler mit einem Hochfrequenztransformator, um den Einsatz hochfrequenter interner Ströme und Spannungen bei der Spannungswandlung zu ermöglichen.
Die KR 10-2009-0011604 A offenbart demgegenüber den Einsatz eines bidirektionalen Mehrphasen-Spannungswandlers für ein Wasserstoff-Fahrzeug, wobei unter anderem auf die Reduktion der Größe von Ausgangsfiltern abgestellt wird.
Die KR 10-2010-0006785 beschreibt darüber hinaus den Einsatz eines Mehrphasen- Spannungswandlers für die Netzeinspeisung bei einem Brennstoffzellen- oder Photovoltaiksystem, wobei eine möglichst große Spannungsverstärkung angestrebt wird.
Die Schriften US 2,999,970, JP 2016-123196 A und US 2013/329463 A1 zeigen Spannungswandler, in denen aus zu wandelnden Eingangsspannungen jeweils mehrere Zwischenspannungen erzeugt werden, die zu einer Ausgangsspannung kombiniert werden. Verschleiß und mögliche Beschädigungen der dazu eingesetzten Bauteile werden in diesen Schriften allerdings nicht aufgegriffen.
Bei Spannungswandlern wichtige Themen wie die Bauteilbelastbarkeit oder das Erreichen/Verletzen von physikalischen Belastungsgrenzen werden im zitierten Stand der Technik allerdings nur unzureichend aufgegriffen. Vor allem die Frage der Einhaltung von Sperrspannungsgrenzen bei Gleichrichterdioden, bei Spannungswandlern im Allgemeinen sowie bei Mehrphasen-Spannungswandlern im Speziellen, wird in den zitierten Schriften nicht thematisiert.
Es ist demnach eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, einen Spannungswandler anzugeben, der auch bei hohen und sich mitunter sprungartig ändernden Eingangsspannungen einen sicheren Betrieb ohne Beschädigung der im Spannungswandler verbauten Komponenten erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Konkret sehen die unabhängigen Ansprüche einen elektrischen Gleichspannungswandler zum Wandeln einer elektrischen Eingangs-Gleichspannung in eine elektrische Ausgangs-Gleichspannung vor, welcher einen Spannungswandler mit drei Spannungsteilereinheit sowie einer Mehrzahl von Gleichrichtern, d.h. mit zumindest zwei Gleichrichtern, aufweist. Die Spannungsteilereinheiten sind dabei ausgestaltet, eine aus der Eingangs-Gleichspannung erzeugte Eingangsspannung jeweils in zumindest zwei Teiler- Wechselspannungen zu wandeln und damit aufzuteilen, vorteilhafterweise in gleich große Teile, und die Gleichrichter erlauben es, jeweils zumindest eine Teiler- Wechselspannung in eine Gleichrichter- Ausgangsspannung zu wandeln. Erfindungsgemäß sind die Ausgänge der zumindest zwei Gleichrichter in Reihe geschaltet, um zumindest zwei Gleichrichter-Ausgangsspannungen zur genannten Ausgangs-Gleichspannung zu summieren.
Mittels des erfindungsgemäßen Spannungswandlers werden eine aus der Eingangs- Gleichspannung erzeugte Eingangsspannung in eine Mehrzahl von, im Vergleich zur erzeugten Ausgangs-Gleichspannung vorzugsweise kleinen, Teiler- Wechselspannungen aufgeteilt, die Teiler- Wechselspannungen in Gleichrichter-Ausgangsspannungen gewandelt und die erzeugten Gleichrichter-Ausgangsspannungen zur Ausgangs-Gleichspannung summiert. Die zur Verarbeitung der Teiler-Wechselspannungen eingesetzten Gleichrichter müssen damit im Vergleich zu Spannungswandlern, in denen keine Spannungsaufteilung stattfindet, geringere Spannungen verarbeiten. Auf diese Weise wird die Spannungsbelastung der Gleichrichter reduziert, was in direkter Konsequenz die Belastung und den Verschleiß der in den Gleichrichtern verbauten Komponenten mindert.
Insbesondere die eingangs genannten Gleichrichterdioden werden auf diese Weise geschont.
Zur Implementierung der erfindungsgemäß vorgesehenen Spannungsteilereinheiten sowie zur Implementierung der erfindungsgemäß vorgesehenen Gleichrichter steht eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, auf die an späterer Stelle detailliert eingegangen wird. Unter anderem können die Spannungsteilereinheiten in Form eines elektrischen Transformators mit einer Primärseite und einer Sekundärseite ausgeführt sein, wobei die Eingangsspannung an die Primärseite des Transformators in Form einer elektrischen Wechselspannung anlegbar ist und der Transformator die Eingangsspannung in zumindest zwei auf der Sekundärseite des Transformators ausgegebene Teiler- Wechselspannungen wandelt. Vorteilhafterweise weist die Primärseite eines derartigen Transformators zumindest eine Primärwicklung auf, an welche zumindest ein Teil der elektrischen Eingangsspannung anlegbar ist. Es sind aber auch andere Umsetzungen einer Spannungsteilereinheit denkbar, wie z.B. serielle, ohmsche Spannungsteiler.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Sekundärseite einer als Transformator ausgeführten Spannungsteilereinheit eine Mehrzahl von Sekundärwicklungen auf, wobei die Sekundärwicklungen ausgestaltet sind, jeweils zumindest eine Teiler- Wechselspannung auszugeben. Vorteilhafterweise können die Primär- und Sekundärwicklungen dabei um einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sein, wodurch es möglich wird, verschiedenste Transformatoren zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Spannungsteilereinheit einzusetzen. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann damit flexibel auf unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden.
Durch die Erfindung wird es möglich, anhand des im Gleichspannungswandler vorgesehenen Wechselrichters eine vorgegebene Eingangs-Gleichspannung in eine Eingangsspannung für den erfindungsgemäßen Spannungswandler in Form einer Wechselspannung zu wandeln. Die vom Wechselrichter erzeugte Eingangsspannung kann in weiterer Folge mittels der zumindest einen Spannungsteilereinheit des erfindungsgemäßen Spannungswandlers in zumindest zwei Teiler- Wechselspannungen gewandelt werden, welche, wie beschrieben, von zumindest zwei Gleichrichtern in Teil-Ausgangsspannungen gewandelt werden, die letztlich zur vom Gleichspannungswandler ausgegebenen Ausgangs- Gleichspannung addiert werden.
Im Rahmen der Erfindung ist weiters vorgesehen, die im beschriebenen Gleichspannungswandler eingesetzten Komponenten als dreiphasige Komponenten auszuführen. Konkret ist der Wechselrichter dazu als Dreiphasen-Wechselrichter ausgeführt, welcher die Eingangs-Gleichspannung in drei Eingangsspannungen in Form einer Wechselspannung wandelt. Erfindungsgemäß ist der Spannungswandler in diesem Fall mit drei Spannungsteilereinheiten ausgestattet, welche jeweils eine der vom Dreiphasen- Wechselrichter erzeugten Eingangsspannungen in je zumindest zwei Teiler- Wechselspannung wandeln.
Es ist anzumerken, dass Dreiphasensysteme in die Kategorie der eingangs diskutierten Mehrphasensysteme fallen. Ein als dreiphasiger Spannungswandler ausgeführter erfindungsgemäßer Spannungswandler kombiniert dadurch die Vorteile der erfindungsgemäßen Aufteilung einer hohen Ausgangsspannung auf mehrere, kleinere, interne Spannungen mit den eingangs diskutierten Vorteilen von Mehrphasen- Spannungswandlern (Aufteilung der zu übertragenden Ströme auf mehrere Phasen, geringere Strombelastung der in den jeweiligen Phasen verbauten Bauteilen, ...).
Die Ausführung der genannten Komponenten (Wechselrichter, Spannungsteilereinheit, Gleichrichter) als dreiphasige Komponenten bietet überdies die Möglichkeit, die Spannungsteilereinheiten innerhalb des erfindungsgemäßen Spannungswandlers primärseitig sowie sekundärseitig in Sternschaltung oder in Dreieckschaltung zu verschalten. Die Option, je nach Anwendungsfall eine geeignete primärseitige oder eine geeignete sekundärseitige Verschaltung zu wählen, stellt einen weiteren Designparameter dar, der die bereits angesprochene Flexibilität des erfindungsgemäßen Spannungswandlers zusätzlich erhöht.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden. Hervorzuheben ist hierbei der Einsatz als Teil einer Anordnung aus einem Spannungserzeuger, einem Netz-Wechselrichter und einem beschriebenen Gleichspannungswandler zum Einspeisen einer Eingangs-Gleichspannung in ein Energieübertragungsnetz. Vorteilhafterweise ist der Netz-Wechselrichter hierbei mit dem Energieübertragungsnetz verbunden und sorgt für die Einspeisung in das Energieübertragungsnetz. Der Gleichspannungswandler sorgt demgegenüber für die eingangs beschriebene Aufbereitung der einzuspeisenden Eingangs-Gleichspannung.
Beim genannten Spannungserzeuger kann es sich um eine Brennstoffzelle oder eine PV- Anlage handeln. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Spannungswandler dazu herangezogen werden, das eingangs angeführte Problem zu lösen, eine von einer Brennstoffzelle oder Photovoltaikanlage erzeugte Spannung auf eine für einen Netz- Wechselrichter geeignete Spannungshöhe zu wandeln.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigen
Fig.1 einen Spannungswandler,
Fig.2a, Fig.2b, Fig.2c mögliche Ausführungsformen einer Spannungsteilereinheit,
Fig.3a, Fig.3b, Fig.3c, Fig.3d mögliche Ausführungsformen von Gleichrichtern,
Fig.4 eine mögliche Ausgestaltung eines Wechselrichters zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers,
Fig.5 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, umfassend einen Wechselrichter und einen erfindungsgemäßen Spannungswandler mit drei Spannungsteilereinheiten und zwei Gleichrichtern,
Fig.6 eine Anordnung aus einem Spannungserzeuger, einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler und einem Netz-Wechselrichter zur Netzeinspeisung.
Fig.1 zeigt schematisch einen Spannungswandler 100 zum Wandeln einer elektrischen Eingangsspannung ue in eine elektrische Ausgangs-Gleichspannung UDC, wie er in einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler 200 zum Einsatz kommt. Der in Fig.1 dargestellte Spannungswandler 100 weist eine Spannungsteilereinheit T auf, welche die Eingangsspannung ue in zumindest zwei, im Vergleich zur Eingangsspannung ue vorzugsweise größere, Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 wandelt. Die Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 werden in der in Fig.1 dargestellten Ausführung von zwei Gleichrichtern Gi, G2 in zwei Gleichrichter-Ausgangsspannung UGI , UG2 gewandelt. Die Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2 werden zur Erzeugung der gewünschten Ausgangs-Gleichspannung UDC summiert.
Zur Summation der vorliegenden Gleichrichter-Ausgangsspannung UGI , UG2 sind die Ausgänge der Gleichrichter G1, G2 miteinander verschaltet. Im gegenständlichen Fall ist dafür jener Ausgang des ersten Gleichrichters G1, der von den Ausgängen des ersten Gleichrichters G1 das niedrigere Potential aufweist (konkret der Gleichrichter-Minuspol G1-), mit jenem Ausgang des zweiten Gleichrichters G2 verbunden, der von den Ausgängen des zweiten Gleichrichters G2 das höhere Potential aufweist (konkret der Gleichrichter-Pluspol G2+). Die Ausgänge der Gleichrichter G1, G2 sind damit zueinander in Reihe geschaltet. Die im gegenständlichen Ausführungsbeispiel verbleibenden Ausgänge der Gleichrichter G1, G2 (konkret die Ausgänge G1+ und G2-) bilden den Ausgang des in Fig.1 dargestellten Spannungswandlers 100, sodass letztlich zwischen den Ausgängen G1+ und G2- die vom Spannungswandler 100 erzeugte Ausgangs-Gleichspannung UDC abfällt.
Es sei angemerkt, dass der Ausgang des Spannungswandlers 100 nicht zwingend durch die Ausgänge eines oder mehrerer Gleichrichter G1, G2 gebildet werden muss. In der praktischen Umsetzung kann es von Vorteil sein, nach die Ausgänge der Gleichrichter G1, G2 noch weitere elektrische Elemente zu schalten, wie Glättungskondensatoren oder Dämpfungselemente, z.B. in Form von Drosseln oder Filtern.
Durch die in Fig.1 gezeigte Topologie wird es möglich, hohe Eingangsspannungen ue in mehrere, vor allem kleinere, interne Teilspannungen aufzuteilen. Die in Fig.1 gezeigte Topologie erlaubt aber ebenso, hohe Ausgangs-Gleichspannungen UDC durch die Summation geringerer Teilspannungen zu erzeugen, im gegenständlichen Beispiel durch die Summation der Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2. Auf diese Weise wird die Spannungsbelastung der einzelnen Gleichrichter G1, G2 reduziert, was in direkter Konsequenz auch die Belastung und den Verschleiß der in den Gleichrichtern Gi, G2 verbauten Komponenten mindert.
Ebenso sei angemerkt, dass die in Fig.1 gezeigte Ausführungsform nur beispielhaft zu verstehen ist. Wie nachfolgend ausführlich gezeigt wird, kann in einem Spannungswandler 100 auch eine Mehrzahl von Spannungsteilereinheiten T vorgesehen sein, die die Eingangsspannung ue je in mehr als zwei Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 wandeln. Auch die Anzahl an Gleichrichtern G1, G2 ist in keiner Weise auf zwei Gleichrichter beschränkt. Die Gleichrichter G1, G2 können dabei auch eine unterschiedliche oder gleiche Mehrzahl von Eingängen aufweisen, um mehr als nur eine Teiler- Wechselspannung aufzunehmen. Folglich sind sowohl hinsichtlich der Mehrzahl von Spannungsteilereinheiten T als auch hinsichtlich der Mehrzahl von Gleichrichtern G1, G2 beliebige Kombinationen denkbar, solange eine Aufteilung der zu erzeugenden Ausgangs-Gleichspannung UDC auf mehrere, kleinere, interne Teilspannungen sichergestellt wird.
Das heißt, es kann jede beliebe Mehrzahl von Spannungsteilereinheiten T mit jeder beliebigen Mehrzahl von Gleichrichtern G1, G2 kombiniert werden. Wie nachfolgend ausgeführt, können in einer besonders vorteilhaften Weise drei Spannungsteilereinheiten T, die jeweils zwei Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 erzeugen, und zwei Gleichrichter G1, G2, die diese Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 in entsprechende Gleichrichter- Ausgangsspannungen UGI , UG2 wandeln, vorgesehen sein.
Im Detail weist die in Fig.1 gezeigte Spannungsteilereinheit T einen ersten Teiler- Eingangspol TA und einen zweiten Teiler-Eingangspol TB zum Anlegen der Eingangsspannung ue auf. Wie bereits an früherer Stelle ausgeführt, ist die in Fig.1 gezeigte Spannungsteilereinheit T derart ausgestaltet, dass die Eingangsspannung ue in eine erste, zwischen einem ersten Teiler-Ausgangspol Tc und einem zweiten Teiler-Ausgangspol TD abfallende Teiler- Wechselspannung uzi sowie in eine zweite, zwischen einem dritten Teiler- Ausgangspol TE und einem vierten Teiler-Ausgangspol TF abfallende Teiler- Wechselspannung uz2 aufgeteilt wird.
Um dem ersten Gleichrichter G1 die erste Teiler- Wechselspannung uzi zuzuführen, weist der erste Gleichrichter G1 einen mit dem ersten Teiler-Ausgangspol Tc elektrisch leitend verbundenen ersten Gleichrichter-Eingangspol GIA und einen mit dem zweiten Teiler- Ausgangspol TD elektrisch leitend verbundenen zweiten Gleichrichter-Eingangspol GIB auf. In gleicher Weise weist der zweite Gleichrichter G2 einen mit dem dritten Teiler-Ausgangspol TE elektrisch leitend verbundenen ersten Gleichrichter-Eingangspol G2A und einen mit dem vierten Teiler-Ausgangspol TF elektrisch leitend verbundenen zweiten Gleichrichter- Eingangspol G2B auf. In der gegenständlichen Ausführungsform wandelt der erste Gleichrichter Gi die erste Teiler- Wechselspannung uzi in eine zwischen seinem Gleichrichter-Pluspol Gi+ und seinem Gleichrichter-Minuspol Gi- abfallende erste Gleichrichterspannung UGI . Der zweite Gleichrichter G2 wandelt die zweite Teiler- Wechselspannung uz2 in eine zwischen seinem Gleichrichter-Pluspol G2+ und seinem Gleichrichter-Minuspol G2- abfallende zweite Gleichrichterspannung UG2. Um letztlich zwischen dem Gleichrichter-Pluspol G1+ des ersten Gleichrichters Gi und dem Gleichrichter-Minuspol G2- des zweiten Gleichrichters G2 die vom Spannungswandler 100 erzeugte Ausgangs-Gleichspannung UDC ausgeben zu können, ist der Gleichrichter-Minuspol Gi- des ersten Gleichrichters Gi elektrisch leitend mit dem Gleichrichter-Pluspol G2+ des zweiten Gleichrichters G2 verbunden. Wird wie erwähnt eine höhere Anzahl an Gleichrichtern eingesetzt, kann die beschriebene Art der Verschaltung sinngemäß auf die höhere Anzahl an Gleichrichtern übertragen werden.
In den Figuren 2a, 2b und 2c sind mehrere mögliche Ausführungsformen der im Spannungsteiler 100 eingesetzten Spannungsteilereinheit T dargestellt.
Konkret ist den Figuren 2a, 2b, 2c eine Ausführung der Spannungsteilereinheit T in Form eines elektrischen Transformators mit einer Primärseite I und einer Sekundärseite II zu entnehmen. Die Eingangsspannung ue ist in diesem Fall in Form einer elektrischen Wechselspannung an die Primärseite I des Transformators anzulegen, sodass der Transformator die Eingangsspannung ue in zumindest zwei auf der Sekundärseite II ausgebbare Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 wandeln kann.
Obwohl es sich bei der Wandlung der angelegten Eingangsspannung ue in zwei Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 um eine bevorzugte Ausgestaltung handelt, sei angemerkt, dass eine Spannungsteilereinheit T auch ausgestaltet werden kann, eine Eingangsspannung ue in mehr als zwei Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 zu wandeln. Bevorzugt wird die Anzahl an Gleichrichtern Gi, G2 und/oder die Anzahl an Gleichrichter-Eingangspolen an die Anzahl an erzeugten Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 angepasst. In einer besonders vorteilhaften Weise können drei Spannungsteilereinheiten T vorgesehen sein, die ausgestaltet sind, jeweils zwei Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 bereitzustellen, und es können zwei Gleichrichter vorgesehen sein, die diese insgesamt sechs Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2 in Gleichrichter-Ausgangsspannung UGI , UG2 wandeln.
Die in Fig.2a dargestellte Ausgestaltung der Spannungsteilereinheit T weist auf der Primärseite I lediglich eine Primärwicklung Li auf, an der zumindest einen Teil der elektrischen Eingangsspannung ue anzulegen ist. In einer vorteilhaften Weise kann auch die gesamte Eingangsspannung ue an die Primärwicklung Li angelegt werden. Wie Fig.2a ebenso zu entnehmen ist, sind die Anschlüsse der Primärwicklung Li zu diesem Zweck elektrisch leitend mit den Teiler-Eingangspolen TA und TB verbunden. Die Sekundärseite II weist demgegenüber zwei Sekundärwicklungen L21, L22 auf. Die Anschlüsse der ersten Sekundärwicklung L21 sind elektrisch leitend mit den Teiler- Ausgangspolen Tc, TD verbunden, die Anschlüsse der zweiten Sekundärwicklung L22 demgegenüber mit den Teiler-Ausgangspolen TE, TF.
In den in den Figuren 2a, 2b, 2c gezeigten Ausführungsformen der Spannungsteilereinheit T sind zumindest eine Primärwicklung Li und zumindest eine Sekundärwicklung L2 des Transformators um einen gemeinsamen Eisenkern FE gewickelt, um diese wie bei Transformatoren üblich magnetisch zu koppeln. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung ist es aber keineswegs erforderlich, dass sämtliche Wicklungen, so wie in Fig.2a, um einen einzelnen gemeinsamen Eisenkern FE gewickelt sind. Genauso können, wie in Fig.2c dargestellt, auch mehrere Eisenkerne FE1, FE2 zur magnetischen Kopplung von primär- und sekundärseitigen Wicklungen vorgesehen sein.
Wie eine Spannungsteilereinheit T neben der in Fig.2a gezeigten Variante noch in Form eines Transformators ausgeführt werden kann, ist den Figuren 2b und 2c beispielhaft zu entnehmen. Darin sind auf der Primärseite I jeweils zwei in Serie geschaltete Primärwicklungen Lu, L12 vorgesehen. Im Unterscheid zu Fig.2b weist Fig.2c zwei separate Eisenkerne FEI , FE2 auf, sodass in Fig.2c zwei separate, voneinander magnetisch entkoppelte Wicklungspaare entstehen.
Auf Transformatoren basierende Ausführungen der Spannungsteilereinheit T ermöglichen es, eine anliegende Eingangsspannung ue durch geeignete Wahl der Windungszahlen der gegebenen Wicklungen nahezu beliebig aufzuteilen. In vorteilhafter weise können die Windungszahlen derart gewählt werden, dass sich an den Sekundärwicklungen L21, L22 Spannungen uzi, uz2 gleicher Höhe ausbilden. Ebenso können auch unterschiedliche Windungszahlen vorgesehen werden, sodass an den Sekundärwicklungen L21, L22 Spannungen uzi, uz2 unterschiedlicher Höhe abfallen. Andererseits können aber auch unterschiedliche Windungszahlen vorgesehen werden, und dennoch Spannungen gleicher Höhe an den Sekundärwicklungen L21, L22 realisiert werden. Diese Möglichkeit besteht insbesondere bei Varianten gemäß oder ähnlich Fig.2c, wo durch eine Wahl der Relation der Windungszahlen der Sekundärwicklungen L21, L22 invers zur Relation der Windungszahlen der Primärwicklungen Lu, Liz eine ungleiche Spannungsaufteilung auf der Primärseite I durch entsprechende Übersetzungsverhältnisse in den jeweiligen Wicklungspaaren ausgeglichen werden kann.
In den bisher gezeigten und auf Transformatoren basierenden Ausführungen der Spannungsteilereinheit T können die Sekundärwicklungen L21, L22 in einer vorteilhaften Weise als voneinander galvanisch getrennte Sekundärwicklungen L21 , L22 angeordnet werden. Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee der Aufteilung einer vorliegenden Eingangsspannung ue in einer anderen Spannungsteilereinheit T sind jedoch auch andere Schaltungstopologien denkbar, wie ein aus der Elektrotechnik hinlänglich bekannter, serieller Spannungsteiler. Ein derartiger Spannungsteiler kann aus seriellen Impedanzelementen aufgebaut sein, welche aus ohmschen Widerständen oder aus Blindwiderständen oder aus Kombinationen von ohmschen Widerständen und Blindwiderständen gebildet sein können. Eine Spannungsteilereinheit T ergibt sich in einem solchen Fall als eine Serienschaltung aus ohmschen Impedanzelementen und/oder ohmsch-induktiven Impedanzelementen und/oder ohmsch-kapazitiven Impedanzelementen. Beispielsweise können zwei oder mehrere Impedanzelemente in Serie geschaltet werden. An diese Serienschaltung kann wie an eine Primärwicklung eines Transformators zumindest ein Teil der Eingangsspannung ue angelegt werden. Die nachfolgend von den Gleichrichtern zu verarbeitenden Teiler- Wechselspannung uzi, uz2 fallen dann an den jeweiligen Impedanzelementen ab. Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Aufteilung einer vorliegenden Eingangsspannung ue in einer Spannungsteilereinheit T sind aber auch andere Schaltungstopologien denkbar.
Fig.3a, Fig.3b, Fig.3c, Fig.3d zeigen mögliche Ausführungsformen von im Spannungswandler einsetzbaren Gleichrichtern Gi, G2. Da Gleichrichter auf dem Gebiet der Leistungselektronik hinlänglich bekannt sind, wird an dieser Stelle nicht im Detail auf deren Funktionsweise eingegangen. Es sei jedoch angemerkt, dass zur Umsetzung der gegenständlichen Erfindung verschiedene Gleichrichter-Topologien eingesetzt werden können, wie Einweggleichrichter (Fig.3a), Brückengleichrichter (Fig.3b, Fig.3c, Fig.3d), oder auch Mittelpunktgleichrichter oder steuerbare Gleichrichter. Die in Fig.3b, Fig.3c, Fig.3d gezeigten Brückengleichrichter unterscheiden sich in der Anzahl an Eingangspolen, wobei Fig.3c den wichtigen Fall eines Dreiphasen-Gleichrichters zeigt, Fig.3d demgegenüber in allgemeiner Weise einen Gleichrichter mit x Eingangspolen zur Aufnahme von x-1 Teiler- Wechselspannungen.
Für die nachfolgenden Ausführungen ist insbesondere der in Fig.3c gezeigte Dreiphasengleichrichter Gi, 2 von Bedeutung. Ein Dreiphasengleichrichter, auch Drehstromgleichrichter oder B6 Brücke genannt, dient bekanntermaßen der Wandlung von Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom. Typische Dreiphasengleichrichter nehmen drei phasenverschobene Wechselspannungen als Eingangsspannungen auf, wofür in der in Fig.3c gezeigten Ausführungsform die Eingangspole GIA, GIB, GIC vorgesehen sind. Es sei angemerkt, dass die Eingangspole GIA, GIB, GIC selbst nur ein elektrisches Potential führen, und dass sich die vom Gleichrichter Gi gewandelten Spannungen uzi, uz2, uzs in diesem Fall bekanntermaßen aus den Differenzen zwischen diesen Potentialen ergeben. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung können Dreiphasengleichrichter auf unterschiedliche Weise vorteilhaft eingesetzt werden, worauf an späterer Stelle gesondert eingegangen wird. In den in Fig.3a, Fig.3b, Fig.3c beispielhaft gezeigten Gleichrichtern sind weiters jeweils ein Glättungskondensator Ca und eine Glättungsdrossel Lm zur Glättung der erzeugten Ausgangsspannung UGI vorgesehen. Für die Funktionsweise der jeweiligen Gleichrichter stellen der Glättungskondensator Ca und die Glättungsdrossel Lm allerdings keine zwingende Voraussetzung dar.
Erfindungsgemäß kann ein den bisherigen Ausführungen entsprechender Spannungswandler 100 mit einem Wechselrichter WR verbunden werden, um einen erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler 200 zum Wandeln einer Eingangs- Gleichspannung Ue.Dc in eine Ausgangs-Gleichspannung UDC ZU bilden.
Ein auf diese Weise gebildeter Gleichspannungswandler 200 kann insbesondere dazu herangezogen werden, eine von einer Brennstoffzelle oder von einem anderem Spannungserzeuger SE erzeugte Eingangs-Gleichspannung Ue,Dc auf eine vorgegebene Spannungshöhe zu wandeln. Die eingangs erwähnte, wichtige Aufgabe der Spannungsanpassung bei der Netz-Einspeisung von Brennstoffzellen kann folglich mit dem gezeigten Gleichspannungswandler 200 gelöst werden.
Da es sich auch bei Wechselrichtern WR um aus der Leistungselektronik hinlänglich bekannte Komponenten handelt, sei anhand des in Fig.4 gezeigten Einphasen- Wechselrichters WR nur kurz auf das Grundprinzip eines Wechselrichters WR eingegangen.
Bekanntermaßen sind in einem Wechselrichter WR Schalter Si, S2 vorgesehenen, üblicherweise Halbleiterschalter wie Bipolartransistoren, IGBTs („Insulated-Gate-Bipolar- Transistoren“) oder Feldeffekttransistoren (MOSFETs, JFETs, IGFETs), die fortlaufend geöffnet und geschlossen werden. Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter können bekannte Methoden wie die Pulsweitenmodulation PWM oder die Pulsfrequenzmodulation PFM oder eine andere Modulationsmethode herangezogen werden, um abschnittsweise eine an den Wechselrichter WR angelegte Gleichspannung an den Ausgang des Wechselrichters WR durchzuschalten. Im in Fig.4 dargestellten Einphasen-Wechselrichter WR liegt zwischen den Wechselrichter-Eingangspolen WA und WB eine Eingangsgleichspannung Ue,Dc an, welche durch wechselweises Öffnen und Schließen der Schalter S1 und S2 abwechselnd an die Ausgangspole Wc und WD durchgeschaltet wird oder nicht.
Von Wechselrichtern existieren verschiedenste Umsetzungsformen, wie Mehrphasen- Wechselrichter oder Mulit-Level-Wechselrichter oder Strangwechselrichter oder Modulwechselrichter oder Zentralwechselrichter oder andere Wechselrichter. Wie erwähnt kann ein Wechselrichter WR, dessen konkrete Ausgestaltung dabei nicht wesentlich ist, in vorteilhafter Weise mit einem Spannungswandler 100 kombiniert und damit zum Aufbau eines Gleichspannungswandlers 200 zum Wandeln einer Eingangs-Gleichspannung Ue,Dc in eine Ausgangs-Gleichspannung UDC herangezogen werden. Diese Vorgehensweise wird nachfolgend im Detail betrachtet.
Der in Fig.5 dargestellte Gleichspannungswandler 200 umfasst als Sub-Spannungswandler einen Spannungswandler 100 und einen Wechselrichter WR, wobei der Wechselrichter WR neben der in Fig.5 dargestellten Ausgestaltung in sämtlichen der oben genannten und anderen Umsetzungsformen ausgeführt sein kann. Auch für den Spannungswandler 100 können sämtliche der bisher dargestellten Ausführungsformen eingesetzt werden. Im Gleichspannungswandler 200 wird mithilfe des Wechselrichters WR zunächst eine am Eingang des Wechselrichters WR angelegte Eingangs-Gleichspannung Ue,oc in zumindest eine Eingangsspannung ue in Form einer Wechselspannung gewandelt. Diese zumindest eine Eingangsspannung ue wird in weiterer Folge durch den Spannungswandler 100 zur Ausgangs-Gleichspannung UDC gewandelt.
Konkret ist der Wechselrichter WR des in Fig.5 dargestellten Gleichspannungswandlers 200 in Form eines Dreiphasen-Wechselrichters ausgeführt. Der Wechselrichter WR weist die Wechselrichter-Eingangspole WA und WB, sowie die Wechselrichter-Ausgangspole Wc, WD und Ws auf. Wie Fig.5 entnommen werden kann, liegt an den Wechselrichter-Eingangspolen WA, WB die Eingangs-Gleichspannung Ue,Dc an. Die Wechselrichter-Eingangspole WA und WB stellen damit den Eingang des Gleichspannungswandlers 200 dar. Zwischen den Wechselrichter-Ausgangspolen Wc, WD und WE fallen die vom Wechselrichter WR erzeugten Eingangsspannungen Uei, Ue2, Ue3 ab.
Mittels des Dreiphasen-Wechselrichters WR wird die Eingangs-Gleichspannung Ue,Dc in drei Eingangsspannungen Uei, Ue2, Ue3 in Form einer Wechselspannung gewandelt, welche im in Fig.5 gezeigten Fall von drei Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 aufgenommen werden. Auch die Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 können neben der gezeigten Ausführung in sämtlichen der anhand der Figuren 2a-c beschriebenen Ausgestaltungen umgesetzt werden. Bei den Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 handelt es sich insbesondere um voneinander separate, das heißt voneinander räumlich getrennte und/oder elektromagnetisch entkoppelte Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3.
Entsprechend den Ausführungen zu Fig.2a-c weist jede der Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 einen ersten Teiler-Eingangspol TIA, T2A, T3A, einen zweiten Teiler-Eingangspol TIB, T2B, T3B, einen ersten Teiler-Ausgangspol Tic, T2C, T3c, einen zweiten Teiler-Ausgangspol T , T2D, T3D, einen dritten Teiler-Ausgangspol TIE, T2E, TSE und einen vierten Teiler-Ausgangspol TIF, T2F, TSF auf, wobei die jeweils ersten Teiler-Eingangspole TIA, T2A, TSA jeweils mit einem der Wechselrichter-Ausgangspole Wc, WD und WE verbunden sind. Jede der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 wandelt so je eine der Eingangsspannungen uei , ue2, ue3 in jeweils zwei Teiler- Wechselspannung uzi, uz2, was letztlich zu sechs Teiler- Wechselspannung uzi, uz2, uz3, uz4, uz5, uze führt.
Um in weiterer Folge eine effiziente, schwingungsarme und bauteilschonende Gleichrichtung der vom Wechselrichter WR erzeugten Teiler- Wechselspannung uzi, uz2, uz3, uz4, uzs, uze in geeignete Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2 ZU ermöglichen, ist im Rahmen der in Fig.5 gezeigten Ausgestaltung vorgesehen, die Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 sekundärseitig, also auf der Seite der Gleichrichter G1, G2, untereinander zu verschalten. In der in Fig.5 gezeigten Ausführungsform wird dazu auf eine Dreieckschaltung zurückgegriffen.
Zur Umsetzung einer Dreieckschaltung auf der Sekundärseite der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 ist der erste Teiler-Ausgangspol Tic der ersten Spannungsteilereinheit Ti elektrisch leitend mit dem zweiten Teiler-Ausgangspol T3D der dritten Spannungsteilereinheit T3 verbunden, der zweite Teiler-Ausgangspol T der ersten Spannungsteilereinheit Ti elektrisch leitend mit dem ersten Teiler-Ausgangspol Tzc der zweiten Spannungsteilereinheit T2 verbunden, der dritte Teiler-Ausgangspol TIE der ersten Spannungsteilereinheit Ti elektrisch leitend mit dem vierten Teiler-Ausgangspol TSE der zweiten Spannungsteilereinheit T2 verbunden, der vierte Teiler-Ausgangspol TIF der ersten Spannungsteilereinheit Ti elektrisch leitend mit dem dritten Teiler-Ausgangspol T2E der zweiten Spannungsteilereinheit T2 verbunden, der zweite Teiler-Ausgangspol T2D der zweiten Spannungsteilereinheit T2 elektrisch leitend mit dem ersten Teiler-Ausgangspol T3c der dritten Spannungsteilereinheit T3 verbunden, und der vierte Teiler-Ausgangspol T2F der zweiten Spannungsteilereinheit T2 elektrisch leitend mit dem dritten Teiler-Ausgangspol TSE der dritten Spannungsteilereinheit T3 verbunden, wie in Fig.5 gezeigt.
In einer vorteilhaften Weise können die Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 auch primärseitig in Sternschaltung oder in Dreieckschaltung verschaltet sein, in der in Fig.5 gezeigten Ausführung wird hier auf eine Sternschaltung zurückgegriffen. Die Implementierung einer primärseitigen Sternschaltung der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 kann hierbei sichergestellt werden, indem die jeweils zweiten Teiler-Eingangspole TB der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
Ebenso ist denkbar, auf der Primärseite der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 eine Dreieckschaltung vorzusehen und auf der Sekundärseite eine Sternschaltung, oder auf beiden Seiten eine Dreieckschaltung vorzusehen, oder auf beiden Seiten eine Sternschaltung vorzusehen.
Im Rahmen der Erfindung wurde in diesem Zusammenhang erkannt, dass die Strombelastung der Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 am geringsten ausfällt, wenn eine Stern/Dreieck-Schaltung gewählt wird, also die Primärseiten der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 in Sternschaltung verschaltet werden und die Sekundärseiten der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 in Dreieckschaltung verschaltet werden. Aufgrund der geringeren Strombelastung kann in diesem Fall die Baugröße der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 reduziert werden, was es in vielen Anwendungsfällen erlaubt, Bauraum und Kosten zu senken.
Es sei angemerkt, dass auch andere Verschaltungsvarianten der Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 denkbar sind, und dass die Spannungsteilereinheiten Ti , T2, Ts nicht zwingend miteinander verbunden sein müssen. Beispielsweise kann eine Spannungsteilereinheit Ti, T2, Ts auch direkt einem Gleichrichter G1, G2 zugeordnet sein kann.
Die Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2, uz3, uz4, uzs, uze werden in weiterer Folge gemäß den vorstehenden Ausführungen von zwei Gleichrichtern G1, G2 zu Gleichrichter- Ausgangsspannungen UGI , UG2 gewandelt, welche gemäß den vorstehenden Ausführungen zur Ausgangs-Gleichspannung UDC summiert werden. Die in Fig.5 gezeigten Gleichrichter G1, G2 sind dabei jeweils in Form eines Dreiphasengleichrichters ausgeführt. Um den in Fig.5 gezeigten Gleichrichtern G1, G2 die Teiler- Wechselspannungen uzi, uz2, uzs, uz4, uzs, uze zuzuführen, sind je Gleichrichter G1, G2 drei Gleichrichter-Eingangspole GIA, GIB, Gic bzw. G2A, G2B, G2C vorgesehen. Die Gleichrichter-Eingangspole GIA, GIB, GIG des ersten Gleichrichters G1 sind in der in Fig.5 gezeigten Ausgestaltung der Reihe nach mit dem jeweils ersten Teiler-Ausgangspol der Spannungsteilereinheiten Ti, T2, T3 verbunden, und die Gleichrichter-Eingangspole G2A, G2B, G2C des zweiten Gleichrichters G2 sind in der in Fig.5 gezeigten Ausgestaltung der Reihe nach mit dem jeweils dritten Teiler-Ausgangspol der Spannungsteilereinheiten Ti , T2, T3 verbunden.
Im in Fig.5 gezeigten Fall ist in den Gleichrichtern G1, Gz in einer vorteilhaften Weise überdies je eine Klemmschaltung Mi, M2 vorgesehen. Wie erwähnt, können auch sämtlich der in den Figuren 3a-3c gezeigten Gleichrichter zur Umsetzung eines Gleichspannungswandlers 200 eingesetzt werden, sodass die Klemmschaltungen Mi, M2 keinen zwingenden Bestandteil der eingesetzten Gleichrichter und damit des Gleichspannungswandlers 200 insgesamt darstellen. Wie nachfolgend ausgeführt, kann anhand der Klemmschaltungen Mi, M2 insbesondere eine Reduktion der Schwingneigung von sich im Gleichspannungswandler 200 ausbildenden Resonanzkreisen erreicht werden (die von den Gleichrichtern G1 , G2 erzeugten Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2 werden „geklemmt“).
Die Klemmschaltungen Mi, M2 sind in der gezeigten Ausführungsvariante durch eine Serienschaltung einer Klemmdiode DM und eines Klemmkondensators CM, welche parallel zu den Zweigen der jeweiligen Gleichrichter G1, G2 geschaltet ist, und eine Parallelschaltung einer Ausgangsdrossel l_M und eines Klemmwiderstandes RM aufgebaut. Einerseits wird durch die Ausgangsdrossel LM die letztlich vom Gleichspannungswandler 200 erzeugte Ausgangs-Gleichspannung UDC geglättet und damit deren Restwelligkeit gedämpft. Um nun andererseits Resonanzkreisen entgegenzuwirken, die sich zwischen Ausgangsdrossel LM und insbesondere parasitären Kapazitäten, wie durch die Dioden in den Gleichrichter Gi, G2 eingebrachte parasitäre Kapazitäten, und damit einhergehenden Schwingungen entgegenzuwirken, sind die Klemmdiode DM und der Klemmkondensator CM vorgesehen. Sobald sich eine Schwingung zwischen der Ausgangsdrossel LM und einer der genannten parasitären Kapazitäten beginnt auszubilden, wird jeweils bei einer positiven über der Klemmdiode DM abfallenden Spannung (Wellenberg) der Klemmkondensator CM geladen. Bei einer negativen über der Klemmdiode DM abfallenden Spannung (Wellental) wird der Klemmkondensator CM wiederum über den Klemmwiderstand Rm entladen, was die Ausbildung von Schwingungen zwischen Ausgangsdrossel LM und parasitären Kapazitäten unterbindet.
In einer besonders vorteilhaften Weise können die Komponenten der Klemmschaltungen Mi, M2 auf die restlichen im Gleichspannungswandlers 200 verbauten Komponenten abgestimmt werden, um eine möglichst gute Klemmung der Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2 an eine vorgegebene Soll-Gleichrichter-Ausgangsspannung, sowie eine möglichst gute Unterdrückung von Schwingungen in den Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2 ZU erreichen. Hierbei zeigt sich, dass insbesondere eine Kombination aus einer Sternschaltung der Primärseiten der Spannungsteilereinheiten T, einer Dreieckschaltung der Sekundärseiten der Spannungsteilereinheiten T und darauf abgestimmter Klemmschaltungen Mi, M2 vorteilhaft ist. In diesem Fall kann einerseits eine weitgehende Reduktion von Schwingungen in den Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2, andererseits eine im Vergleich zu anderen Ausführungen besonders geringe Strombelastung erzielt werden.
Die in Fig.5 gezeigte Verschaltung der Gleichrichter G1, G2 entspricht einer Reihenschaltung, sodass die erzeugten Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2 ZU einer gesamten Ausgangs-Gleichspannung UDC summiert werden und die erfindungsgemäße Spannungsaufteilung ermöglicht wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des in Fig.5 gezeigten Gleichspannungswandlers sind die von den jeweiligen Gleichrichtern G1, G2 erzeugten Gleichrichter-Ausgangsspannung UGI , UG2 gleich hoch, wodurch es am Ausgang des Spannungswandlers 100 und damit am Ausgang des Gleichspannungswandlers 200 zu einer Spannungsverdopplung kommt.
Es ist anzumerken, dass die in Fig.5 gezeigte Ausgestaltung einem Mehrphasen- Spannungswandler entspricht und insbesondere deshalb eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der gegenständlichen Erfindung darstellt. Durch die Ausführung als Mehrphasen-Spannungswandler werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Aufteilung einer hohen Ausgangsspannung auf mehrere, kleinere, interne Spannungen mit den genannten Vorteilen von Mehrphasen-Spannungswandlern (Aufteilung der zu übertragenden Ströme auf mehrere Phasen, geringere Strombelastung der in den jeweiligen Phasen verbauten Bauteilen, ...) kombiniert. Bei der Erzeugung besonders hoher Ausgangsspannungen wird im Rahmen dieser Ausgestaltung ein im Vergleich zu anderen Ansätzen besonders schonender Betreib für die eingesetzten Komponenten bzw. Bauteile (insbesondere der Dioden Du, D12, D13, D14, D15, Die) möglich. Die eingesetzten Komponenten bzw. Bauteile werden dadurch vor Überspannungen und somit vor physischer Beschädigung oder Zerstörung geschützt.
Zu Ansteuerung der im Wechselrichter WR vorgesehenen Schalter Si , S2, S3, S4, S5, Se kann im Gleichspannungswandler 200 eine Steuereinheit (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die die bereits genannten Modulationsverfahren wie PWM, PFM usw. umsetzt. Eine derartige Steuereinheit kann in einer auf dem Gebiet der Leistungselektronik hinlänglich bekannten Weise Zündimpulse bzw. Ansteuersignale ermitteln, und diese den Schaltern Si, S2, S3, S4, S5, Se zu deren Ansteuerung zuführen. Eine Steuereinheit kann aber auch separat von einem Gleichspannungswandler 200 ausgeführt sein, und lediglich mit den Schaltern Si, S2, S3, S4, S5, Se verkabelt sein, um diese anzusteuern. Mögliche Realisierungen einer derartigen Steuereinheit sind hierbei unter anderem durch mikroprozessorbasierte Hardware gegeben, wie beispielsweise Mikrocontroller und integrierte Schaltungen (ASIC, FPGA).
Bei der Ansteuerung von Mehrphasen-Spannungswandlern, wie dem in Fig.5 gezeigten, wird typischerweise darauf geachtet, dass sich in den jeweiligen Phasen zeitversetzte (auch als „phasenversetzt“ bezeichnete) Phasenströme und damit einhergehend zeitversetzte Phasenspannungen einstellen. Durch eine Überlagerung mehrerer phasenverschobener Teil-Ausgangsspannungen (konkret die von den Gleichrichtern G1, G2 erzeugten Gleichrichter-Ausgangsspannungen UGI , UG2) können Ripple in der resultierenden Ausgangsspannung, aber auch Ripple im resultierenden Ausgangs-Strom signifikant verringert werden. In vielen Fällen können so im Vergleich zu herkömmlichen Spannungswandlern kostengünstigere und hinsichtlich ihrer Baugröße kleinere Ausgangsfilter zur Unterdrückung der noch verbleibenden Rest-Ripple eingesetzt werden.
Wie erwähnt ist ein wesentlicher Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 200 die Anpassung von Spannungen, die insbesondere von Brennstoffzellen oder Photovoltaikanlagen oder anderen Spannungserzeugern erzeugt werden, auf vorgegebene Spannungsniveaus, sodass mittels eines Netz-Wechselrichter N - WR eine Netzeinspeisung der erzeugten Spannung vorgenommen werden kann. Es sei angemerkt, dass auch auf andere Weise ausgeführte elektrische Energiespeicher als Spannungserzeuger eingesetzt werden können (z.B. Heimspeicher-Batterien, Intralogistik- Batterien, Staplerbatterien, etc.). Wie eine Anordnung, in der ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandlers 200 zur Erfüllung dieser Aufgabe eingesetzt ist, ausgestaltet sein kann, ist abschließend anhand Fig.6 gezeigt.
Fig. 6 zeigt zu diesem Zweck eine Anordnung 300 aus einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler 200, einem Spannungserzeuger SE und einem Netz- Wechselrichter N-WR. Beim Spannungserzeuger SE kann es sich wie erwähnt insbesondere um eine Brennstoffzelle oder Photovoltaikanlagen handeln. Entscheidend ist, dass der Spannungserzeuger SE ausgestaltet ist, eine Eingangs-Gleichspannung Ue,Dc zu erzeugen und diese dem Gleichspannungswandler 200 zum Wandeln in eine Ausgangs- Gleichspannung UDC zuzuführen. Gemäß den vorhergehenden Ausführungen ist der Gleichspannungswandler 200 ausgestaltet, die Eingangs-Gleichspannung Ue,Dc in die Ausgangs-Gleichspannung UDC ZU wandeln und diese weiters dem Netz-Wechselrichter N- WR zum Einspeisen in ein Energieübertragungsnetz 301 zuzuführen.
Der Ausgang des Netz-Wechselrichters N-WR kann mit einem Energieübertragungsnetz 301 verbunden sein, wie einem öffentlichen oder privaten Wechselspannungsnetz oder einem Mehr-Phasennetz, um in dieses eine Netz-Einspeisewechselspannung einzuspeisen, und/oder aber auch mit zumindest einem elektrischen Verbraucher 302, welcher eine Last darstellt. Beispielsweise wird ein Verbraucher 302 durch einen Motor, Kühlschrank, Funkgerät usw. gebildet. Ebenso kann der Verbraucher 302 auch eine Hausversorgung darstellen. Bevorzugt dient ein Netz-Wechselrichter N-WR als sogenannter netzgekoppelter Wechselrichter, dessen Energiemanagement daraufhin optimiert ist, möglichst viel Energie in das Energieübertragungsnetz 301 einzuspeisen.
Um in einer wie in Fig.6 beispielhaft gezeigten Anordnung 300 eine Abweichung der vom Gleichspannungswandler 200 ausgegebenen Ausgangs-Gleichspannung UDC von der vorgegebenen Spannungshöhe zu verringern und die Ausgangs-Gleichspannung UDC damit an die vorgegebene Spannungshöhe anzugleichen, kann im Betrieb der Anordnung 300 insbesondere die Ansteuerung des zumindest einen im Wechselrichter WR vorgesehenen Halbleiterschalters im Betrieb angepasst / verändert werden.
Zu diesem Zweck können unter anderem verschiedene aus der Regelungstechnik bekannte Konzepte (z.B. Sliding-Mode-Control, Model-Predictive-Control, flachheitsbasierte Regelstrategien, klassische Konzepte wie PI-Regelung, usw.) eingesetzt werden. Konkret kann dabei mittels eines Vergleichs, insbesondere einer Differenzbildung, der Ausgangs- Gleichspannung UDC als Istwert und der vorgegebenen Spannungshöhe als Sollwert ein Regelfehler ermittelt werden, und anhand des Regelfehlers entsprechend der eingesetzten Regelstrategie die Ansteuerung des Wechselrichters angepasst werden.
Beispielsweise kann die Dauer der im Rahmen einer Pulsweitenmodulation PWM vorgegebenen Ansteuerpulse vergrößert werden, wenn die Ausgangs-Gleichspannung UDC zu klein ist, oder die Dauer der im Rahmen einer Pulsweitenmodulation PWM vorgegebenen Ansteuerpulse kann verkleinert werden, wenn die Ausgangs-Gleichspannung UDC ZU groß ist. Ein derartige Regelstrategie / ein derartiger Regler kann in einer besonders vorteilhaften Weise in der zuvor genannten Steuereinheit im Gleichspannungswandler 200 implementiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) zum Wandeln einer Eingangs- Gleichspannung (Ue.Dc) in eine Ausgangs-Gleichspannung (UDC), umfassend einen Wechselrichter (WR), welcher als Dreiphasen-Wechselrichter ausgeführt ist und welcher ausgestaltet ist, die Eingangs-Gleichspannung (Ue,Dc) in drei Eingangsspannungen (ue) in Form einer Wechselspannung zu wandeln, und einen elektrischen Spannungswandler (100) zum Wandeln der elektrischen Eingangsspannungen (ue) in die elektrische Ausgangs- Gleichspannung (UDC), dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (100) drei Spannungsteilereinheiten (T) aufweist, welche jeweils ausgestaltet sind, je eine der Eingangsspannungen (ue) in je zumindest zwei Teiler- Wechselspannungen (uZ1, uZ2) zu wandeln, dass der Spannungswandler (100) zumindest zwei Gleichrichter (G1 , G2) aufweist, welche ausgestaltet sind, jeweils zumindest eine Teiler- Wechselspannung (uzi, uzz) in eine Gleichrichter-Ausgangsspannung (UGI , UGZ) ZU wandeln, und dass die Ausgänge von zumindest zwei Gleichrichtern (Gi, G2) in Reihe miteinander verschaltet sind, um deren Gleichrichter-Ausgangsspannungen (UGI , UG2) zur Ausgangs-Gleichspannung (UDC) ZU summieren.
2. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilereinheiten (T) in Form eines elektrischen Transformators mit einer Primärseite (I) und einer Sekundärseite (II) ausgeführt sind, wobei die jeweilige Eingangsspannung (ue) jeweils an die Primärseite (I) des Transformators in Form einer elektrischen Wechselspannung anlegbar ist, und dass der Transformator jeweils ausgestaltet ist, die Eingangsspannung (ue) in je zumindest zwei auf der Sekundärseite (II) ausgebbare Teiler-Wechselspannungen (uzi, UZ2) zu wandeln.
3. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite (I) des Transformators zumindest eine Primärwicklung (Li) aufweist, an welche zumindest ein Teil der elektrischen Eingangsspannung (ue) anlegbar ist.
4. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseiten (II) der Transformatoren jeweils eine erste Sekundärwicklung (L21) und jeweils eine zweite Sekundärwicklung (L22) aufweisen, wobei die ersten Sekundärwicklungen (L21) und die zweiten Sekundärwicklungen (L22) ausgestaltet sind, jeweils eine Teiler- Wechselspannung (uzi, UZ2) auszugeben.
5. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ersten Sekundärwicklungen (L21) miteinander in Dreieckschaltung verschaltet sind und dass die jeweils zweiten Sekundärwicklungen (L22) miteinander in Dreieckschaltung verschaltet sind.
6. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Primärwicklung (Li) und zumindest eine Sekundärwicklung (L2) des Transformators um einen gemeinsamen Eisenkern (FE) gewickelt sind.
7. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gleichrichter (G1, G2) in Form eines steuerbaren Gleichrichters ausgeführt ist.
8. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den zumindest zwei im Spannungswandler (100) vorgesehenen Gleichrichtern (G1, G2) je eine Klemmschaltung (Mi, M2) vorgesehen ist, um eine Reduktion einer Schwingneigung von sich im Gleichspannungswandler (200) ausbildenden Resonanzkreisen herbeizuführen.
9. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschaltungen (Mi, M2) durch eine Serienschaltung einer Klemmdiode (DM) und eines Klemmkondensators (CM), welche parallel zu den Zweigen der jeweiligen Gleichrichter (G1, G2) geschaltet ist, und eine Parallelschaltung einer Ausgangsdrossel (LM) und eines Klemmwiderstandes (RM) aufgebaut ist.
10. Elektrischer Gleichspannungswandler (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilereinheiten (T) jeweils ausgestaltet sind, je eine der Eingangsspannungen (ue) in je zumindest zwei Teiler- Wechselspannungen (uZ1, uZ2), die jeweils größer sind als die jeweilige Eingangsspannung (ue), zu wandeln.
11. Anordnung (300) aus einem elektrischen Gleichspannungswandler (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einem Spannungserzeuger (SE) und einem Netz- Wechselrichter (N-WR), dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungserzeuger (SE) ausgestaltet ist, eine Eingangs-Gleichspannung (Ue,Dc) zu erzeugen und diese dem Gleichspannungswandler (200) zum Wandeln in eine Ausgangs-Gleichspannung (UDC) zuzuführen, dass der Gleichspannungswandler (200) ausgestaltet ist, die Eingangs- Gleichspannung (Ue.Dc) in die Ausgangs-Gleichspannung (UDC) ZU wandeln und die Ausgangs-Gleichspannung (UDC) dem Netz-Wechselrichter (N-WR) zum Einspeisen der Ausgangs-Gleichspannung (UDC) in ein Energieübertragungsnetz (301) zuzuführen, und dass der Netz-Wechselrichter (N-WR) ausgestaltet ist, die Ausgangs-Gleichspannung (UDC) in eine Netz-Einspeisewechselspannung zu wandeln und die Netz- Einspeisewechselspannung in das Energieübertragungsnetz (301) einzuspeisen.
12. Anordnung (300) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungserzeuger (SE) in Form einer Brennstoffzelle oder in Form einer PV-Anlage ausgeführt ist.
13. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Gleichspannungswandlers (200) zum Wandeln einer Eingangs-Gleichspannung (Ue,Dc) in eine Ausgangs-Gleichspannung (UDC), dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs-Gleichspannung (Ue,Dc) mittels eines dreiphasigen Wechselrichters (WR) in drei Eingangsspannungen (ue) in Form einer Wechselspannung gewandelt wird, welche mittels eines elektrischen Spannungswandlers (100) in die elektrische Ausgangs-Gleichspannung (UDC) gewandelt werden, dass die drei Eingangsspannungen (ue) im elektrischen Spannungswandler (100) jeweils mittels einer Spannungsteilereinheit (T) in zumindest zwei Teiler- Wechselspannungen (uzi, uzz) gewandelt werden, dass mittels zumindest zwei Gleichrichtern (Gi, G2) je Gleichrichter (G1, G2) zumindest eine Teiler- Wechselspannung (uzi, UZ2) in eine Gleichrichter- Ausgangsspannung (UGI , UG2) gewandelt wird, und dass zumindest zwei Gleichrichter- Ausgangsspannungen (UGI , UG2) zur Ausgangs-Gleichspannung (UDC) summiert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs- Gleichspannung (Ue.Dc) mittels eines Spannungserzeugers (SE) erzeugt wird und dass die Ausgangs-Gleichspannung (UDC) mittels eines Netz-Wechselrichters (N-WR) in eine Netz- Einspeisewechselspannung gewandelt wird.
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