CH712011B1 - Converter for electrically isolated transmission of electrical energy. - Google Patents

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CH712011B1 CH00042/16A CH422016A CH712011B1 CH 712011 B1 CH712011 B1 CH 712011B1 CH 00042/16 A CH00042/16 A CH 00042/16A CH 422016 A CH422016 A CH 422016A CH 712011 B1 CH712011 B1 CH 712011B1
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Abstract

Ein erfindungsgemässer Konverter zur potentialgetrennten Übertragung elektrischer Energie zwischen einem Primärsystem zur einem Sekundärsystem weist auf: eine ungeregelte resonante primärseitige Potentialtrennstufe (1), welche zum Energieaustausch zwischen dem Primärsystem und mindestens einen Zwischenkreis geschaltet ist, und eine sekundärseitige Regel-Konverterstufe (2), welche zum Energieaustausch zwischen dem mindestens einen Zwischenkreis und dem Sekundärsystem (2) geschaltet ist. Dabei ist • die Potentialtrennstufe (1) dazu eingerichtet, eine oder mehrere durch das Primärsystem vorgegebene Primärspannungen potentialgetrennt auf ein, insbesondere niedrigeres, Spannungsniveau des mindestens einen Zwischenkreises zu transformieren und damit am mindestens einen Zwischenkreis eine Zwischenkreisspannung in Form einer Sinusspannung oder einer Betragsinusspannung zu erzeugen, und ist • die Regel-Konverterstufe (2) dazu eingerichtet, eine Zwischenkreisspannung in eine Sekundärspannung umzuformen, wobei die Sekundärspannung eine Gleichspannung oder sinusförmige Wechselspannung ist. Damit kann durch Schaltfrequenz- und Tastverhältnisvariation ein weiches Schalten der Transistoren der Konvertermodule (11) der Potentialtrennstufe (1) sichergestellt werden, und selbsttätig eine symmetrische Aufteilung der Primärspannung auf die Konvertermodule (11) erreicht werden.A converter according to the invention for the electrically isolated transmission of electrical energy between a primary system and a secondary system has: an uncontrolled resonant primary isolation stage (1), which is connected for energy exchange between the primary system and at least one intermediate circuit, and a secondary converter converter stage (2), which for energy exchange between the at least one intermediate circuit and the secondary system (2). The potential separation stage (1) is set up to transform one or more primary voltages specified by the primary system into an, in particular lower, voltage level of the at least one intermediate circuit and thus to generate an intermediate circuit voltage in the form of a sine voltage or an absolute value voltage at the at least one intermediate circuit , and • the regulating converter stage (2) is set up to convert an intermediate circuit voltage into a secondary voltage, the secondary voltage being a direct voltage or sinusoidal alternating voltage. This can be ensured by switching frequency and duty cycle variation smooth switching of the transistors of the converter modules (11) of the electrical isolation stage (1), and a symmetrical distribution of the primary voltage between the converter modules (11) can be achieved automatically.

Description

[0001] Zur netzrückwirkungsarmen potentialgetrennten Speisung von Niederspannungsverbrauchern aus dem Mittel-spannungs-AC-Netz, z.B. dem Einphasen-AC-Bahnnetz, werden in der Literatur Multizellen-Konverterschaltungen vorgeschlagen, siehe die unten erwähnte Dissertation von M. Steiner, wobei jede Konverterzelle eingangsseitig eine Gleichrichterstufe mit Hochsetzstellerfunktion zur sinusförmigen Regelung des Eingangsstroms und zur Erzeugung einer geregelten, hinreichend weit über dem Spitzenwert der Eingangswechselspannung der Konverterzelle liegenden Zellen-Zwischenkreisspannung aufweist und am Ausgang jeder Konverterzelle ein geregelter oder ungeregelter DC/DC-Konverter mit einem mittel- oder hochfrequent betriebenen Transformator zur galvanischen Trennung und einem der Grobanpassung der Zwischenkreisspannung an das Ausgangsspannungsniveau dienenden Windungszahlverhältnis angeordnet ist. Ist ein Gleichspannungsverbraucher zu speisen (im Sinne einer einfachen Erklärung wird in Verbindung mit dem Stand der Technik nachfolgend nur dieser Fall näher betrachtet), kann die Ausgangsspannung des DC/DC-Konverters im Fall eines geregelten Konverters über ein entsprechendes Tastverhältnis der Leistungstransistoren direkt auf die geforderte Lastspannung eingestellt bzw. die Last direkt am Ausgang des DC/DC-Konverters angeordnet werden. Um die hohe Spannung des Mittelspannungsnetzes mit Leistungshalbleitern vergleichsweise geringer Sperrspannungsfestigkeit beherrschen zu können, sind die Zellen eingangsseitig i.A. in Serie und ausgangsseitig parallel verschaltet (eingangsseitig ist dann vorteilhaft für alle Zellen nur eine Hochsetzstellerinduktivität anzuordnen). Hiermit wird vorteilhaft eine Aufteilung der Netzspannung auf die Eingangsstufen und des aufgrund der tieferen Ausgangsspannung typischerweise relativ hohen Laststroms auf die Ausgangsstufen der Konverterzellen erreicht. Weiters wird durch die Serien-Parallelschaltung neben dem Windungszahlverhältnis ein weiterer Schritt in Richtung einer Anpassung des Netz- und Lastspannungsniveaus gesetzt. For low-network potential isolated supply of low voltage consumers from the medium-voltage AC network, e.g. the single-phase AC rail network, multi-cell converter circuits are proposed in the literature, see the dissertation by M. Steiner mentioned below, where each converter cell has a rectifier stage on the input side with a step-up converter function for sinusoidal control of the input current and for generating a regulated, well above the peak value of the input AC voltage of the converter cell lying DC link voltage and at the output of each converter cell a regulated or unregulated DC / DC converter is arranged with a medium or high frequency transformer for electrical isolation and a rough adaptation of the intermediate circuit voltage to the output voltage level serving number ratio. If a DC voltage consumer is to be fed (in the sense of a simple explanation, only this case is considered in more detail below in connection with the prior art), the output voltage of the DC / DC converter in the case of a regulated converter can be directly applied to the via a corresponding duty cycle of the power transistors required load voltage is set or the load is arranged directly at the output of the DC / DC converter. In order to be able to control the high voltage of the medium-voltage network with power semiconductors with comparatively low blocking voltage resistance, the cells are generally on the input side. connected in series and on the output side in parallel (on the input side it is then advantageous to arrange only one boost converter inductance for all cells). This advantageously achieves a distribution of the mains voltage between the input stages and the load current, which is typically relatively high due to the lower output voltage, between the output stages of the converter cells. Furthermore, the series parallel connection, in addition to the number of turns ratio, takes a further step in the direction of adapting the mains and load voltage levels.

[0002] Derartige Systeme weisen allerdings eine relativ hohe Komplexität der Messung und Regelung auf. Neben der Ausgangsspannung und dem Eingangsstrom des Gesamtsystems muss i.A. auch die Zwischenkreisspannung und der Ausgangsstrom jeder Zelle gemessen und geregelt werden, um eine symmetrische Aufteilung des Leistungsflusses auf die einzelnen Zellen sicherzustellen und die Spannungsbelastung der mittelspannungsseitigen Halbleiter und die Strombelastung der niederspannungsseitigen Halbleiter zu definieren. Weiters hat die Taktung der Gleichrichterstufen und Ausgangsstufen vorteilhaft mit gleicher Frequenz und phasenversetzt, d.h. koordiniert, zu erfolgen, um einen minimalen Rippel des Eingangsstroms und der Ausgangsspannung des Gesamtsystems zu erreichen. Such systems, however, have a relatively high complexity of measurement and control. In addition to the output voltage and the input current of the overall system, i.A. the intermediate circuit voltage and the output current of each cell are measured and regulated in order to ensure a symmetrical distribution of the power flow between the individual cells and to define the voltage load on the medium-voltage side semiconductors and the current load on the low-voltage side semiconductors. Furthermore, the timing of the rectifier stages and output stages advantageously has the same frequency and is out of phase, i.e. coordinated to take place in order to achieve a minimal ripple of the input current and the output voltage of the overall system.

[0003] Eine Vereinfachung des vorstehend skizzierten Konzeptes ist einzig bei Verzicht auf eine direkte Regelung der Ausgangsspannung des Gesamtsystems möglich. Als Ausgangsstufen der Zellen werden dann ungeregelte, im Resonanzpunkt betriebene Serienresonanz-DC/DC-Konverter eingesetzt, welche ideal ein festes (lastunabhängiges) Spannungsübersetzungsverhältnis gleich dem Windungszahlverhältnis des Transformators aufweisen. Die aufgrund der ausgangsseitigen Parallelschaltung der Konverterzellen gleiche Ausgangsspannung der Konverter wird dann in entsprechende, für alle Konverterzellen gleiche mittelspannungsseitige Zwischenkreisspannungen abgebildet, womit keine Regelung der Zwischenkreisspannungen erforderlich ist und die Symmetrierung des Leistungsflusses der Zellen einfach durch eine gleiche Aussteuerung der Gleichrichtereingangsstufen der Zellen erreicht werden kann. Der Pegel der Ausgangsspannung des Gesamtsystems ergibt sich dabei aus der Bilanz von netzseitig ausgenommener und lastseitig abgegebener Leistung, d.h. die Lastspannung stellt sich bei gegebenem Lastwiderstand so ein, dass ein lastseitiger Leistungsverbrauch in Höhe der Netzeingangsleistung gegeben ist; damit wird unmittelbar die Möglichkeit der Regelung der Lastspannung deutlich. Ein derartiges System ist z.B. in der erwähnten Dissertation von M. Steiner beschrieben. A simplification of the concept outlined above is only possible if there is no direct control of the output voltage of the overall system. Unregulated series resonance DC / DC converters operated at the resonance point are then used as output stages of the cells, which ideally have a fixed (load-independent) voltage transformation ratio equal to the number of turns of the transformer. The output voltage of the converters, which is the same due to the parallel connection of the converter cells on the output side, is then mapped into corresponding intermediate circuit voltages on the medium voltage side, which are the same for all converter cells, so that no regulation of the intermediate circuit voltages is required and the balancing of the power flow of the cells can be achieved simply by equal control of the rectifier input stages of the cells . The level of the output voltage of the overall system results from the balance of power exited on the network side and output on the load side, i.e. for a given load resistance, the load voltage is set such that there is a load-side power consumption in the amount of the mains input power; this immediately shows the possibility of regulating the load voltage. Such a system is e.g. described in the mentioned dissertation by M. Steiner.

[0004] Allerdings ist zur Übermittlung des die Amplitude des Eingangsstroms (die netzseitige Leistungsaufnahme) bestimmenden Ausgangssignals des Ausgangsspannungsreglers an die Eingangsstromregelung nach wie vor eine Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärseite vorzusehen, wobei hier eine hohe Isolationsspannung zu garantieren ist; weiters ist seitens der Eingangsstromregelung eine Ansteuerung der Gleichrichterstufen der Zellen mit sinusförmiger, phasenversetzter Pulsbreitenmodulation vorzunehmen, welche durch die zwischen den Zellen auftretenden netzfrequenten und schaltfrequenten Potentialdifferenzen erschwert wird. Darüber hinaus ist die hohe Zahl an Leistungskomponenten auf der Mittelspannungsseite bzw. das relativ hohe Bauvolumen der mittelspannungsseitigen Teile der Konverterzellen (es ist ja in jeder Konverterzelle ein Zwischenkreiskondensator mit einer Kapazität derart vorzusehen, dass trotz des mit zweifacher Netzfrequenz pulsierenden eingangsseitigen Leistungsflusses eine näherungsweise konstante Zwischenkreisspannung resultiert) für die praktische Realisierung eines derartigen Systems nachteilig, da in Verbindung mit den einzuhaltenden Isolationsabständen ein hohes Gesamtbauvolumen resultiert. However, to transmit the amplitude of the input current (the line-side power consumption) determining the output signal of the output voltage regulator to the input current control, communication between the primary and secondary side is still to be provided, with a high insulation voltage being guaranteed here; Furthermore, the input current control must control the rectifier stages of the cells with sinusoidal, phase-shifted pulse width modulation, which is made more difficult by the line frequency and switching frequency potential differences occurring between the cells. In addition, the high number of power components on the medium-voltage side and the relatively high volume of the medium-voltage-side parts of the converter cells (there is an intermediate circuit capacitor with a capacity in each converter cell such that, despite the input-side power flow pulsating at twice the mains frequency, an approximately constant intermediate circuit voltage results) disadvantageous for the practical implementation of such a system, since in connection with the insulation distances to be maintained a high overall volume results.

[0005] Als weiterer allgemeiner Nachteil ist die Anhebung der Eingangsspannung durch die Hochsetzstellerfunktion der Gleichrichterstufe zu nennen; die Summe der Zwischenkreisspannungen der Zellen liegt damit typischerweise 20% über der Amplitude der Netzspannung, womit eine höhere Zahl von Zellen (bzw. allgemein eine höhere totale Sperrspannung der in Serie wirksamen Leistungshalbleiter) zur Beherrschung einer gegebenen Spannung des Mittelspannungsnetzes erforderlich ist. Another general disadvantage is the increase in the input voltage by the step-up function of the rectifier stage; the sum of the intermediate circuit voltages of the cells is therefore typically 20% above the amplitude of the mains voltage, which means that a higher number of cells (or generally a higher total reverse voltage of the series-active power semiconductors) is required to control a given voltage of the medium-voltage network.

[0006] Ein hinsichtlich Spannungsbelastung und Komplexität vorteilhaftes alternatives Stromrichterkonzept kann durch Vertauschung der Teilfunktionen des vorstehend beschriebenen Systems, d.h. durch eingangsseitige Anordnung einer ungeregelten Potentialtrennstufe und einer darauffolgenden sekundär- bzw. niederspannungsseitigen Regel-Konverterstufe, welche einerseits der Potentialtrennstufe einen Strom derart entnimmt, dass netzseitig ein sinusförmiger Eingangsstrom resultiert und andererseits die Ausgangsspannung des Systems lastunabhängig auf einem konstanten Wert hält, realisiert werden. Damit werden vorteilhaft sämtliche Regelfunktionen und ein Grossteil der Baugruppen des Leistungsteils auf der Niederspannungsseite angeordnet, bzw. wird die Baugrösse des mittelspannungsseitigen Teils minimiert, da dort nur die Primärseite der Potentialtrennstufe verbleibt. An alternative converter concept which is advantageous with regard to voltage loading and complexity can be achieved by interchanging the partial functions of the system described above, i.e. By arranging an unregulated potential isolation stage on the input side and a subsequent secondary or low-voltage control converter stage, which on the one hand draws a current from the potential isolation stage in such a way that a sinusoidal input current results on the network side and on the other hand keeps the system output voltage at a constant value regardless of the load. All control functions and a large part of the modules of the power section are thus advantageously arranged on the low-voltage side, or the size of the medium-voltage side part is minimized, since only the primary side of the electrical isolation stage remains there.

[0007] Ein derartiges System wurde in der Grundform in der unten erwähnten Publikation von H. Weiss vorgestellt. Die Eingangs-AC-Spannung (Netzspannung) wird dort durch eine eingangsseitige Diodenbrücke ohne Glättung gleichgerichtet. Die Eingangsstufe des potentialtrennenden Konverters erzeugt aus der so resultierenden Betragsinusspannung (im Folgenden als «|AC|-Spannung» bezeichnet) eine schaltfrequente symmetrische Rechteckwechselspannung mit vollem Tastverhältnis (keine Regelung) und einer entsprechend der Betragsinsusspannung variierenden Amplitude, welche an die Primärwicklung eines Transformators gelegt wird und entsprechend dessen Windungszahlverhältnis skaliert an der Sekundärwicklung auftritt. Sekundärseitig werden die Spannungspulse durch eine Ausgangsstufe, d.h. einen weiteren Brückengleichrichter ohne Glättung, gleichgerichtet und so wieder in eine kontinuierliche Betragsinusspannung zurückverwandelt. Der potentialtrennende Konverter weist also eigentlich die Funktion eines |AC|/|AC|-Konverters auf; nachfolgend wird daher für den potentialtrennenden Konverter diese (bisher in der Literatur allerdings nicht übliche) Bezeichnung verwendet. Dem Ausgang des |AC|/|AC|-Konverters wird nun durch eine Regel-Konverterstufe, ausgeführt als |AC|/DC-Hochsetzstellerstufe, ein in Phase zur |AC|-Spannung liegender |AC|-Strom entnommen, welcher sich aufgrund der fehlenden Glättungselemente über den Transformator des |AC|/|AC|-Konverters direkt an den Eingang der eingangsseitigen Diodenbrücke überträgt und letztlich in einem vorteilhaft spannungsproportionalen Verlauf des Netzstroms resultiert. Andererseits wird durch die |AC|/DC-Hochsetzstellerstufe Leistung an den Ausgang des Systems geliefert und so die DC-Spannung des Ausgangskondensators auf einen konstanten Wert gehalten, d.h. der mittlere Leistungsfluss an den Ausgang durch entsprechende Wahl der Amplitude des |AC|-Stroms stets so eingestellt, dass der Leistungsbedarf der Last bei einer gewünschten Spannung genau gedeckt wird. Such a system was presented in the basic form in the publication by H. Weiss mentioned below. The input AC voltage (mains voltage) is rectified there by a diode bridge on the input side without smoothing. The input stage of the potential-isolating converter generates a switching-frequency symmetrical square-wave AC voltage with full duty cycle (no regulation) and an amplitude that varies according to the absolute value voltage, which is applied to the primary winding of a transformer, from the resulting absolute value voltage (hereinafter referred to as «| AC | voltage») is and occurs according to the number of turns ratio scaled occurs on the secondary winding. On the secondary side, the voltage pulses are generated by an output stage, i.e. another bridge rectifier without smoothing, rectified and thus converted back into a continuous absolute value voltage. The potential-isolating converter therefore actually has the function of an | AC | / | AC | converter; In the following, this designation is therefore used for the potential-isolating converter (but not previously used in the literature). A | AC | / | | AC | converter now extracts a | AC | current which is in phase with the | AC | voltage and which is due to a control converter stage, which is designed as an | AC | / DC step-up converter stage the missing smoothing elements via the transformer of the | AC | / | AC | converter directly to the input of the input-side diode bridge and ultimately results in an advantageously voltage-proportional profile of the mains current. On the other hand, the | AC | / DC step-up converter delivers power to the output of the system and thus keeps the DC voltage of the output capacitor at a constant value, i.e. the mean power flow to the output is always set by selecting the amplitude of the | AC | current in such a way that the power requirement of the load is exactly covered at a desired voltage.

[0008] In der unten erwähnten Publikation von P. Dràbek et al. wird das vorgehend beschriebene Konzept mit dem Ziel eines Einsatzes bei Mittelspannung auf eine primärseitige Serienschaltung mehrerer Konverterstufen erweitert, wobei alle Primärwicklungen auf einem gemeinsamen Magnetkern angeordnet sind, welcher auch die für alle Primärwicklungen gemeinsame Sekundärwicklung trägt. Für die Primärseite der Potentialtrennstufen findet dabei eine direkte Matrixkonverterschaltung Einsatz, welche die eingangsseitig anliegende netzfrequente AC-Spannung ohne vorgängige Gleichrichtung in eine |AC|-Spannung direkt in eine schaltfrequente Rechteckwechselspannung mit wieder gemäss einem |AC|-Verlauf variierender Amplitude verwandelt. (Mit Bezug auf diese Realisierung ist die oben beschriebene Realisierung (Literatur (Weiss)) als indirekter Matrixkonverter zu sehen, für welchen eine Trennung der Gleichrichterfunktion (Umsetzung der AC-Spannung in eine |AC|-Spannung) und der anschliessenden Umsetzung der |AC|-Spannung in eine schaltfrequente Rechteckwechselspannung vorliegt.) Sekundärseitig wird die amplitudenmodulierte Rechteckwechselspannung an den Eingang einer aktiven Vollbrückengleichrichterschaltung (gebildet aus zwei Brückenzweigen mit Transistoren und zu diesen antiparallel liegenden Dioden) geführt, welche die Funktion der Gleichrichtung und der Hochsetzstellerstufe integriert und einerseits der Sekundärwicklung einen spannungsproportionalen, d.h. schaltfrequenten amplitudenmodulierten Rechteckstrom entnimmt und andererseits an ihrem Ausgang eine definierte, durch einen Ausgangskondensator gestützte DC-Spannung zur Speisung der Last erzeugt. Alternativ könnten hier, wie in der unten erwähnten Publikation von B. Hafez et al. beschrieben, wieder eine Auftrennung der Funktionen in eine Gleichrichter- und eine Hochsetzstellerstufe erfolgen, wobei dann sekundärseitig eine gegenüber der Publikation von H. Weiss gleiche Schaltungsstruktur und gleiche Signalverläufe vorliegen (siehe oben; die Potentialtrennstufe ist dann als AC/|AC|- und die Hochsetzstellerstufe als |AC|/DC-Konverter zu bezeichnen). In the below-mentioned publication by P. Dràbek et al. The concept described above is expanded with the aim of using it at medium voltage to a primary-side series connection of several converter stages, all primary windings being arranged on a common magnetic core which also carries the secondary winding common to all primary windings. A direct matrix converter circuit is used for the primary side of the potential isolation stages, which converts the line-frequency AC voltage on the input side without prior rectification into an | AC | voltage into a switching-frequency square-wave AC voltage with an amplitude that varies according to an | AC | curve. (With reference to this implementation, the implementation described above (literature (Weiss)) can be seen as an indirect matrix converter, for which a separation of the rectifier function (conversion of the AC voltage into a | AC | voltage) and the subsequent conversion of the | AC Voltage into a switching-frequency square-wave AC voltage.) On the secondary side, the amplitude-modulated square-wave AC voltage is led to the input of an active full-bridge rectifier circuit (formed from two bridge branches with transistors and to these antiparallel diodes), which integrates the function of the rectification and the step-up converter and, on the one hand, the secondary winding a voltage proportional, ie takes switching frequency amplitude-modulated square wave current and on the other hand generates a defined DC voltage supported by an output capacitor at its output for supplying the load. Alternatively, as described in the publication by B. Hafez et al. described, again the functions are separated into a rectifier and a step-up converter stage, the circuit structure and signal waveforms being the same on the secondary side compared to the publication by H. Weiss (see above; the potential isolation stage is then AC / | AC | - and the Step-up converter stage to be referred to as | AC | / DC converter).

[0009] Unabhängig von der konkreten Realisierung (gemäss Dràbek oder Hafez et al.) wird durch die Anordnung der Primärwicklungen auf demselben Eisenkern ideal (unter Annahme idealer Kopplung) für alle Wicklungen eine gleiche induzierte Spannung und damit vorteilhaft eine symmetrische Aufteilung der Netzspannung auf die primärseitigen Konverterstufen sichergestellt. Allerdings wird diese Symmetrierung real durch die nichtideale Kopplung der Primärwicklungen und auch durch die zufolge der hohen Isolationsanforderung zwischen den Primärwicklungen und der Sekundärwicklung vorliegenden Streuinduktivitäten, welche abhängig von der geometrischen Anordnung der Wicklungen i.A. unterschiedliche Werte aufweisen, behindert. Als weiterer Nachteil ist die aufgrund des gemeinsamen Magnetkerns fehlende volle Modularität des Systems zu nennen, welche die konstruktive Gestaltung erschwert und hinsichtlich Redundanz deutliche Nachteile aufweist, da ein Fehler einer Konverterstufe durch die magnetische Kopplung der Wicklungen aller Stufen direkt zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Gesamtsystems führt bzw. gegenüber einem voll modularen System kein einfacher Austausch eines Moduls möglich ist. Darüber hinaus steht auch die Eignung des Konzeptes für hohe Schaltfrequenzen in Frage, da keine Massnahmen zur Minimierung der Schaltverluste der Leistungshalbleiter der Potentialtrennstufe beschrieben werden. Regardless of the specific implementation (according to Dràbek or Hafez et al.), The arrangement of the primary windings on the same iron core is ideal (assuming ideal coupling) for all windings the same induced voltage and thus advantageously a symmetrical distribution of the mains voltage to the primary converter stages ensured. However, this symmetry becomes real due to the non-ideal coupling of the primary windings and also due to the leakage inductances present between the primary windings and the secondary winding due to the high insulation requirement, which generally depends on the geometric arrangement of the windings. have different values. Another disadvantage is the lack of full modularity of the system due to the common magnetic core, which complicates the structural design and has significant disadvantages in terms of redundancy, since a fault in a converter stage due to the magnetic coupling of the windings of all stages directly impairs the function of the overall system leads or a simple exchange of a module is not possible compared to a fully modular system. In addition, the suitability of the concept for high switching frequencies is also in question, since no measures are described to minimize the switching losses of the power semiconductors of the potential isolation stage.

Literatur zum Stand der TechnikState of the art literature

[0010] M. Steiner, «Seriegeschaltete Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter in Traktionsanwendungen am Wechselspannungsfahrdraht», PhD Dissertation, ETH Zürich, Switzerland, 2000. M. Steiner, "Series-connected DC link converter in traction applications on AC contact wire", PhD dissertation, ETH Zurich, Switzerland, 2000.

[0011] H. Weiss, «Elimination of the 162/3 Hz 15 kV main transformer on electrical traction vehicles», in Proc. 1st Europ. Power Electronics and Applications Conf. (EPE), Brussels, Belgium, Nov. 1985. H. Weiss, "Elimination of the 162/3 Hz 15 kV main transformer on electrical traction vehicles", in Proc. 1st Europ. Power Electronics and Applications Conf. (EPE), Brussels, Belgium, Nov. 1985.

[0012] P. Dràbek, Z. Peroutka, M. Pittermann, and M. Cédl, «New configuration of traction converter with medium-frequency transformer using matrix converters», IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 11, pp. 5041–5048, Nov. 2011. P. Dràbek, Z. Peroutka, M. Pittermann, and M. Cédl, "New configuration of traction converter with medium-frequency transformer using matrix converters", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 58, no. 11, pp. 5041-5048, Nov. 2011.

[0013] B. Hafez, H. S. Krishnamoorthy, P. Enjeti, S. Ahmed, and I. J. Pitel, «Medium voltage power distribution architecture with medium frequency isolation transformer for data centers», in Proc. 29th Annu. IEEE Applied Power Electronics Conf. and Expo. (APEC), Fort Worth, TX, USA, Mar. 2014. B. Hafez, H.S. Krishnamoorthy, P. Enjeti, S. Ahmed, and I. J. Pitel, "Medium voltage power distribution architecture with medium frequency isolation transformer for data centers", in Proc. 29th Annu. IEEE Applied Power Electronics Conf. and Expo. (APEC), Fort Worth, TX, USA, Mar. 2014.

[0014] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein potentialgetrenntes Konvertersystem von reduzierter Komplexität zu schaffen. Dieses kann eine oder vorzugsweise mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: weitgehende Modularität, Mittelspannungseingang und geringe Komplexität des Leistungsteils auf der Mittelspannungsseite, d.h. eine geringe oder minimale Zahl von Leistungshalbleitern und Filterelementen, geringe oder minimale Zahl von Konverterzellen, selbsttätige Symmetrierung der Aufteilung der Eingangsspannung auf die Eingänge der Konverterzellen, netzspannungsproportionaler Verlauf des Eingangs- bzw. Netzstroms, d.h. ohmsches Netzverhalten, geregelte Ausgangsspannung des Gesamtsystems und ein weiches Schalten aller Konverterzellen der Potentialtrennstufe. The object of the present invention is therefore to create a floating converter system of reduced complexity. This can have one or preferably several of the following properties: extensive modularity, medium-voltage input and low complexity of the power section on the medium-voltage side, i.e. a small or minimal number of power semiconductors and filter elements, small or minimal number of converter cells, automatic symmetrization of the distribution of the input voltage to the inputs of the converter cells, curve of the input or mains current proportional to the mains voltage, i.e. ohmic network behavior, regulated output voltage of the entire system and a smooth switching of all converter cells of the potential isolation stage.

[0015] Um breite Anwendbarkeit zu gewährleisten, soll das Grundkonzept des Gesamtsystems sowohl für eine Umformung einer Einphasen- als auch einer Dreiphasen-AC-Netzspannung in eine potentialgetrennte geregelte DC-Ausgangsspannung des Gesamtsystems (dies beinhaltet auch den Fall Frequenz = 0, d.h. die Umformung einer DC-Netzspannung in eine potentialgetrennte geregelte DC-Lastspannung) bzw. einer Einphasen-AC-Netzspannung als auch einer Dreiphasen-AC-Netzspannung in eine potentialgetrennte geregelte Einphasen-AC- bzw. Dreiphasen-AC-Lastspannung ausgestaltbar sein. In order to ensure broad applicability, the basic concept of the overall system is intended both for the conversion of a single-phase and a three-phase AC mains voltage into a floating, regulated DC output voltage of the overall system (this also includes the case frequency = 0, ie the Conversion of a DC mains voltage into a potential-separated regulated DC load voltage) or a single-phase AC mains voltage as well as a three-phase AC mains voltage into a potential-separated regulated single-phase AC or three-phase AC load voltage.

[0016] Die Aufgabe wird gelöst durch einen Konverter gemäss den Patentansprüchen. [0016] The object is achieved by a converter according to the patent claims.

[0017] Insbesondere liegt ein Konverter zur potentialgetrennten Übertragung elektrischer Energie zwischen einem Primärsystem zu einem Sekundärsystem vor, aufweisend eine primärseitige Potentialtrennstufe, welche zum Energieaustausch zwischen dem Primärsystem und dem mindestens einen Zwischenkreis geschaltet ist, und eine sekundärseitige Regel-Konverterstufe, welche zum Energieaustausch zwischen dem mindestens einen Zwischenkreis und dem Sekundärsystem geschaltet ist, <tb>•<SEP>wobei die Potentialtrennstufe dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere durch das Primärsystem vorgegebene Primärspannungen potentialgetrennt auf ein, insbesondere niedrigeres, Spannungsniveau des mindestens einen Zwischenkreises zu transformieren und damit am mindestens einen Zwischenkreis eine Zwischenkreisspannung in Form einer Sinusspannung oder einer Betragsinusspannung zu erzeugen, und <tb>•<SEP>die Regel-Konverterstufe dazu eingerichtet ist, eine Zwischenkreisspannung in eine Sekundärspannung umzuformen, wobei die Sekundärspannung eine Gleichspannung sinusförmige Wechselspannung ist.In particular, there is a converter for electrically isolated transmission of electrical energy between a primary system and a secondary system, comprising a primary-side potential isolation stage, which is connected for energy exchange between the primary system and the at least one intermediate circuit, and a secondary-side control converter stage, which for energy exchange between the at least one intermediate circuit and the secondary system are connected, <tb> • <SEP> where the potential isolation stage is set up to transform one or more primary voltages specified by the primary system into a, in particular lower, voltage level of the at least one intermediate circuit and thus an intermediate circuit voltage in the form of a sinusoidal voltage or a Generate absolute value voltage, and <tb> • <SEP> the regulating converter stage is set up to convert an intermediate circuit voltage into a secondary voltage, the secondary voltage being a direct voltage sinusoidal alternating voltage.

[0018] Damit kann durch Schaltfrequenz- und Tastverhältnisvariation ein weiches Schalten der Transistoren der Konvertermodule der Potentialtrennstufe sichergestellt werden, und selbsttätig eine symmetrische Aufteilung der Primärspannung auf die Konvertermodule erreicht werden. This can be ensured by switching frequency and duty cycle variation, a smooth switching of the transistors of the converter modules of the electrical isolation stage, and a symmetrical distribution of the primary voltage can be achieved automatically on the converter modules.

[0019] Es kann generell die Potentialtrennstufe durch primärseitig in Serie geschaltete Konvertermodule in Form von im Resonanzpunkt betriebenen Serienresonanzkonvertern mit Potentialtrennung realisiert sein, welche die eingangsseitig über eine Vorschalt- bzw. Filterinduktivität anliegende AC-Spannung – die Filterinduktivität dient der Filterung schaltfrequenter Vorgänge und weist bei Netzfrequenz eine vernachlässigbare Impedanz auf, die Netzspannung ist also diesbezüglich als direkt an der Serienschaltung der Konvertermodule liegend zu sehen – mit einem direkt durch das Windungszahlverhältnis definiertem Übersetzungsverhältnis (lastunabhängig) in eine glatte |AC|-Sekundärspannung oder glatte AC-Sekundärspannung umformen, d.h. die Funktion eines potentialgetrennten AC/|AC|- oder AC/AC-Konverters aufweisen. Die Ausgänge der zur weitestgehenden Minimierung von durch die Taktung bedingten hochfrequenten Spektralanteilen des resultierenden Netzstroms vorteilhaft phasenversetzt getakteten, Konvertermodule werden dann im einfachsten Fall direkt parallel geschaltet (siehe Fig. 1 (a)) und dem so gebildeten niederspannungsseitigen |AC|- oder AC-Zwischenkreis mittels einer Regel-Konverterstufe im Mittel über eine Schaltperiode ein der |AC|- oder AC-Zwischenkreisspannung proportionaler, d.h. Betragsinusstrom (|AC|-Strom) oder sinusförmiger Strom (AC-Strom), entnommen, wobei die Amplitude des Stroms derart gewählt wird, dass der Leistungsbedarf einer am Ausgang der Regel-Konverterstufe angeschlossenen Last genau gedeckt wird bzw. an der Last eine definierte DC- oder AC-Spannung auftritt. Alternativ kann, wie in Fig.  1 (b) gezeigt, die Regel-Konverterstufe auch für jedes Konvertermodul getrennt angeordnet werden, womit am Ausgang jedes Konvertermoduls eine AC- oder |AC|-Zwischenkreisspannung vorliegt, welcher durch die nachgeordnete Regel-Konverterstufe ein Strom derart entnommen wird, dass jede Regel-Konverterstufe einerseits einen gleichen Beitrag zur Deckung des Leistungsbedarfs der Last bzw. zur Einprägung der Lastspannung leistet und andererseits eine stabile und gleiche Aufteilung der Netzspannung auf die Eingänge der Konvertermodule der Potentialtrennstufe sichergestellt wird, was beides vorteilhaft dadurch erreicht werden kann, dass die Regel-Konverterstufen einen für alle Konvertermodule gleichen Ersatzeingangswiderstand emulieren. In general, the potential isolation stage can be implemented by converter modules connected in series on the primary side in the form of series resonance converters with potential separation operated at the resonance point, which isolate the AC voltage present on the input side via a ballast or filter inductance - the filter inductance is used to filter switching frequency processes negligible impedance at mains frequency, the mains voltage can therefore be seen as being directly connected to the series connection of the converter modules - with a transformation ratio defined directly by the number of turns ratio (load-independent) into a smooth | AC | secondary voltage or smooth AC secondary voltage, i.e. transform have the function of a floating AC / | AC | or AC / AC converter. The outputs of the converter modules, which are advantageously phase-shifted to minimize the high-frequency spectral components of the resulting mains current caused by the clocking, are then directly connected in parallel in the simplest case (see FIG. 1 (a)) and the low-voltage | AC | - or AC- DC link by means of a control converter stage on average over a switching period proportional to the | AC | or AC DC link voltage, ie Magnitude sine current (| AC | current) or sinusoidal current (AC current), taken, the amplitude of the current being selected such that the power requirement of a load connected to the output of the regulating converter stage is exactly covered or a defined one at the load DC or AC voltage occurs. Alternatively, as shown in Fig. 1 (b), the control converter stage can also be arranged separately for each converter module, which means that an AC or | AC | intermediate circuit voltage is present at the output of each converter module, which current flows through the downstream control converter stage is taken in such a way that each control converter stage makes an equal contribution to covering the power requirement of the load or to impressing the load voltage on the one hand, and on the other hand ensures a stable and equal distribution of the mains voltage to the inputs of the converter modules of the potential isolation stage, which advantageously achieves both can be that the control converter stages emulate a replacement input resistor that is the same for all converter modules.

[0020] Wenn die Potentialtrennstufe mindestens zwei Konvertermodule aufweist und diese phasenversetzt getaktet werden, kann darauf verzichtet werden, die Konvertermodule mit individuellen, also jeweils einem Konvertermodul zugeordneten, Filterelementen auszurüsten. Solche nicht mehr notwendigen Filterelemente sind Kapazitäten und Induktivitäten zur Glättung von schaltfrequenten (also hochfrequenten) Strömen zum Primärsystem. If the electrical isolation stage has at least two converter modules and these are clocked out of phase, it is not necessary to equip the converter modules with individual filter elements, that is to say each associated with a converter module. Such filter elements, which are no longer necessary, are capacitors and inductors for smoothing switching-frequency (i.e. high-frequency) currents to the primary system.

[0021] Die serienresonante Potentialtrennstufe kann ungeregelt und vorteilhaft mit hohem Tastverhältnis betrieben werden, womit an der Trafoprimärwicklung ideal symmetrische Rechteckspannungen mit der durch die Zahl der Module geteilten Netzspannung bzw. gleichgerichteten Netzspannung als Einhüllenden auftreten. Vorteilhaft ist grundsätzlich keine steuerungstechnische Kopplung der Potentialtrennstufe und der nachfolgenden Regel-Konverterstufe erforderlich. Die Potentialtrennstufe arbeitet also im einfachsten Fall autonom, womit eine geringe Komplexität der Regelung und hohe Robustheit des Gesamtsystems (Autarkie der Teilfunktionen) gegeben ist. Um die Strombelastung der niederspannungsseitigen Zwischenkreiskapazität (Fig. 1 (a)) oder Zwischenkreiskapazitäten (Fig. 1 (b)) zu minimieren, ist allerdings eine Synchronisation und phasenversetzte Taktung der Konvertermodule der Potentialtrennstufe bzw. der einzelnen Regel-Konverterstufen (Fig. 1 (b)) untereinander und auch der Potentialtrennstufe gegenüber der nachfolgenden Regel-Konverterstufe bzw. Regel-Konverterstufen vorteilhaft. Bei der Schaltung nach Fig. 1 (b) wird hiermit auch die Strombelastung des die Ausgangsspannung des Gesamtsystems stützenden Kondensators bzw. der zufolge der Taktung auftretende hochfrequente Rippel der Ausgangsspannung minimiert. The series-resonant electrical isolation stage can be operated unregulated and advantageously with a high duty cycle, which means that ideal symmetrical square-wave voltages with the line voltage divided by the number of modules or rectified line voltage occur as envelopes on the primary transformer winding. In principle, no control-technical coupling of the potential isolation stage and the subsequent regulating converter stage is advantageously required. In the simplest case, the electrical isolation stage works autonomously, which results in a low level of control complexity and high robustness of the overall system (self-sufficiency of the sub-functions). In order to minimize the current load on the low-voltage side DC link capacitance (Fig. 1 (a)) or DC link capacitance (Fig. 1 (b)), however, synchronization and phase-shifted timing of the converter modules of the potential isolation stage or the individual control converter stages (Fig. 1 ( b)) advantageous with respect to each other and also the electrical isolation stage compared to the subsequent control converter stage or control converter stages. In the circuit according to FIG. 1 (b), the current load of the capacitor supporting the output voltage of the overall system or the high-frequency ripple of the output voltage occurring as a result of the clocking is also minimized.

[0022] Allgemein ist darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemässe Konzept bei entsprechender Ausführung der Potentialtrennstufe und Regel-Konverterstufe sowohl für einen Leistungstransfer von der Mittelspannungs- auf die Niederspannungs- wie auch für die inverse Leistungsflussrichtung, d.h. einen Transfer von Leistung von der Niederspannungs- auf die Mittelspannungsseite, geeignet ist. Für den Fall einer AC/DC-Konverterfunktion des Gesamtsystems ist also sowohl Gleich- als auch Wechselrichterbetrieb möglich. In general, it should be pointed out that the concept according to the invention, when the potential isolation stage and control converter stage are designed appropriately, both for a power transfer from the medium-voltage to the low-voltage as well as for the inverse direction of power flow, i.e. a transfer of power from the low voltage to the medium voltage side is suitable. In the case of an AC / DC converter function of the overall system, both rectifier and inverter operation are possible.

[0023] Mit Blick auf eine praktische Realisierung ist schliesslich als weiterer Vorteil des Konzeptes hervorzuheben, dass nur am Ausgang des Gesamtsystems ein Pufferkondensator (Pufferung der Lastspannung) nennenswerter Kapazität anzuordnen ist, d.h. es ist im Gegensatz zu einer konventionellen Ausführung auf Ebene der Konvertermodule keine Pufferung des Leistungsflusses in einem primärseitigen Zwischenkreis (siehe Abschnitt Stand der Technik) vorzunehmen. Der Pufferkondensator steht so auch direkt für die Pufferung von Lastsprüngen oder eines pulsförmigen Laststromverlaufs, welcher eine entsprechende Strombelastung der Ausgangskapazität zur Folge hat (welche z.B. für Elektrolytkondensatoren nur für entsprechend hohe Kapazitätswerte gegeben ist) zur Verfügung. Liegt ein glatter Lastromverlauf und eine Speisung einer nachfolgend erklärten dreiphasigen Ausführung des Systems aus dem Dreiphasen-Mittelspannungsnetz vor, kann der Ausgangskondensator aufgrund des dann zeitlich konstanten Momentanleistungsverlaufs theoretisch sogar gänzlich entfallen bzw. praktisch mit nur kleinem Kapazitätswert ausgeführt werden. Finally, with a view to a practical implementation, it should be emphasized as a further advantage of the concept that a buffer capacitor (buffering the load voltage) of significant capacitance can only be arranged at the output of the overall system, i.e. In contrast to a conventional version at the converter module level, there is no need to buffer the power flow in an intermediate circuit on the primary side (see section on the prior art). The buffer capacitor is thus also directly available for buffering load jumps or a pulsed load current profile, which results in a corresponding current load on the output capacitance (which, for example, is only available for electrolytic capacitors for correspondingly high capacitance values). If there is a smooth load current curve and a supply of a three-phase medium-voltage network system explained below, the output capacitor can theoretically even be omitted entirely or can be implemented practically with only a small capacitance value due to the then constant instantaneous power curve.

[0024] Hinsichtlich des Betriebsverhaltens stellt der Betrieb der Serienresonanzkonverter der Konvertermodule der Potentialtrennstufe im Resonanzpunkt einen Hauptvorteil des erfindungsgemässen Systems dar. Durch den resonanten Betrieb wird die Streuinduktivität der Transformatoren kompensiert, womit zwischen Primär- und Sekundärseite ideal keine Serienimpedanz vorliegt, d.h. eine sehr direkte Kopplung beider Seiten hinsichtlich Strom- und Spannungsübersetzung bzw. Dynamik des Leistungstransfers gegeben ist. Die Eingangsspannungen der Potentialtrennstufen sind also für eine Ausführung nach Fig. 1 (a) sämtlich direkt an dieselbe Sekundärspannung gekoppelt und weisen damit ideal denselben Wert (gleiches Windungszahlverhältnis der Transformatoren aller Module) in Höhe der durch die Zahl der Module dividierten Eingangsspannung auf, es ist also hinsichtlich Eingansspannungsaufteilung auf die Eingänge der Konvertermodule eine ideale Symmetrierung gegeben. Gleiches gilt auch für das Konzept nach Fig. 1 (b) unter Voraussetzung der vorstehend erwähnten Emulation eines gleichen Eingangswiderstandes am Eingang der Regel-Konverterstufen, da diese Widerstände dann an die Primärseite übersetzt werden und wieder für eine symmetrische Aufteilung der Eingangsspannung sorgen. Weiters wird auch der Strom- bzw. Leistungsfluss symmetrisch auf die Module verteilt, da der Eingangsstrom in Serie durch alle Konvertermodule fliesst und sich direkt in Sekundärströme der Module abbildet, welche mit den für die Konvertermodule gleichen Spannungen gleiche Leistungen bilden. With regard to the operating behavior, the operation of the series resonance converter of the converter modules of the potential isolation stage at the resonance point represents a main advantage of the system according to the invention. The resonant operation compensates for the leakage inductance of the transformers, which means that there is ideally no series impedance between the primary and secondary side, i.e. there is a very direct coupling of both sides with regard to current and voltage translation or dynamics of the power transfer. For an embodiment according to FIG. 1 (a), the input voltages of the potential isolation stages are all directly coupled to the same secondary voltage and thus ideally have the same value (same number of turns ratio of the transformers of all modules) in the amount of the input voltage divided by the number of modules, it is This means that there is ideal symmetrization with regard to the input voltage distribution to the inputs of the converter modules. The same also applies to the concept according to FIG. 1 (b), assuming the above-mentioned emulation of the same input resistance at the input of the control converter stages, since these resistors are then translated to the primary side and again ensure a symmetrical distribution of the input voltage. Furthermore, the current or power flow is distributed symmetrically to the modules, since the input current flows through all converter modules in series and is directly reflected in the module's secondary currents, which form the same power with the same voltages for the converter modules.

[0025] Weiters wird durch die Serienkapazitäten des Serien-Resonanzkonverters vorteilhaft eine parasitäre, z.B. durch unterschiedliche Schaltzeiten der Konverterschaltstufen verursachte Gleichspannungskomponente der Trafoprimär- oder Sekundärspannung aufgenommen und so eine Sättigung des Transformators sicher verhindert. Gleiches gilt sinngemäss für eine, nachfolgend beschriebene (vgl. Fig. 4 ), Ausführung einer oder beider Seiten des Serien-Resonanzkonverters in Halbbrückenschaltung, wobei pro Seite zwei Resonanzkondensatoren jeweils als kapazitive Spannungsteiler geschaltet den zweiten Brückenzweig bilden. Furthermore, due to the series capacities of the series resonance converter, a parasitic, e.g. DC component of the transformer primary or secondary voltage caused by different switching times of the converter switching stages is absorbed and thus reliably prevents saturation of the transformer. The same applies mutatis mutandis to one embodiment, described below (cf. FIG. 4), of executing one or both sides of the series resonance converter in a half-bridge circuit, with two resonance capacitors, each connected as a capacitive voltage divider, forming the second bridge branch.

[0026] Schliesslich bietet der Betrieb bei Resonanzfrequenz den Vorteil eines aus Sinushalbschwingungen zusammengesetzten Primär- bzw. Sekundärstromverlaufs, womit nur der relativ kleine Trafomagnetisierungsstrom aktiv zu schalten ist. Spannungsloses bzw. weiches Schalten kann dann relativ einfach durch Schalten knapp vor dem Punkt, an dem die Sinushalbschwingung wieder den Wert Null erreicht (bzw. auf den Magnetisierungsstrom zurückgeht), sichergestellt werden. Alternativ ist auch ein Übergang in einen diskontinuierlichen Betrieb möglich, wo nach jeder Sinusstromhalbschwingung eine Wartezeit mit nach wie vor anliegender Primärspannung eingefügt wird. (Anmerkung: Für Gleichrichterbetrieb wird bei anliegender Primärspannung durch die Dioden der Ausgangsstufe eines Konvertermoduls eine Umkehr der Richtung des Sekundärstroms verhindert). Finally, operation at resonance frequency offers the advantage of a primary or secondary current curve composed of half-sine oscillations, with which only the relatively small transformer magnetization current can be switched actively. De-energized or soft switching can then be ensured relatively simply by switching just before the point at which the half-sine wave reaches zero again (or returns to the magnetizing current). As an alternative, a transition to discontinuous operation is also possible, where a waiting time with the primary voltage still present is inserted after each sine current half-oscillation. (Note: For rectifier operation, when the primary voltage is applied, the diodes of the output stage of a converter module prevent the direction of the secondary current from being reversed).

[0027] Der Konverter kann mit nur einer einzelnen, gemeinsamen Diodenbrücke für alle Konvertermodule (11) der Potentialtrennstufe realisiert sein. Dabei kann diese einzelne Diodenbrücke als nur netzfrequent zu taktender aktiver Gleichrichter realisiert sein, z.B. bestehend mit Hochspannungs-SiC-FETs als Schaltern. The converter can be realized with only a single, common diode bridge for all converter modules (11) of the electrical isolation stage. This single diode bridge can be implemented as an active rectifier that is only clocked at the mains frequency, e.g. consisting of high-voltage SiC-FETs as switches.

[0028] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Diese zeigen: <tb>Fig. 1 :<SEP>Ausführungsformen eines Konverters für unidirektionale oder bidirektionale Einphasen-AC/DC-Konversion; (a) serienresonante modulare AC/|AC|-Potentialtrennstufe 1 mit eingangsseitiger Serienschaltung und ausgangsseitiger Parallelschaltung von Konvertermodulen 11 und ausgangsseitige |AC|/DC-Regel-Konverterstufe 2 mit einem gemeinsamen Regel-Konverter 21; (b) wie (a), jedoch mit einem eigenen Regel-Konverter 21 für jedes Konvertermodul 11. <tb>Fig. 2 :<SEP>Ausführungsform eines potentialgetrennten Einphasen-AC/DC-Konvertersystems mit geregelter DC-Ausgangsspannung; im Sinne der Übersichtlichkeit sind für die Potentialtrennstufe nur 2 AC/|AC|-Konvertermodule 11 gezeigt, deren Ausgänge gemäss Fig. 1 (a) direkt parallel geschaltet und mit einer nachfolgenden |AC|/DC-Regel-Konverterstufe 2 mit einem gemeinsamen Hochsetzsteller verbunden sind. <tb>Fig. 3 :<SEP>Charakteristische Spannungs- und Stromverläufe des Systems nach Fig. 2 . <tb>Fig. 4 :<SEP>Detailstruktur einer Ausführungsform für eine Einphasen-AC/AC-Konversion. Im Sinne einer übersichtlichen Darstellung sind für die Potentialtrennstufe nur 2 Module (jedes Modul weist die Funktion eines im Resonanzpunkt arbeitenden hochfrequent potentialgetrennten Serienresonanz-AC/AC-Matrix-Konverters auf) gezeigt. Weiters ist im Sinne der Übersichtlichkeit eine Ausführungsform gemäss Fig. 1 (a), d.h. mit nur einem AC/AC-Regel-Konverter 21 (Hochsetzsteller) in der AC/AC-Regel-Konverterstufe 2 gewählt. <tb>Fig. 5 :<SEP>Beispiel für die Emulation eines konventionellen Dreiphasentrafos am Beispiel eines Scott-Transformators; (a) Schaltung des konventionellen Scott-Transformators; (b) Ausführungsform als Schaltung mit Serienschaltung der ersten und zweiten Ausgangsspannung, d.h. der Ausgänge der RX-|AC|/DC- und ST-|AC|/DC-Regel-Konverterstufe. <tb>Fig. 6 :<SEP>Beispiel einer Dreiphasen AC/AC-Konversion mit primärseitig in Dreieck und sekundärseitig in Stern geschalteten Phasenzweigen der Potentialtrennstufen und einem nachgeschalteten Dreiphasen-AC/AC-Boost-Konverter (Dreiphasen-Regel-Konverter) zur Regelung der Ausgangsspannung. <tb>Fig. 7 :<SEP>Charakteristische Spannungs- und Stromverläufe eines Moduls der Potentialtrennstufe für teilweise hartes Schalten (a), weiches, d.h. spannungsloses Schalten (b) und (c) und verlustminimales weiches Schalten (d); (e): Einhüllende der an den Transformator gelegten pulsförmigen symmetrischen pulsfrequenten Rechteckspannung v_T,mv,e und der Sekundärstrompulse i_r,lv,e mit Betragsinusverlauf entsprechend der netzseitig anliegenden netzfrequenten Sinusspannung.In the following, the subject matter of the invention is explained in more detail with the aid of preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. These show: <tb> Fig. 1: <SEP> embodiments of a converter for unidirectional or bidirectional single-phase AC / DC conversion; (a) Series-resonant modular AC / | AC | potential isolating stage 1 with input-side series connection and output-side parallel connection of converter modules 11 and output-side | AC | / DC control converter stage 2 with a common control converter 21; (b) as (a), but with a separate control converter 21 for each converter module 11. <tb> Fig. 2: <SEP> embodiment of a floating single-phase AC / DC converter system with regulated DC output voltage; In the interest of clarity, only 2 AC / | AC | converter modules 11 are shown for the potential isolation stage, the outputs of which are connected in parallel as shown in FIG. 1 (a) and with a subsequent | AC | / DC control converter stage 2 with a common step-up converter are connected. <tb> Fig. 3: <SEP> Characteristic voltage and current profiles of the system according to FIG. 2. <tb> Fig. 4: <SEP> Detailed structure of an embodiment for a single-phase AC / AC conversion. In the sense of a clear representation, only 2 modules are shown for the potential isolation stage (each module has the function of a high-frequency potential-isolated series resonance AC / AC matrix converter working at the resonance point). Furthermore, for the sake of clarity, an embodiment according to Fig. 1 (a), i.e. selected with only one AC / AC control converter 21 (step-up converter) in AC / AC control converter stage 2. <tb> Fig. 5: <SEP> Example for the emulation of a conventional three-phase transformer using the example of a Scott transformer; (a) switching the conventional Scott transformer; (b) embodiment as a circuit with series connection of the first and second output voltage, i.e. of the outputs of the RX- | AC | / DC and ST- | AC | / DC control converter stage. <tb> Fig. 6: <SEP> Example of a three-phase AC / AC conversion with phase branches of the potential isolation stages connected on the primary side in a triangle and secondary side in an asterisk and a downstream three-phase AC / AC boost converter (three-phase control converter) for regulating the output voltage. <tb> Fig. 7: <SEP> Characteristic voltage and current profiles of a module of the potential isolation stage for partially hard switching (a), soft, i.e. de-energized switching (b) and (c) and low-loss soft switching (d); (e): Envelope of the pulse-shaped symmetrical pulse-frequency square-wave voltage v_T, mv, e and the secondary current pulses i_r, lv, e applied to the transformer with a magnitude sine curve corresponding to the network-frequency sinusoidal voltage applied to the network.

[0029] Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung des Konzeptes für eine potentialgetrennte Einphasen-AC/DC-Umformung ist mit Bezug auf Fig. 1 (a), d.h. mit einem für alle Konvertermodule gemeinsamen Regel-Konverter 21, in Fig.  2 gezeigt. Die zugehörigen charakteristischen Spannungs- und Stromverläufe sind in Fig. 3 angegeben, wobei der vorgängig erwähnte Magnetisierungsstrom im Sinne besserer Übersichtlichkeit nicht explizit eingezeichnet ist. Eine Serieschaltung der Konvertermodule 11 bildet die Potentialtrennstufe 1, welche über eine netzseitige Filterinduktivität LF an ein Netz angeschlossen sein kann, welches eine Netzspannung vg und einen Netzstrom ig liefert. A possible circuit implementation of the concept for a floating single-phase AC / DC conversion is with reference to Fig. 1 (a), i.e. with a rule converter 21 common to all converter modules, shown in FIG. 2. The associated characteristic voltage and current profiles are given in FIG. 3, the magnetization current mentioned above not being shown explicitly for the sake of clarity. A series connection of the converter modules 11 forms the potential isolation stage 1, which can be connected via a network-side filter inductance LF to a network which supplies a network voltage vg and a network current ig.

[0030] Jedes Konvertermodul 11 weist eingangsseitig eine Schaltstufe in Form eines indirekten Matrixkonverters 111 auf, welche durch eine Eingangs-Diodenbrücke ohne ausgangsseitige Glättung und eine nachfolgende primärseitige Transistor-Vollbrückenschaltung gebildet wird, deren Ausgang über einen primärseitigen Serienresonanzkondensator an der Transformatorprimärwicklung liegt. Die als primärseitige Zwischenkreisspannung zu sehende Ausgangsspannung der Eingangs-Diodenbrücke zeigt den Verlauf der gleichgerichteten Eingangswechselspannung des Konvertermoduls und wird durch die Transistor-Vollbrückenschaltung in eine symmetrische Rechteckwechselspannung vT,mv umgeformt, welche die primärseitige |AC|-Zwischenkreisspannung als Einhüllende aufweist (siehe Fig. 3 ). Der schaltfrequent pulsierende Eingangsstrom in der Transistor-Vollbrückenschaltung (der gleich dem Ausgangsstrom der Eingangs-Diodenbrücke ist) folgt im Mittel einem netzfrequent variierenden Eingangsstrom. Er wird durch die Transistor-Vollbrückenschaltung in einen schaltfrequent variierenden Transformatorstrom iT,mv umgeformt. Each converter module 11 has on the input side a switching stage in the form of an indirect matrix converter 111, which is formed by an input diode bridge without smoothing on the output side and a subsequent transistor-side transistor full-bridge circuit, the output of which is connected to the transformer primary winding via a primary-side series resonance capacitor. The output voltage of the input diode bridge, which is to be seen as the primary DC link voltage, shows the course of the rectified AC input voltage of the converter module and is converted by the transistor full bridge circuit into a symmetrical square wave AC voltage vT, mv, which has the primary side | AC | DC link voltage as an envelope (see Fig. 3). The switching-frequency pulsating input current in the transistor full-bridge circuit (which is equal to the output current of the input diode bridge) follows on average a line-frequency-varying input current. It is converted by the transistor full-bridge circuit into a switching current iT, mv which varies in switching frequency.

[0031] Der Transformator ist in Fig. 2 in Form eines Ersatzschaltbildes, d.h. mit expliziter Streuinduktivität Lσ (welche durch eine Vorschaltinduktivität erhöht werden kann) und einem idealen, die Spannungsübersetzung näherungsweise gemäss dem Windungzahlverhältnis bewirkenden Transformator gezeigt. Die Trafosekundärwicklung wird über einen weiteren sekundärseitigen Resonanzkondensator Cr,lv an den Eingang einer sekundärseitigen Diodenvollbrückenschaltung ohne ausgangsseitige Glättung gelegt. Wird nun die primärseitige Transistor-Vollbrückenschaltung mit der Resonanzfrequenz des aus Streuinduktivität Lσ und primärseitigem Resonanzkondensator Cr,mv und sekundärseitigem Resonanzkondensator Cr,lv gebildeten Serienzweigs betrieben, ist der Serienzweig als Kurzschluss zu betrachten, die Ausgangsspannung vT,mv der Transistorschaltstufe liegt demnach direkt an der Primärwicklung des idealen Transformators an und wird in eine im Verlauf gleiche, aber mit dem Windungszahlverhältnis skalierte, über der Trafosekundärwicklung auftretende Spannung übersetzt. Am Ausgang der sekundärseitigen Diodenvollbrückenschaltung tritt dann wieder ein glatter Spannungsverlauf vC,lv in Form einer Betragsinusspannung (|AC|-Spannung auf), welche als sekundärseitige Zwischenkreisspannung durch die nachgeordnete, im vorliegenden Fall wie für Einphasen-Pulsgleichrichterschaltungen mit Leistungsfaktorkorrektur bekannt, als Hochsetzsteller mit Induktivität LB ausgeführter Regel-Konverter 21 der Regel-Konverterstufe 2 in eine konstante, durch einen Kondensator gestützte Ausgangsspannung Vout des Gesamtsystems umgeformt wird, wobei der Eingangsstrom iLb des Regel-Konverters 21 einen der sekundärseitigen Zwischenkreisspannung vC,lv proportionalen Verlauf aufweist (siehe Fig. 3 ). The transformer is in Fig. 2 in the form of an equivalent circuit diagram, i.e. with an explicit leakage inductance Lσ (which can be increased by a series inductance) and an ideal transformer which effects the voltage transformation approximately according to the number of turns ratio. The transformer secondary winding is connected to the input of a secondary full diode bridge circuit without smoothing on the output side via a further secondary resonance capacitor Cr, lv. If the primary-side transistor full-bridge circuit is now operated with the resonance frequency of the series branch formed from leakage inductance Lσ and the primary-side resonance capacitor Cr, mv and the secondary-side resonance capacitor Cr, lv, the series branch is to be regarded as a short circuit, the output voltage vT, mv of the transistor switching stage is therefore directly connected to the Primary winding of the ideal transformer and is translated into a voltage that is the same over the transformer secondary winding, but scaled with the number of turns ratio. At the output of the full-diode full-bridge circuit on the secondary side, a smooth voltage curve vC, lv then occurs again in the form of an absolute value voltage (| AC | voltage), which is used as a step-up converter as a secondary-side intermediate circuit voltage by the downstream, in the present case known for single-phase pulse rectifier circuits with power factor correction The inductance LB of the control converter 21 of the control converter stage 2 is converted into a constant output voltage Vout of the overall system supported by a capacitor, the input current iLb of the control converter 21 having a profile which is proportional to the secondary-side intermediate circuit voltage vC, lv (see FIG. 3).

[0032] Der Leistungstransfer zwischen Primär- und Sekundärseite erfolgt durch resonante Stromhalbschwingungen (Serienresonanz der Streuinduktivität des Trafos und der primär- und sekundärseitigen Kondensatoren), für welche sich eine Amplitude derart einstellt, dass der durch die Regel-Konverterstufe aus der sekundärseitigen Zwischenkreisspannung entnommene Strom iLb im Mittel über eine Taktperiode nachgeliefert wird; um die Nachlieferung mit einer minimalen Stromamplitude zu bewerkstelligen, werden daher Pausen zwischen den Strompulsen vorteilhaft vermieden und die Betriebsfrequenz ideal gleich der Resonanzfrequenz gewählt; real ist zwischen den Strompulsen eine Pausenzeit derart einzuhalten, dass spannungsloses Schalten der Schaltelemente der Transistor-Vollbrückenschaltung sichergestellt ist, d.h. die Entladung der parasitären Ausgangskapazitäten eines Schaltelementes abgewartet wird, bevor ein Einschalten erfolgt. Wird die Betriebsfrequenz ideal gleich der Resonanzfrequenz angenommen, wird die Serienschaltung von Resonanzkapazität und Streuinduktivität in Resonanz betrieben und weist damit eine vernachlässigbare Impedanz auf, bzw. tritt über der Serienschaltung nur eine geringe Spannung auf (ideal, d.h. bei Vernachlässigung von Verlusten, tritt keine Spannung auf). Damit wird die am Ausgang der Transistorschaltstufe anliegende Spannung direkt gemäss Windungszahlverhältnis in eine an den Klemmen der sekundärseitigen Dioden-Vollbrückenschaltung auftretende Spannung transformiert. The power transfer between the primary and secondary side takes place by resonant current half-oscillations (series resonance of the leakage inductance of the transformer and the primary and secondary capacitors), for which an amplitude is set such that the current drawn by the control converter stage from the secondary DC link voltage iLb is delivered on average over a cycle period; In order to accomplish the subsequent delivery with a minimal current amplitude, pauses between the current pulses are therefore advantageously avoided and the operating frequency ideally chosen to be equal to the resonance frequency; in real terms, a pause time must be observed between the current pulses in such a way that voltage-free switching of the switching elements of the transistor full-bridge circuit is ensured, i.e. the discharge of the parasitic output capacitances of a switching element is waited for before switching on. If the operating frequency is ideally assumed to be the same as the resonance frequency, the series connection of resonance capacitance and leakage inductance is operated in resonance and thus has a negligible impedance, or only a low voltage occurs across the series connection (ideal, ie if losses are neglected, no voltage occurs on). The voltage present at the output of the transistor switching stage is thus transformed directly into a voltage occurring at the terminals of the secondary diode full bridge circuit in accordance with the number of turns ratio.

[0033] Anzumerken ist, dass für die praktische Realisierung im primär- und sekundärseitgen Zwischenkreis vorteilhaft Kondensatoren mit kleiner Kapazität angeordnet sein können (strichliert gezeichnet), um für die Stromkommutierung der primärseitigen Transistor-Vollbrückenschaltung einen niederimpedanten Pfad sicherzustellen bzw. schaltfrequente Schwankungen des Eingangsstroms der Regel-Konverterstufe 2 (des Hochsetzstellers) zu filtern. Der |AC|-Spannungsverlauf wird durch diese Kapazitäten grundsätzlich nicht beeinflusst; vorteilhaft kann allerdings bei der für die Umladung des Kondensators im sekundärseitigen und im primärseitigen Zwischenkreis erforderliche Strom bei der Vorgabe des durch die Regel-Konverterstufe 2 eingeprägten Stroms derart berücksichtigt werden, dass eine Phasenverschiebung des letztlich resultieren Netzstroms ig und der Netzspannung vg weitgehend minimiert wird. It should be noted that for practical implementation in the primary and secondary-side intermediate circuit, capacitors with a small capacitance can advantageously be arranged (shown in broken lines) in order to ensure a low-impedance path for the current commutation of the primary-side transistor full-bridge circuit, or switching-frequency fluctuations in the input current Filter converter stage 2 (of the step-up converter). The | AC | voltage curve is fundamentally not influenced by these capacitances; However, the current required for the charge reversal of the capacitor in the secondary-side and in the primary-side intermediate circuit can advantageously be taken into account when specifying the current impressed by the control converter stage 2 such that a phase shift in the ultimately resulting mains current ig and the mains voltage vg is largely minimized.

[0034] Weiters ist darauf hinzuweisen, dass die in Fig. 2 gezeigte Schaltung nur eine von zahlreichen Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Konzeptes darstellt. Furthermore, it should be pointed out that the circuit shown in FIG. 2 represents only one of numerous possible embodiments of the concept according to the invention.

[0035] Insbesondere kann die primärseitige wie auch die sekundärseitige Diodenbrückenschaltung durch eine Transistor-Vollbrückenschaltung ersetzt (was zunächst auch bereits eine aktive Gleichrichtung und damit vorteilhaft eine Reduktion der Leitverluste ermöglichen würde) und antiparallel zur Hochsetzstellerdiode ein Transistor und antiparallel zum Hochsetzstellertransistor eine Diode angeordnet und so ein bidirektionaler Leistungstransfer, d.h. auch Wechselrichterbetrieb, ermöglicht werden. Die primärseitige Vollbrückenschaltung würde dann nur netzfrequent getaktet, sekundärseitig wäre zur sicheren Vermeidung einer Sättigung des Transformators eine Kapazität in Serie zur Sekundärwicklung zu legen. Weiters könnten neben der Vollbrückenschaltung auch Halbbrückenschaltungen oder Mittelpunktschaltungen (Einbeziehung des Mittelpunktes der Primär- oder Sekundärwicklung des Transformators in die Schaltungsfunktion) Anwendung finden. In particular, the primary-side as well as the secondary-side diode bridge circuit can be replaced by a full transistor bridge circuit (which would also initially enable active rectification and thus advantageously a reduction in the conduction losses) and a transistor arranged antiparallel to the step-up converter diode and a diode antiparallel to the step-up converter transistor and such a bidirectional power transfer, ie also inverter operation. The primary-side full-bridge circuit would then only be clocked at the mains frequency; on the secondary side, in order to reliably avoid saturation of the transformer, a capacitance would have to be connected in series with the secondary winding. Furthermore, in addition to the full-bridge circuit, half-bridge circuits or midpoint circuits (including the center point of the primary or secondary winding of the transformer in the circuit function) could also be used.

[0036] Schliesslich kann der in Fig. 2 gezeigte primärseitige indirekte Matrixkonverter auch durch einen direkten Matrixkonverter mit Vierquadrantenschaltern (z.B. realisiert durch Gegenserienschaltung von Leistungstransistoren mit antiparalleler Freilaufdiode oder Gegenparallelschaltung rückwärts sperrender Leistungshalbleiter) ersetzt werden, welcher die niederfrequente AC-Eingangsspannung eines Konvertermoduls direkt in die oben beschriebene und in Fig. 3 gezeigte symmetrische Rechteckwechselspannung – welche über die Serienkapazität an die Trafoprimärwicklung gelegt wird – umformt (siehe Fig. 4 ). Finally, the primary-side indirect matrix converter shown in FIG. 2 can also be replaced by a direct matrix converter with four-quadrant switches (for example realized by series connection of power transistors with an anti-parallel freewheeling diode or counter-parallel connection of reverse-blocking power semiconductors), which directly converts the low-frequency AC input voltage into a converter module the symmetrical square-wave AC voltage described above and shown in FIG. 3 - which is applied to the transformer primary winding via the series capacitance - is transformed (see FIG. 4).

[0037] Darüber hinaus könnte anstelle eines einfachen Hochsetzstellers zur Implementierung der Regel-Konverterstufe auch jede andere Konverterschaltung Anwendung finden, welche im zeitlichen Mittel über eine Taktperiode einen der sekundärseitigen Zwischenkreisspannung proportionalen Stromverlauf einzuprägen vermag und z.B. auch Hoch- und Tiefsetzstellerfunktion aufweisen kann. Als Beispiele sind SEPIC-Konverter, Cuk-Konverter oder auch Inverswandler zu nennen. Weiters sind hier Multilevel-Konverterschaltungen (z.B. Dreilevel-Hochsetzsteller) oder Parallelschaltungen mehrer gleichartiger Konverterstufen mit kontinuierlicher oder diskontinuierlicher oder auch dreieckförmiger Stromführung (TCM- oder Resonant Transition Mode) einsetzbar. In addition, instead of a simple step-up converter for implementing the regulating converter stage, any other converter circuit could also be used, which is able to impress a current profile proportional to the secondary-side intermediate circuit voltage over a clock period and e.g. can also have a step-up and step-down converter function. Examples include SEPIC converters, Cuk converters or inverse converters. Furthermore, multilevel converter circuits (e.g. three-level step-up converter) or parallel circuits of several similar converter stages with continuous or discontinuous or triangular current routing (TCM or resonant transition mode) can be used.

[0038] Eine vor allem hinsichtlich Realisierungsaufwand interessante Modifikation der in Fig. 2 gezeigten Schaltung stellt die Weglassung der primärseitigen Diodenbrücken auf Modulebene und Ersetzung durch eine für alle Konvertermodule gemeinsame Diodenbrücke mit Dioden entsprechend hoher Sperrspannungfestigkeit dar. Hinsichtlich einer hohen Gesamteffizienz des Systems vorteilhaft kann diese gemeinsame Diodenbrücke auch durch eine Transistor-Vollbrückenschaltung ersetzt und somit als aktiver Gleichrichter ausgeführt werden, wobei die Transistoren nur netzfrequent getaktet werden müssen. Werden die Transistoren zu Vierquadrantenschaltern erweitert (z.B. realisiert durch Gegenserienschaltung von Leistungstransistoren mit antiparalleler Freilaufdiode), ist auch bidirektionaler Energiefluss, also z.B. im Falle einer AC/DC-Anwendung sowohl Gleich- als auch Wechselrichterbetrieb, möglich. A modification of the circuit shown in FIG. 2, which is particularly interesting in terms of implementation complexity, represents the omission of the primary-side diode bridges at module level and replacement by a diode bridge with diodes corresponding to all converter modules, with a correspondingly high blocking voltage resistance. This can be advantageous with regard to a high overall efficiency of the system common diode bridge also replaced by a transistor full-bridge circuit and thus be designed as an active rectifier, the transistors only having to be clocked at the mains frequency. If the transistors are expanded to four-quadrant switches (e.g. realized by the series connection of power transistors with an anti-parallel free-wheeling diode), there is also bidirectional energy flow, e.g. in the case of an AC / DC application, both rectifier and inverter operation possible.

[0039] Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass die in Fig. 2 gezeigte Schaltung auch einen Betrieb mit einer DC- anstelle einer AC-Eingangsspannung erlaubt (DC-Spannung als Spezialfall einer AC-Spannung mit Frequenz = 0). Dies gilt auch für alle im Weiteren beschriebenen Schaltungen. Durch die Taktung der primärseitigen indirekten oder direkten Matrixkonverterstufe ist die Potentialtrennung von der Netzfrequenz unabhängig. Finally, it should be pointed out that the circuit shown in FIG. 2 also allows operation with a DC instead of an AC input voltage (DC voltage as a special case of an AC voltage with frequency = 0). This also applies to all circuits described below. Due to the clocking of the primary-side indirect or direct matrix converter stage, the potential separation is independent of the mains frequency.

[0040] Vorteilhaft kann das erfindungsgemässe Konzept auch für die Erzeugung einer geregelten Einphasen-AC-Ausgangsspannung anstelle einer DC-Ausgangsspannung Anwendung finden. Eine diesbezüglich vorteilhafte Realisierung ist mit Bezug auf Fig. 1 (a) (nur ein Regel-Konverter 21 für alle sekundärseitig parallel geschalteten Konvertermodule 11 der Potentialtrennstufe) in Fig. 4 gezeigt. Alternativ könnte gemäss Fig. 1 (b) auch für jedes der serienresonanten AC/AC-Konvertermodule 11 ein eigener AC/AC-Regel-Konverter 21 angeordnet werden. [0040] The concept according to the invention can also advantageously be used for generating a regulated single-phase AC output voltage instead of a DC output voltage. A realization that is advantageous in this regard is shown in FIG. 4 with reference to FIG. 1 (a) (only one control converter 21 for all converter modules 11 of the potential isolation stage connected in parallel on the secondary side). Alternatively, according to FIG. 1 (b), a separate AC / AC control converter 21 could also be arranged for each of the series-resonant AC / AC converter modules 11.

[0041] Die primärseitige und sekundärseitige Schaltstufe der Konvertermodule ist beispielhaft als direkter AC/AC-Matrixkonverter in Halbbrückenschaltung mit einem Brückenzweig mit Vierquadrantenschaltern und einem zweiten Brückenzweig in Form eines kapazitiven Spannungsteilers ausgeführt, wobei die Trafoprimär- und die Trafosekundärwicklung jeweils zwischen dem Ausgang des zugehörigen Brückenzweiges und dem Mittelpunkt des zugehörigen kapazitiven Spannungsteilers liegen und die Kondensatoren Cmv,1, Cmv,2, Clv,1, Clv,2 der Spannungsteiler auch die Funktion des primär- und sekundärseitigen Resonanzkondensators übernehmen. Die Ausgangsspannung der sekundärseitigen Matrixkonverterstufe, d.h. die sekundärseitige AC-Zwischenkreisspannung, wird durch den AC/AC-Regel-Konverter 21 in Form eines wieder mit Vierquadrantenschaltern realisierten AC/AC-Hoch- oder AC/AC-Tiefsetzstellers (oder auch eine andere Schaltungsstruktur, wie z.B. einen AC/AC-Cuk-Konverter) in die eigentliche, wieder durch eine Kapazität gestützte, geregelte Ausgangsspannung des Gesamtsystems umgeformt. The primary-side and secondary-side switching stage of the converter modules is exemplified as a direct AC / AC matrix converter in half-bridge circuit with a bridge arm with four-quadrant switches and a second bridge arm in the form of a capacitive voltage divider, the transformer primary and the transformer secondary winding each between the output of the associated Bridge branch and the center of the associated capacitive voltage divider lie and the capacitors Cmv, 1, Cmv, 2, Clv, 1, Clv, 2 of the voltage divider also take over the function of the primary and secondary resonance capacitor. The output voltage of the secondary matrix converter stage, i.e. the secondary-side AC intermediate circuit voltage is converted by the AC / AC control converter 21 in the form of an AC / AC step-up or step-down converter implemented with four-quadrant switches (or another circuit structure, such as an AC / AC Cuk converter) into the actual regulated output voltage of the entire system, again supported by a capacitance.

[0042] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Konzeptes stellt das in Fig. 5 (b) gezeigte Konvertersystem mit dreiphasigem AC-Eingang über Eingangsfilterinduktivitäten LF,R, LF,S, LF,T und geregeltem DC-Ausgang dar. Die Konvertermodule der Potentialtrennstufe sind nur schematisiert dargestellt, eine praktische Ausführung der einzelnen Konvertermodule 11 könnte z.B. gemäss Fig. 2 erfolgen. Another advantageous embodiment of the concept according to the invention is the converter system shown in FIG. 5 (b) with a three-phase AC input via input filter inductances LF, R, LF, S, LF, T and a regulated DC output. The converter modules of the potential isolation stage are only shown schematically, a practical implementation of the individual converter modules 11 could, for example 2 take place.

[0043] Grundsätzlich ist die Umformung einer Dreiphasen-AC-Spannung in eine DC-Spannung für jede Phase als AC/DC-Konversion zu sehen, und damit für jede Phase ein Einphasen-AC/DC-Konverter anzuordnen. Primärseitig können die Phasensysteme dann im einfachsten Fall in Stern oder Dreieck verschaltet werden, sekundärseitig ist wieder eine direkte Parallelschaltung der Modulausgänge einer Phase gemäss Fig. 1 (a) oder eine Schaltung nach Fig. 1 (b) möglich. Die nachgeordneten Regel-Konverter 21 können nur an den Klemmen der Ausgangsspannung des Gesamtsystems zusammengeführt werden, oder es kann durch einseitige Verbindung der Ausgänge der Konvertermodule der Phasen eine z.B. negative Schiene des Gesamtausgangsspannung des Systems gebildet werden und die Anordnung der Regel-Konverter 21 (Hochsetzstellerfunktionen) bezogen auf diese Spannungsschiene erfolgen. Die Ausgänge der den Phasen zugeordneten Regel-Konverter 21 (hier Hochsetzsteller) werden dann an der positiven Klemme der Ausgangsspannung des Gesamtsystems zusammengeführt. Vorteilhaft ist dann aufgrund der zeitlich konstanten Momentanleistung eines symmetrisch belasteten symmetrischen Dreiphasensystems ideal keine kapazitive Pufferung der Ausgangsspannung des Gesamtsystems erforderlich, bzw. kann real ein Ausgangskondensator mit nur geringer Kapazität Einsatz finden. Basically, the transformation of a three-phase AC voltage into a DC voltage for each phase can be seen as an AC / DC conversion, and thus a single-phase AC / DC converter has to be arranged for each phase. In the simplest case, the phase systems can then be connected in a star or triangle on the primary side, on the secondary side a direct parallel connection of the module outputs of a phase according to FIG. 1 (a) or a connection according to FIG. 1 (b) is possible. The subordinate control converters 21 can only be brought together at the terminals of the output voltage of the overall system, or a one-sided connection of the outputs of the converter modules of the phases, e.g. negative rail of the total output voltage of the system are formed and the arrangement of the control converter 21 (step-up converter functions) is based on this voltage rail. The outputs of the control converters 21 assigned to the phases (here step-up converter) are then brought together at the positive terminal of the output voltage of the overall system. Due to the constant instantaneous power of a symmetrically loaded symmetrical three-phase system, it is advantageous that no capacitive buffering of the output voltage of the overall system is ideally required, or an output capacitor with only a small capacitance can actually be used.

[0044] Gegenüber der vorstehend beschriebenen, für alle Phasen gleichen, d.h. drei Potentialtrennstufen und drei Regel-Konverterstufen umfassenden Implementierung des erfindungsgemässen Konzeptes weist die in Fig. 5 (b) angegebene Variante deutliche Vorteile auf. Grundgedanke ist die Nachbildung der Funktion eines Scott-Transformators (siehe Fig.  5 (a)), welcher ein dreiphasiges Spannungssystem in zwei orthogonale Spannungen gleicher Amplitude umsetzt. Werden die orthogonalen Ausgangsspannungen gleich belastet, resultiert primärseitig eine symmetrische Belastung des Dreiphasennetzes. Anzumerken ist, dass für eine derartige Spannungsumsetzung auch andere Transformatorschaltungen bekannt sind; als Beispiel sei die Leblanc-Schaltung genannt, welche allerdings eine relativ verwickelte Wicklungskonfiguration aufweist. Grundsätzlich kann die nachstehend bezogen auf die Scott-Schaltung beschriebene Umsetzung des beschriebenen Grundkonzeptes sinngemäss gleich auch für diese Schaltungen Anwendung finden. Compared to that described above, the same for all phases, i.e. Implementation of the concept according to the invention comprising three potential isolating stages and three regulating converter stages has the distinct advantages shown in FIG. 5 (b). The basic idea is to simulate the function of a Scott transformer (see FIG. 5 (a)), which converts a three-phase voltage system into two orthogonal voltages of the same amplitude. If the orthogonal output voltages are loaded equally, a symmetrical load of the three-phase network results on the primary side. It should be noted that other transformer circuits are also known for such a voltage conversion; the Leblanc circuit may be mentioned as an example, which, however, has a relatively complicated winding configuration. In principle, the implementation of the basic concept described below with reference to the Scott circuit can also be used for these circuits.

[0045] Es wird anstelle jeder (Teil-)Wicklung des konventionellen Scott-Transformators eine Potentialtrennstufe 1XT, 1SX, 1RX angeordnet, wobei die Ausgänge der Konvertermodule der beiden zwischen den Netzphasen S und T angeordneten und einen gemeinsamen Schaltungspunkt X aufweisenden Potentialtrennstufen (SX-Potentialtrennstufe 1SX und XT-Potentialtrennstufe 1XT) entweder alle direkt verbunden werden, womit für beide Potentialtrennstufen nur eine nachfolgende ST-Regel-Konverterstufe 2ST erforderlich ist, um eine erste DC-Ausgangsspannung Vdc,2 zu bilden (wie in Fig.  5 (b) dargestellt), oder es können (nicht dargestellt) die Ausgänge der Konvertermodule der SX-Potentialtrennstufe zusammengeführt und mit einer nachfolgenden SX-Regel-Konverterstufe versehen werden und ebenso die Ausgänge der Konvertermodule der XT-Potentialtrennstufe verbunden und mit einer eigenen nachfolgenden XT-Regel-Konverterstufe versehen werden und dann die Ausgänge der SX- und XT-Regel-Konverterstufen verbunden werden, um die erste DC-Ausgangsspannung zu formen, wobei dann am Eingang der SX- und XT-Regel-Konverterstufen ein gleicher Eingangswiderstand zu emulieren ist, um eine symmetrische Aufteilung der zwischen den Phasen S und T anliegenden Netzspannung auf die Eingänge der SX- und XT-Potentialtrennstufe sicherzustellen. Instead of each (partial) winding of the conventional Scott transformer, a potential isolation stage 1XT, 1SX, 1RX is arranged, the outputs of the converter modules of the two between the network phases S and T arranged and having a common circuit point X potential isolation stages (SX- Isolation stage 1SX and XT isolation stage 1XT) are either all directly connected, so that only a subsequent ST control converter stage 2ST is required for both isolation stages to form a first DC output voltage Vdc, 2 (as in FIG. 5 (b) shown), or (not shown) the outputs of the converter modules of the SX potential isolation stage can be merged and provided with a subsequent SX control converter stage and the outputs of the converter modules of the XT potential isolation stage can also be connected and with their own subsequent XT control stage Converter stage and then the outputs of the SX and XT control converter stages are connected in order to form the first DC output voltage, an identical input resistance then having to be emulated at the input of the SX and XT control converter stages in order to symmetrically distribute the mains voltage present between phases S and T between the inputs of the SX - and XT potential isolation stage.

[0046] Zwischen Phase R und dem gemeinsamen Schaltungspunkt X wird eine RX-Potentialtrennstufe 1RX mit nachfolgender RX-Regel-Konverterstufe 2RX gelegt, welche eine zweite DC-Ausgangsspannung Vdc,1 bildet. Die Vorgabe der Eingangsstromsollwerte der ST-Regel-Konverterstufe und der RX-Regel-Konverterstufe hat so zu erfolgen, dass beide Stufen im Mittel über eine Netzperiode dieselbe mittlere Leistung aufnehmen. Wird eine SX-und eine XT-Regel-Konverterstufe vorgesehen, so ist durch beide Stufen jeweils die Hälfte der für die ST-Regel-Konverterstufe 2ST vorzusehenden Leistung zu liefern. Weiters ist, um die für die konventionelle Scott-Transformatorschaltung vorliegenden Grössenverhältnisse der Spannungen zwischen den Schaltungspunkten R und X, S und X sowie X und T nachzubilden, für die SX- und XT-Potentialtrennstufen die halbe Zahl der für die RX-Potentialtrennstufe verwendeten Konvertermodule vorzusehen und das Windungszahlverhältnis der Transformatoren der SX- und XT-Potentialtrennstufen gegenüber den Transformatoren der RX-Potentialtrennstufe um einen Faktor 2/sqrt(3) höher zu wählen (höhere Primärwindungszahl), sodass am Eingang der RX- und ST-Regel-Konverterstufen 2RX, 2ST Spannungen mit gleicher Amplitude anliegen. Die Leistungshalbleiter der Primärseiten der Konvertermodule der SX- und XT-Potentialtrennstufe 1SX, 1XT werden dann gegenüber der RX-Potentialtrennstufe 1RX um den Faktor 2/sqrt(3) = 1.15, d.h. um 15% höher als die primärseitigen Leistungshalbleiter der RX-Potentialtrennstufe 1RX, belastet. Um dies zu vermeiden, könnte die Modulzahl und das Windungszahlverhältnis angepasst werden, wobei in jedem Fall dafür zu sorgen ist, dass der Schaltungspunkt X spannungsmässig in der Mitte zwischen S und T zu liegen kommt. Between phase R and the common node X, an RX potential isolation stage 1RX with subsequent RX control converter stage 2RX is placed, which forms a second DC output voltage Vdc, 1. The input current setpoints of the ST control converter stage and the RX control converter stage must be specified such that both stages consume the same average power over a network period. If an SX and an XT control converter stage are provided, then half of the power to be provided for the ST control converter stage 2ST is to be supplied by both stages. Furthermore, in order to simulate the magnitude relationships of the voltages between the switching points R and X, S and X as well as X and T for the conventional Scott transformer circuit, half the number of converter modules used for the RX potential isolating stage is required for the SX and XT isolating stages and the ratio of the turns of the transformers of the SX and XT potential isolators compared to the transformers of the RX potential isolators by a factor of 2 / sqrt (3) higher (higher number of primary turns), so that at the input of the RX and ST control converter stages 2RX , 2ST voltages with the same amplitude. The power semiconductors of the primary sides of the converter modules of the SX and XT potential isolation stage 1SX, 1XT are then compared to the RX potential isolation stage 1RX by a factor of 2 / sqrt (3) = 1.15, i.e. 15% higher than the primary-side power semiconductors of the RX potential isolation stage 1RX. In order to avoid this, the number of modules and the ratio of turns could be adjusted, whereby in any case it must be ensured that the switching point X lies in the middle between S and T in terms of voltage.

[0047] Neben der symmetrischen Teilung der Spannung zwischen S und T wird durch die vorstehend beschriebene Schaltung auch das für die zwischen den Phasen S und T liegende Wicklung des konventionellen Scott-Transformators gegebene Durchflutungsgleichgewicht mit der zugehörigen Sekundärwicklung implementiert, da sich der Eingangsstrom der ST-Regelkonverterstufe 2ST derart auf die Konvertermodule der SX- und XT-Potentialtrennstufe aufteilen wird, dass in den Zweigen SX und XT das Durchflutungsgleichgewicht gegeben ist. Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Nachbildung des Scott-Transformators besteht darin, dass im einfachsten Fall nur zwei und nicht wie im dreiphasigen Fall mit drei sekundärseitigen Zwischenkreisspannungen drei Regel-Konverterstufen erforderlich sind. Da die Speisung der RX- und ST-Regelkonverterstufen potentialfrei erfolgt, können die erste und zweite DC-Ausgangsspannung Vdc,2, Vdc,1 grundsätzlich parallel oder in Serie geschaltet werden. Die Serienschaltung ist z.B. vorteilhaft für die Speisung der Eingangs-Teilspannungen eines Dreipunkt-Pulswechselrichters oder zur Erzeugung einer erdsymmetrischen DC-Spannung einsetzbar, wobei dann der Verbindungspunkt der ersten und zweiten Ausgangsspannung an Erde bzw. Masse zu legen ist. In addition to the symmetrical division of the voltage between S and T, the circuit described above also implements the flux balance for the winding of the conventional Scott transformer lying between the phases S and T with the associated secondary winding, since the input current of the ST -Rule converter stage 2ST will be divided among the converter modules of the SX and XT potential isolation stages in such a way that the flow equilibrium is given in the branches SX and XT. A major advantage of the described replica of the Scott transformer is that in the simplest case only two and not three control converter stages are required, as in the three-phase case with three secondary DC link voltages. Since the RX and ST control converter stages are supplied potential-free, the first and second DC output voltage Vdc, 2, Vdc, 1 can in principle be connected in parallel or in series. The series connection is e.g. can be used advantageously for supplying the partial input voltages of a three-point pulse inverter or for generating an earth-symmetrical DC voltage, in which case the connection point of the first and second output voltages must be connected to earth or ground.

[0048] Anzumerken ist, dass die vorstehend am Beispiel des Scott-Transformators beschriebene Ersetzung eines konventionellen Transformators durch eine Schaltungsstruktur sinngemäss gleich – d.h. mit Rücksicht auf die Nachbildung der Spannungstransformation wie auch des Durchflutungsgleichgewichtes zugehöriger Wicklungsteile – auch für andere Transformatorschaltungen mit beliebigen Kombinationen einer primärseitigen Dreieck-, Stern-, oder Zickzack-Schaltung und einer sekundärseitigen Dreieck-, Stern-, oder Zickzack-Schaltung erfolgen kann. It should be noted that the replacement of a conventional transformer by a circuit structure described above using the example of the Scott transformer is basically the same - i.e. with consideration of the simulation of the voltage transformation as well as the flow equilibrium of the associated winding parts - also for other transformer circuits with any combination of a primary-side delta, star, or zigzag circuit and a secondary-side triangle, star, or zigzag circuit.

[0049] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des beschriebenen Konzeptes für die Realisierung eines potentialgetrennten Konvertersystems mit dreiphasigem AC-Eingang und geregeltem Dreiphasen-AC-Ausgang ist in Fig. 6 dargestellt. Die Konvertermodule der Potentialtrennstufe sind nur schematisiert gezeigt, eine praktische Ausführung der Konvertermodule könnte z.B. gemäss Fig. 4 erfolgen. A further advantageous embodiment of the concept described for the implementation of a potential-isolated converter system with three-phase AC input and regulated three-phase AC output is shown in FIG. 6. The converter modules of the electrical isolation stage are only shown schematically, a practical implementation of the converter modules could e.g. 4 take place.

[0050] Jeder Phase des Netzes ist eine Einphasen-AC/AC-Potentialtrennstufe 1R, 1S, 1T zugeordnet, wobei die Ausgangsspannungen der Potentialtrennstufen 1R, 1S, 1T, d.h. die zugeordneten sekundärseitigen AC-Zwischenkreisspannungen, in Stern geschaltet werden, womit neben dem Sternpunkt drei Phasenausgänge u, v, w verbleiben, an welche vorteilhaft alternativ zu zwischen diesen Phasenklemmen und dem Sternpunkt angeordneten Einphasen-AC/AC-Regel-Konverterstufen eine hinsichtlich Realisierungsaufwand vorteilhafte Dreiphasen-Regel-Konverterstufe 2 gelegt wird, welche in Fig. 6 als Hochsetzsteller ausgeführt ist. An die drei sekundärseitigen Phasenausgänge u, v, w werden dann drei Serieninduktivitäten LB,U, LB,V, LB,W gelegt, und anderen, den Phasenausgängen u, v, w abgewandten Wicklungsenden eine Sternschaltung von Transistoren mit antiparallelen Dioden gelegt. Weiters werden von diesen Wicklungsenden Dioden mit antiparallelen Transistoren gegen die drei Phasenausgangsklemmen U, V, W des Gesamtsystems geschaltet, deren Spannungen z.B. durch eine Sternschaltung von Ausgangskondensatoren gepuffert werden. Each phase of the network is assigned a single-phase AC / AC potential isolation stage 1R, 1S, 1T, the output voltages of the potential isolation stages 1R, 1S, 1T, i.e. the assigned secondary-side AC intermediate circuit voltages are connected in a star, leaving three phase outputs u, v, w in addition to the star point, to which advantageously, as an alternative to single-phase AC / AC control converter stages arranged between these phase terminals and the star point, an implementation effort that is advantageous Three-phase control converter stage 2 is placed, which is shown in Fig. 6 as a step-up converter. Three series inductances LB, U, LB, V, LB, W are then connected to the three phase outputs u, v, w on the secondary side, and other star ends of transistors with antiparallel diodes are connected to the winding ends facing away from the phase outputs u, v, w. Furthermore, diodes with anti-parallel transistors are switched from these winding ends to the three phase output terminals U, V, W of the overall system, the voltages of which, e.g. can be buffered by a star connection of output capacitors.

[0051] Ausser der in Fig. 6 dargestellten primärseitigen Dreieckschaltung und sekundärseitigen Sternschaltung sind auch beliebige andere dreiphasige Kombinationen der primär- und sekundärseitigen Phasenzweige, wie z.B. eine Dreieck-Dreieck oder Stern-Stern-Schaltung, einsetzbar. In addition to the primary-side delta connection and secondary-side star connection shown in FIG. 6, any other three-phase combinations of the primary and secondary-side phase branches, such as e.g. a triangle-triangle or star-star connection, can be used.

[0052] Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass gleich wie für den in Fig. 6 gezeigten Dreiphasen-AC/AC-Hochsetzsteller auch für die Implementierung eines Dreiphasen-AC/AC-Tiefsetzstellers oder auch anderer in der Grundfunktion bekannter DC/DC-Konverter-Grundschaltungen entsprechende Schaltungen (AC/AC-SEPIC-Konverter oder AC/AC-lnverswandler) nur unidirektional steuerbare Schalter, d.h. Transistoren mit antiparalleler Freilaufdiode, erforderlich sind. Sämtliche dieser Schaltungen können mit der oben beschriebenen Potentialtrennstufe Anwendung finden. In conclusion, it should be pointed out that, just as for the three-phase AC / AC step-up converter shown in FIG. 6, also for the implementation of a three-phase AC / AC step-down converter or other DC / DC converter known in the basic function. Basic circuits corresponding circuits (AC / AC-SEPIC converter or AC / AC inversion converter) only unidirectionally controllable switches, ie Transistors with anti-parallel freewheeling diode are required. All of these circuits can be used with the potential isolation stage described above.

[0053] Fig. 7 illustriert verschiedene Varianten a, b, c, d zum weichen Schalten von insbesondere wie oben beschrieben eingesetzten Resonanzkonvertern über die gesamte Netzperiode und innerhalb des gesamten Lastbereiches durch Änderung der Schaltfrequenz und des Tastverhältnisses der innerhalb einer Taktperiode als symmetrisch betrachteten Rechteckspannung für die Potentialtrennung in den Konvertermodulen 11. Pulsperioden der hochfrequent geschalteten Brückenströme sind in den verschiedenen Varianten mit T_s,a T_s,b etc. bezeichnet, die Pulsperiode einer primärseitigen AC-Spannung mit T_g. Fig. 7 illustrates different variants a, b, c, d for soft switching of resonance converters used in particular as described above over the entire network period and within the entire load range by changing the switching frequency and the duty cycle of the square wave voltage considered symmetrical within a clock period for the potential separation in the converter modules 11. Pulse periods of the high-frequency switched bridge currents are designated in the different variants with T_s, a T_s, b etc., the pulse period of a primary-side AC voltage with T_g.

[0054] Wie eingangs erwähnt, bietet der resonante Betrieb der Potentialtrennstufe den Vorteil eines primär- wie sekundärseitig aus Sinushalbschwingungen gesetzten Stromverlaufs (ausgehend von einer hier ohne Einschränkung der Allgemeinheit beispielhaft betrachteten primärseitigen Spannungseinprägung, v_T,mv, durch eine Transistorschaltstufe ist dem Strom primärseitig noch der Magnetisierungsstrom des Transformators überlagert), welcher auf tiefe Werte des von den Transistoren zu schaltenden Stroms führt, da nur der relativ kleine Trafomagnetisierungsstrom i_M,mv aktiv zu schalten ist. Einerseits kann dann spannungsloses bzw. weiches Schalten dadurch erreicht werden, dass bewusst knapp vor dem Punkt, an dem die Sinusstromhalbschwingung (sekundärseitiger Strom) i_r,lv (mit der dem Netzstrom proportionalen Einhüllenden i_r,lv,e) wieder den Wert Null erreicht (bzw. auf den Magnetisierungsstrom zurückgeht) geschaltet wird, um einen hinreichend hohen Strom für die Umladung parasitärer Kapazitäten der Transistorschaltstufe, d.h. insbesondere für die Entladung der parasitären Ausgangskapazität des nächsten einzuschaltenden Transistors (im Weiteren kurz als Transistorausgangskapazität bezeichnet), zur Verfügung zu haben. Alternativ ist erfindungsgemäss auch die Fig. 7 (b–d) dargestellte Betriebsweise möglich, wo erst nach Abschluss der Sinusstromhalbschwingung (sekundärseitiger Strom i_r,lv) geschaltet wird und somit primärseitig nur der relativ kleine Magnetisierungsstrom des Transformators i_M,mv unterbrochen werden muss. Aufgrund des kleinen Wertes des dann für die Umladung der parasitären Kapazitäten zur Verfügung stehenden Stroms ist dann allerdings nach dem Abschalten eines Transistors bis zum Einschalten des nächstfolgenden Transistors eine hinreichend lange Wartezeit t_d,b einzufügen (Fig. 7 (b)), um eine vollständige Entladung der Transistorausgangskapazität sicherzustellen und ein teilweise hartes Schalten (siehe Fig. 7 (a)), welches wieder auf Schaltverluste führen würde, zu vermeiden. Beachte, dass aufgrund der gleichen Einschaltdauer des Leistungstransistors in Fig. 7 (b) der Magnetisierungsstrom auf den gleichen Wert iDach_M,b steigt wie der Magnetisierungsstrom iDach_M,a in Fig. 7 (a). As mentioned at the outset, the resonant operation of the potential isolation stage offers the advantage of a current profile set on the primary and secondary side from sine half-oscillations (starting from a primary-side voltage impression, v_T, mv, which is considered here by way of example without restricting generality, through a transistor switching stage, the current is still on the primary side the magnetizing current of the transformer is superimposed), which leads to low values of the current to be switched by the transistors, since only the relatively small transformer magnetizing current i_M, mv is to be actively switched. On the one hand, voltage-free or soft switching can be achieved by deliberately reaching the value zero just before the point at which the sine current half-oscillation (secondary-side current) i_r, lv (with the envelope i_r, lv, e proportional to the mains current) . goes back to the magnetizing current) is switched to a sufficiently high current for the recharging of parasitic capacitances of the transistor switching stage, ie in particular for discharging the parasitic output capacitance of the next transistor to be switched on (hereinafter referred to as transistor output capacitance). Alternatively, according to the invention, FIG. 7 (b-d) is also possible, where switching only takes place after the sine current half-oscillation (secondary-side current i_r, lv) has been switched and thus only the relatively small magnetizing current of the transformer i_M, mv has to be interrupted on the primary side. Due to the small value of the current then available for the recharging of the parasitic capacitances, however, a sufficiently long waiting time t_d, b must be inserted after switching off a transistor until the next transistor is switched on (FIG. 7 (b)) in order to complete the process Ensure discharge of the transistor output capacitance and avoid a partially hard switching (see Fig. 7 (a)), which would lead to switching losses again. Note that due to the same duty cycle of the power transistor in Fig. 7 (b), the magnetizing current rises to the same value iDach_M, b as the magnetizing current iDach_M, a in Fig. 7 (a).

[0055] Eine andere Möglichkeit besteht darin, wie in Fig. 7 (c) gezeigt, die Spannung v_T,mv nach dem Nullwerden des Stroms an den Transformator gelegt zu belassen, womit der Magnetisierungsstrom einen höheren Wert erreicht und so nach dem Abschalten die Umladung rascher erfolgt, also innerhalb der vorher nicht ausreichenden Wartezeit t_d,a, oder, wie in Fig. 7 (c) eingezeichnet, einer kleineren Wartezeit t_d,c, abgeschlossen werden kann. Allerdings werden dadurch zufolge der höheren magnetischen Aussteuerung die Kernverluste des Transformators und aufgrund des höheren Effektivwertes des Primärstroms auch die Wicklungsverluste erhöht. Andererseits liegt eine insgesamt kürzere Dauer des Pulsintervalls T_s,c vor, womit eine kleinere Amplitude der Sekundärstrompulses ausreicht um innerhalb des Pulsintervalls eine definierte Ladung an den Ausgang nachzuliefern. Dies bedeutet geringere Leitverluste der Leistungshalbleiter und geringere Transformatorwicklungsverluste. Another possibility is, as shown in Fig. 7 (c), to leave the voltage v_T, mv applied to the transformer after the current has become zero, whereby the magnetizing current reaches a higher value and thus the charge after switching off can be completed more quickly, ie within the previously insufficient waiting time t_d, a, or, as shown in FIG. 7 (c), a shorter waiting time t_d, c. However, this increases the core losses of the transformer due to the higher magnetic modulation and also increases the winding losses due to the higher effective value of the primary current. On the other hand, there is an overall shorter duration of the pulse interval T_s, c, with which a smaller amplitude of the secondary current pulse is sufficient to deliver a defined charge to the output within the pulse interval. This means lower conduction losses of the power semiconductors and lower transformer winding losses.

[0056] Vorteilhaft kann daher auch eine Mischform der Verfahren nach Fig. 7 (b) und Fig. 7 (c), d.h. die in Fig. 7 (d) gezeigte Steuerung, Einsatz finden, für welche einerseits der Magnetisierungsstrom durch das Verbleiben der Spannung am Transformator nach dem Nullwerden des Sekundärstroms etwas erhöht und andererseits die Wartezeit t_d,d etwas verlängert wird. Die genauen Schaltzeiten können dann über eine Optimierung mit dem Ziel minimaler Gesamtverluste der Potentialtrennstufe ermittelt werden, wobei die resultierenden Parameter über den Verlauf einer Netzspannungshalbschwingung, welche als Einhüllende v_T,mv,e der Trafoprimärspannung gem. Fig. 7 (e) in Erscheinung tritt, variieren (typischerweise ist ein Absenken der Schaltfrequenz bzw. eine Vergrösserung des Pulsintervalls in der Nähe der Nulldurchgänge der Netzspannung erforderlich, wobei gleichzeitig die Wartezeit im Hinblick auf geringstmögliche Gesamtverluste angepasst werden muss), d.h. allg. eine Abhängigkeit von der momentanen Zwischenkreisspannung aufweisen und wobei die resultierenden Parameter ebenfalls in Abhängigkeit der übertragenen Leistung variieren können. Hierbei ist es ggf. auch vorteilhaft, den Zeitpunkt der vollständigen Entladung der Transistorausgangskapazität mit einer Sensorschaltung zu erfassen, um die Dauer der Wartezeit zu minimieren und gegenüber einer reinen Steuerung Modellunsicherheiten zu vermeiden. A mixed form of the method according to FIGS. 7 (b) and 7 (c), i.e. the controller shown in Fig. 7 (d) are used, for which on the one hand the magnetizing current is slightly increased by the remaining voltage on the transformer after the secondary current has become zero and on the other hand the waiting time t_d, d is slightly extended. The exact switching times can then be determined via an optimization with the aim of minimal total losses of the potential isolation stage, the resulting parameters relating to the course of a mains voltage half-oscillation, which as envelope v_T, mv, e of the transformer primary voltage in accordance with. Fig. 7 (e) appears to vary (typically a lowering of the switching frequency or an increase in the pulse interval near the zero crossings of the mains voltage is required, at the same time the waiting time has to be adjusted with regard to the lowest possible total losses), i.e. generally have a dependency on the current intermediate circuit voltage and the resulting parameters can also vary depending on the transmitted power. In this case, it may also be advantageous to record the point in time of the complete discharge of the transistor output capacitance using a sensor circuit in order to minimize the duration of the waiting time and to avoid model uncertainties compared to a pure control.

Claims (9)

1. Konverter zur potentialgetrennten Übertragung elektrischer Energie zwischen einem Primärsystem und einem Sekundärsystem, aufweisend eine primärseitige Potentialtrennstufe (1), welche zum Energieaustausch zwischen dem Primärsystem und mindestens einem Zwischenkreis geschaltet ist, und eine sekundärseitige Regel-Konverterstufe (2), welche zum Energieaustausch zwischen dem mindestens einen Zwischenkreis und dem Sekundärsystem geschaltet ist, • wobei die Potentialtrennstufe (1) eine ungeregelte resonante Potentialtrennstufe (1) ist und dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere durch das Primärsystem vorgegebene Primärspannungen potentialgetrennt auf ein, insbesondere niedrigeres, Spannungsniveau des mindestens einen Zwischenkreises zu transformieren und damit am mindestens einen Zwischenkreis eine Zwischenkreisspannung (vC,lv) in Form einer Sinusspannung oder einer Betragsinusspannung zu erzeugen, und • die Regel-Konverterstufe (2) dazu eingerichtet ist, eine Zwischenkreisspannung in eine Sekundärspannung umzuformen, wobei die Sekundärspannung eine Gleichspannung oder sinusförmige Wechselspannung ist.1.Converter for electrically isolated transmission of electrical energy between a primary system and a secondary system, comprising a primary-side potential isolation stage (1), which is connected for energy exchange between the primary system and at least one intermediate circuit, and a secondary-side converter converter stage (2), which for energy exchange between the at least one intermediate circuit and the secondary system are connected, • wherein the potential isolation stage (1) is an unregulated resonant potential isolation stage (1) and is set up to transform one or more primary voltages, which are predetermined by the primary system, to an, in particular lower, voltage level of the at least one intermediate circuit and thus an intermediate circuit voltage at the at least one intermediate circuit (vC, lv) in the form of a sine voltage or a magnitude sine voltage, and • The control converter stage (2) is set up to convert an intermediate circuit voltage into a secondary voltage, the secondary voltage being a direct voltage or sinusoidal alternating voltage. 2. Konverter gemäss Anspruch 1, wobei die Potentialtrennstufe (1) mindestens zwei primärseitig in Serie geschaltete Konvertermodule (11) aufweist, welche jeweils einen Transformator aufweisen und als zumindest nahe dem Resonanzpunkt betriebene Serienresonanzkonverter betreibbar sind, um dadurch jeweils eine Primärspannung oder einen Anteil einer Primärspannung mit einem durch ein Windungszahlverhältnis des Transformators definierten Übersetzungsverhältnis lastunabhängig in eine glatte Zwischenkreisspannung (vC,lv) umzuformen, und diese Konvertermodule (11) • entweder zwischenkreisseitig parallel geschaltet sind und einen gemeinsamen Zwischenkreis speisen, an welchem ein einziger Regel-Konverter (21) der Regel-Konverterstufe (2) angeschlossen ist, und dieser Regel-Konverter (21) dazu eingerichtet ist, dem Zwischenkreis im Mittel über eine Schaltperiode einen zur Zwischenkreisspannung proportionalen, also sinusförmigen oder betragsinusförmigen, Strom zu entnehmen, wobei die Amplitude dieses Stroms derart regelbar ist, dass ein Leistungsaustausch mit dem Sekundärsystem gedeckt ist, respektive am Anschluss des Sekundärsystems eine vorgegebene DC- oder AC-Spannung (Vout) auftritt; • oder zwischenkreisseitig jeweils einen eigenen, zugeordneten Zwischenkreis speisen, an welchen jeweils ein eigener jeweils zugeordneter Regel-Konverter (21) der Regel-Konverterstufe (2) angeschlossen ist, wobei diese Regel-Konverter (21) sekundärseitig parallel geschaltet sein können und in diesem Fall dazu eingerichtet sind, dem zugeordneten Zwischenkreis einen Strom derart zu entnehmen, dass jeder Regel-Konverter (21) einerseits einen gleichen Beitrag zum Leistungsaustausch mit dem Sekundärsystem respektive zum Erhalt einer vorgegebenen DC- oder AC-Spannung (Vout) am Anschluss des Sekundärsystems leistet, und andererseits eine gleiche Aufteilung der Primärspannung auf die Eingänge der Konvertermodule (11) der Potentialtrennstufe (1) realisiert.2. Converter according to claim 1, wherein the potential isolation stage (1) has at least two converter modules (11) connected in series on the primary side, each of which has a transformer and can be operated as a series resonance converter operated at least near the resonance point, in order thereby to generate a primary voltage or a portion of one To transform primary voltage with a transmission ratio defined by a number of turns of the transformer into a smooth intermediate circuit voltage (vC, lv), and convert these modules (11) • are either connected in parallel on the DC link side and feed a common DC link, to which a single control converter (21) of the control converter stage (2) is connected, and this control converter (21) is set up to supply the DC link on average via a Switching period to take a current proportional to the DC link voltage, i.e. sinusoidal or sinusoidal, the amplitude of this current can be regulated in such a way that a power exchange with the secondary system is covered, or a predetermined DC or AC voltage (Vout) occurs at the connection of the secondary system ; • or on the intermediate circuit side each feed its own, assigned intermediate circuit, to each of which a dedicated control converter (21) of the control converter stage (2) is connected, wherein these control converters (21) can be connected in parallel on the secondary side and in this If they are set up to draw a current from the assigned intermediate circuit in such a way that each control converter (21) on the one hand makes an equal contribution to the exchange of power with the secondary system or to the maintenance of a predetermined DC or AC voltage (Vout) at the connection of the secondary system , and on the other hand realizes an equal distribution of the primary voltage to the inputs of the converter modules (11) of the potential isolation stage (1). 3. Konverter gemäss Anspruch 2, wobei die Potentialtrennstufe (1) dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei Konvertermodule (11) zueinander phasenversetzt zu takten.3. Converter according to claim 2, wherein the potential isolation stage (1) is set up to clock the at least two converter modules (11) out of phase with one another. 4. Konverter gemäss einem der Patentansprüche 2 bis 3, wobei die Konvertermodule (11) dazu eingerichtet sind, zum weichen Schalten über eine gesamte Netzperiode und lastunabhängig die Erzeugung einer an den jeweiligen Transformator gefegten symmetrischen Rechteckspannung derart vorzunehmen, dass die Frequenz von der Resonanzfrequenz des jeweiligen als Serienresonanzkonverter betriebenen Konvertermoduls (11) verschieden und insbesondere tiefer ist, und so einen das weiche Schalten befördernden Magnetisierungsstrom des Transformators zu bilden und das Einschalten eines Transistors erst dann vorzunehmen, wenn die Spannung über dem Transistor zu Null geworden ist.4. Converter according to one of the claims 2 to 3, wherein the converter modules (11) are set up for soft switching over an entire network period and regardless of load to generate a swept symmetrical square wave voltage on the respective transformer such that the frequency of the resonance frequency of the each converter module (11) operated as a series resonance converter is different and, in particular, deeper, and so to form a magnetizing current of the transformer which promotes soft switching and to switch on a transistor only when the voltage across the transistor has become zero. 5. Konverter gemäss Patentanspruch 1, wobei die Potentialtrennstufe (1) dazu eingerichtet ist, an ein ein Dreiphasennetz bildendes Primärsystem angeschlossen zu werden, und die Regel-Konverterstufe (2) dazu eingerichtet ist, an einen ersten und einen zweiten Gleichspannungs-Anschluss des Sekundärsystems angeschlossen zu werden, wobei der Konverter die folgende Struktur aufweist: • primärseitig ist zwischen einem ersten Phasenanschlusspunkt (R) und einem Verbindungspunkt (X) eine erste Serieschaltung von ersten Konvertermodulen (11) geschaltet, welche zwischenkreisseitig parallel geschaltet sind und einen gemeinsamen ersten Zwischenkreis speisen, an welchem ein erster Regel-Konverter (21) der Regel-Konverterstufe (2) angeschlossen ist und zum Anschluss an den ersten Gleichspannungs- Anschluss des Sekundärsystems eingerichtet ist; • primärseitig ist zwischen einem zweiten Phasenanschlusspunkt (S) und dem Verbindungspunkt (X) eine zweite Serieschaltung von zweiten Konvertermodulen (11) geschaltet, • primärseitig ist zwischen einem dritten Phasenanschlusspunkt (T) und dem Verbindungspunkt (X) eine dritte Serieschaltung von dritten Konvertermodulen (11) in einer der zweiten Serienschaltung gleichen Anzahl geschaltet, • die zweiten und dritten Konvertermodule (11) der zweiten und der dritten Serieschaltung sind zwischenkreisseitig parallel geschaltet und speisen einen gemeinsamen zweiten Zwischenkreis, an welchem ein zweiter Regel-Konverter (21) der Regel-Konverterstufe (2) angeschlossen ist und zum Anschluss an den zweiten Gleichspannungs- Anschluss des Sekundärsystems eingerichtet ist, wobei die ersten, zweiten und dritten Konvertermodule (11) jeweils einen Transformator aufweisen und als zumindest nahe dem Resonanzpunkt betriebene Serienresonanzkonverter betreibbar sind.5. Converter according to claim 1, wherein the potential isolation stage (1) is set up to be connected to a three-phase network forming primary system, and the control converter stage (2) is set up to a first and a second DC voltage connection of the secondary system to be connected, the converter having the following structure: • on the primary side, between a first phase connection point (R) and a connection point (X), a first series circuit of first converter modules (11) is connected, which are connected in parallel on the intermediate circuit side and feed a common first intermediate circuit, on which a first control converter (21) Control converter stage (2) is connected and is set up for connection to the first DC voltage connection of the secondary system; A second series connection of second converter modules (11) is connected on the primary side between a second phase connection point (S) and the connection point (X), On the primary side, between a third phase connection point (T) and the connection point (X), a third series connection of third converter modules (11) is connected in a number equal to that of the second series connection, • The second and third converter modules (11) of the second and third series circuit are connected in parallel on the intermediate circuit side and feed a common second intermediate circuit, to which a second regulating converter (21) of the regulating converter stage (2) is connected and for connection to the second DC voltage connection of the secondary system is set up, wherein the first, second and third converter modules (11) each have a transformer and can be operated as a series resonance converter operated at least near the resonance point. 6. Konverter gemäss Anspruch 5, in welchem das Windungszahlverhältnis der Transformatoren der ersten Serienschaltung gegenüber der zweiten und dritten Serienschaltung derart ist, dass im ersten und zweiten Zwischenkreis Spannungen gleicher Amplitude auftreten.6. Converter according to claim 5, in which the number of turns ratio of the transformers of the first series circuit compared to the second and third series circuit is such that voltages of the same amplitude occur in the first and second intermediate circuit. 7. Konverter gemäss einem der Patentansprüche 2 bis 6, mit nur einer einzelnen, gemeinsamen Diodenbrücke für alle Konvertermodule (11) der Potentialtrennstufe (1).7. Converter according to one of the claims 2 to 6, with only a single, common diode bridge for all converter modules (11) of the potential isolation stage (1). 8. Konverter gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Potentialtrennstufe (1) dazu eingerichtet ist, die Zwischenkreisspannung aus einer oder mehreren durch das Primärsystem vorgegebenen Wechselspannungen zu erzeugen.8. Converter according to one of the preceding claims, wherein the potential isolation stage (1) is set up to generate the intermediate circuit voltage from one or more AC voltages predetermined by the primary system. 9. Konverter gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Regel-Konverterstufe (2) dazu eingerichtet ist, die Zwischenkreisspannung in eine Gleichspannung des Sekundärsystems zu transformieren.9. Converter according to one of the preceding claims, wherein the control converter stage (2) is set up to transform the intermediate circuit voltage into a DC voltage of the secondary system.
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