DE102013007077A1 - Circuit arrangement for conversion between DC and AC voltage - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung, bei der ein Pol des Gleichspannungsanschlusses mit einem Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist. Die Schaltungsanordnung ist so ausgestaltet, dass über einen Tiefsetz- bzw. Hochsetzsteller von der Gleichspannungs- zur Wechselspannungsseite oder umgekehrt Energie übertragen wird, solange das Vorzeichen der Gleichspannung dem Vorzeichen der Wechselspannung entspricht und im anderen Fall die Energie durch Zwischenspeicherung in einem Kondensator zwischen den beiden Seiten übertragen wird. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung kommt mit einer geringen Anzahl an Leistungshalbleitern aus, weist geringe Verluste auf und lässt sich als Wechselrichter für Dünnschicht-Solarzellen oder rückseitenkontaktierte Solarzellen einsetzen.The present invention relates to a circuit arrangement for converting between a DC voltage and an AC voltage, in which a pole of the DC voltage connection is connected to a pole of the AC voltage connection. The circuit arrangement is designed in such a way that energy is transferred from the DC voltage side to the AC voltage side or vice versa via a step-down or step-up converter, as long as the sign of the DC voltage corresponds to the sign of the AC voltage and in the other case the energy is stored temporarily in a capacitor between the two Pages is transferred. The proposed circuit arrangement manages with a small number of power semiconductors, has low losses and can be used as an inverter for thin-film solar cells or rear-contacted solar cells.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung, bei der ein Pol des Gleichspannungsanschlusses mit einem Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist.The present invention relates to a circuit arrangement for converting between a DC voltage and an AC voltage, wherein one pole of the DC voltage terminal is connected to one pole of the AC voltage terminal.
Eine derartige Schaltungsanordnung lässt sich beispielsweise einsetzen, um photovoltaisch erzeugte Energie ins Stromnetz einzuspeisen oder damit ein elektrisches Inselnetz zu betreiben. So ist es beim Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen notwendig, dass der Minuspol des Solargenerators auf Erdpotential liegt, um eine irreversible Schädigung der Solarzellen durch TCO-Korrosion (TCO: Transparent Conductive Oxide) zu verhindern. Beim Betrieb von rückseitenkontakierten Solarzellen ist es dagegen erforderlich, dass der Pluspol des Solargenerators auf Erdpotential liegt, weil sich sonst der Zellenwirkungsgrad durch einen reversiblen Polarisationseffekt verschlechtert. Diese Forderungen werden mit einer Schaltungsanordnung zur Wandlung der Gleichspannung aus dem Solargenerator in Wechselspannung erfüllt, bei dem ein Pol des Gleichspannungsanschlusses mit einem Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist. Durch diese Verbindung werden auch Anforderungen an den Personenschutz erfüllt, da keine kapazitiven Ableitströme über den Solargenerator fließen.Such a circuit arrangement can be used, for example, to feed photovoltaically generated energy into the power grid or thus to operate an electrical stand-alone grid. Thus, when operating thin-film solar cells, it is necessary for the negative pole of the solar generator to be at earth potential in order to prevent irreversible damage to the solar cells due to TCO (Transparent Conductive Oxide) corrosion. When operating back-contacted solar cells, however, it is necessary that the positive pole of the solar generator is at ground potential, because otherwise the cell efficiency deteriorates due to a reversible polarization effect. These requirements are met with a circuit arrangement for converting the DC voltage from the solar generator into AC voltage, wherein one pole of the DC voltage terminal is connected to one pole of the AC voltage terminal. This connection also meets requirements for personal protection, since no capacitive leakage currents flow through the solar generator.
Stand der TechnikState of the art
Zahlreiche bekannte Schaltungsanordnungen zur Wandlung von Gleich- in Wechselspannung ermöglichen es entweder nicht, einen Pol des Solargenerators auf Erdpotential zu legen oder nutzen Transformatoren, um das Eingangspotential vom Ausgangspotential zu trennen. Wechselrichter mit Transformatoren haben jedoch den Nachteil eines höheren Gewichtes, eines höheren Bauvolumens und eines geringeren Wirkungsgrades gegenüber transformatorlosen Schaltungen.Many known circuits for converting DC into AC voltage either do not allow one pole of the solar generator to be grounded or use transformers to separate the input potential from the output potential. However, inverters with transformers have the disadvantage of a higher weight, a larger overall volume and a lower efficiency compared to transformerless circuits.
Aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung anzugeben, die sich für den Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen oder rückseitenkontaktierten Solarzellen eignet, ein geringes Bauvolumen und Gewicht sowie niedrige Verluste aufweist und sich mit einer geringen Anzahl an Leistungsbauelementen realisieren lässt. Die Schaltungsanordnung soll auch in der Lage sein, Blindleistung am Wechselspannungsanschluss zu liefern.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement for the conversion between a DC voltage and an AC voltage, which is suitable for the operation of thin-film solar cells or back-contacted solar cells, a small volume and weight and low losses and has a small number Can realize power components. The circuit should also be able to provide reactive power at the AC voltage port.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the circuit arrangement according to
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung weist in bekannter Weise eine Gleichspannungsseite mit einem Gleichspannungsanschluss und eine Wechselspannungsseite mit einem Wechselspannungsanschluss auf. Ein erster Pol des Gleichspannungsanschlusses ist bei der Schaltungsanordnung mit einem ersten Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden, so dass beim Betrieb der Schaltungsanordnung an einer Dünnschicht-Solarzelle oder einer rückseitenkontaktierten Solarzelle der Minus- bzw. Pluspol des Solargenerators auf Erdpotential gelegt werden kann. Zwischen dem Gleichspannungs- und dem Wechselspannungsanschluss ist über mehrere Schalter ein Tiefsetzsteller vom Gleichspannungs- zum Wechselspannungsanschluss oder ein Hochsetzsteller vom Wechselspannungs- zum Gleichspannungsanschluss gebildet, durch den Energie vom Gleichspannungs- zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt übertragbar ist, solange das Vorzeichen der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss dem Vorzeichen der Wechselspannung am Wechselspannungsanschluss entspricht. Wenigstens ein erster Kondensator ist bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung so zwischen dem Gleichspannungs- und dem Wechselspannungsanschluss verschaltet, dass die Energie durch Zwischenspeicherung in diesem Kondensator vom Gleichspannungs- zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt übertragbar ist, solange das Vorzeichen der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss nicht dem Vorzeichen der Wechselspannung am Wechselspannungsanschluss entspricht. Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung auch mindestens einen zweiten Kondensator auf, der parallel zum Gleichspannungsanschluss geschaltet ist.The proposed circuit arrangement for the conversion between a DC voltage and an AC voltage has, in a known manner, a DC voltage side with a DC voltage connection and an AC voltage side with an AC voltage connection. A first pole of the DC voltage terminal is connected in the circuit arrangement with a first pole of the AC voltage terminal, so that when operating the circuit arrangement on a thin-film solar cell or a back-contacted solar cell of the negative or positive pole of the solar generator can be set to ground potential. Between the DC voltage and the AC voltage connection, a step-down converter from the DC voltage to the AC voltage connection or a step-up converter from the AC voltage to the DC voltage terminal is formed by a plurality of switches, can be transmitted by the energy from the DC voltage to the AC voltage terminal or vice versa, as long as the sign of the DC voltage at the DC voltage terminal the sign corresponds to the AC voltage at the AC voltage terminal. At least a first capacitor is connected in the proposed circuit arrangement between the DC voltage and the AC voltage terminal, that the energy is transferable by caching in this capacitor from the DC voltage to the AC terminal or vice versa, as long as the sign of the DC voltage at the DC voltage terminal does not follow the sign of the AC voltage AC voltage connection corresponds. Preferably, the circuit arrangement also has at least one second capacitor, which is connected in parallel to the DC voltage connection.
Bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird somit im Gegensatz zu der vorangehend genannten
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung weist zusätzlich zum ersten Kondensator zumindest vier Schalter, eine erste Spule zur Begrenzung des Kondensatorstromes des ersten Kondensators sowie eine zweite Spule zur Glättung des Wechselstromes am Wechselspannungsanschluss auf. Ein grundsätzlicher Aufbau der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele in den
In allen vorgeschlagenen Ausgestaltungen der vorliegenden Schaltungsanordnung ist vorzugsweise ein erster Anschluss des ersten Kondensators über die erste Spule sowie einen ersten Schalter oder eine erste Diode – oder alternativ eine Reihenschaltung aus einem ersten Schalter oder einer ersten Diode und einer zweiten Diode – mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Parallel zum ersten Kondensator ist eine Reihenschaltung aus einem zweiten und einem dritten Schalter, jeweils mit parallel geschalteter Diode, ausgebildet. Ein Mittenabgriff zwischen dem zweiten und dritten Schalter ist mit dem ersten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Kondensators ist über eine Reihenschaltung aus einem fünften und vierten Schalter, jeweils mit parallel geschalteter Diode, direkt oder über den ersten Schalter oder die erste Diode mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle und über einen Mittenabgriff zwischen dem vierten und dem fünften Schalter über eine zweite Spule mit dem zweiten Pol der Wechselspannungsquelle verbunden. Durch eine derartige Anordnung wird bei entsprechender Ansteuerung der Schalter erreicht, dass die Energie vom Gleichspannungsanschluss zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt mittels eines Tiefsetzstellers bzw. Hochsetzstellers, bestehend aus dem vierten und fünften Schalter, übertragen wird, solange das Vorzeichen der Spannung am Wechselspannungsanschluss dem Vorzeichen der Spannung am Gleichspannungsanschluss entspricht. In dem Zeitraum, in dem die Spannung am Wechselspannungsanschluss das umgekehrte Vorzeichen der Spannung am Gleichspannungsanschluss hat, erfolgt die Energieübertragung vom Gleichspannungsanschluss zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt dadurch, dass die Energie im ersten Kondensator zwischengespeichert wird. Die einzelnen Schalter werden bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung in bekannter Weise über pulsweitenmodulierte Schaltsignale angesteuert, um die Wandlung zwischen der Gleich- und der Wechselspannung zu erreichen.In all proposed embodiments of the present circuit arrangement is preferably a first terminal of the first capacitor via the first coil and a first switch or a first diode - or alternatively a series connection of a first switch or a first diode and a second diode - with the second pole of DC voltage source connected. Parallel to the first capacitor, a series circuit of a second and a third switch, each with parallel-connected diode is formed. A center tap between the second and third switches is connected to the first pole of the DC voltage source. The second terminal of the first capacitor is connected via a series circuit of a fifth and fourth switch, each with a diode connected in parallel, directly or via the first switch or the first diode to the second pole of the DC voltage source and via a center tap between the fourth and the fifth switch connected via a second coil to the second pole of the AC voltage source. By such an arrangement is achieved with appropriate control of the switch that the energy from the DC voltage connection to the AC voltage terminal or vice versa by means of a buck converter or boost converter, consisting of the fourth and fifth switch, transmitted as long as the sign of the voltage at the AC voltage terminal the sign of the voltage corresponds to the DC voltage connection. In the period in which the voltage at the AC terminal has the opposite sign of the voltage at the DC terminal, the energy transfer from the DC terminal to the AC terminal or vice versa, by the fact that the energy in the first capacitor is cached. The individual switches are known in the proposed circuit arrangement Mode driven via pulse width modulated switching signals to achieve the conversion between the DC and AC voltage.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung arbeitet bei der Wandlung von Gleich- in Wechselspannung bzw. umgekehrt als sogenannter Dreipunkt-Umrichter. Die Spannung an demjenigen Pol der zweiten Spule, der mit dem Mittelabgriff von viertem und fünftem Schalter verbunden ist, kann dabei gegenüber dem ersten Pol der Wechselspannungsquelle drei Spannungsstufen annehmen, positive Spannung, null und negative Spannung. Gegenüber einem Zweipunkt-Umrichter verursacht dies geringere Verluste und die zweite Spule kann kleiner ausfallen. Beim Nachladen des ersten Kondensators kann der erste Schalter stromlos abgeschaltet werden, so dass Schaltverluste verringert werden.The proposed circuit arrangement operates in the conversion of DC into AC voltage or vice versa as a so-called three-step converter. The voltage at that pole of the second coil, which is connected to the center tap of the fourth and fifth switches, can assume three voltage levels with respect to the first pole of the AC voltage source, positive voltage, zero and negative voltage. Compared to a two-position inverter this causes lower losses and the second coil can be smaller. When reloading the first capacitor, the first switch can be de-energized, so that switching losses are reduced.
Besonders vorteilhaft lässt sich eine Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform realisieren, die nur fünf Schalter bzw. aktiv schaltbare Leistungshalbleiter, benötigt. Die Sperrspannungen aller Halbleiter übersteigen die Spannung eines am Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Solargenerators nicht wesentlich, so dass der Einsatz konventioneller Halbleiter ermöglicht wird. Diese Ausgestaltung führt zu einem relativ kostengünstigen Aufbau und zu geringen Schaltverlusten. Bei dieser Ausgestaltung ist der erste Anschluss des ersten Kondensators über die erste Spule, eine erste Diode sowie einen ersten Schalter mit paralleler Diode mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsanschlusses verbunden. Eine zweite Diode verbindet den ersten Pol der Gleichspannungsquelle mit einem Mittenabgriff zwischen erstem Schalter und erster Diode. Die Reihenschaltung aus fünftem und viertem Schalter ist über diesen Mittenabgriff und den ersten Schalter mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden.It is particularly advantageous to realize a circuit arrangement according to a first embodiment which requires only five switches or actively switchable power semiconductors. The blocking voltages of all semiconductors do not significantly exceed the voltage of a solar generator connected to the DC voltage connection, so that the use of conventional semiconductors is made possible. This embodiment leads to a relatively inexpensive construction and low switching losses. In this embodiment, the first terminal of the first capacitor via the first coil, a first diode and a first switch with a parallel diode is connected to the second pole of the DC voltage terminal. A second diode connects the first pole of the DC voltage source to a center tap between the first switch and the first diode. The series connection of the fifth and fourth switches is connected via this center tap and the first switch to the second pole of the DC voltage source.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ist in der Ausgestaltung als Wechselrichter besonders für den Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen oder rückseitenkontaktierten Solarzellen geeignet. Die Anwendung der Schaltungsanordnung ist jedoch nicht nur auf das Gebiet der Photovoltaik beschränkt. Die Schaltung kann überall dort eingesetzt werden, wo es notwendig ist, Gleichspannung in Wechselspannung oder Wechselspannung in Gleichspannung umzuformen. Außer Solargeneratoren können an die Gleichspannungsseite beispielsweise auch Batterien oder Brennstoffzellen angeschlossen werden. Bei einem gleichspannungsseitigen Verbund eines Solargenerators und eines elektrischen Energiespeichers kann Energie sowohl in das wechselspannungsseitig angeschlossene Stromnetz eingespeist werden, als auch der Energiespeicher aus dem Netz geladen werden. Die Schaltungsanordnung eignet sich auch nicht nur für den Betrieb an einphasigen Wechselstromquellen bzw. Wechselstromlasten, sondern auch für den Betrieb an mehrphasigen Quellen bzw. Lasten. Dazu müssen lediglich mehrere der vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen für die einzelnen Phasen miteinander verbunden werden. Zur Erweiterung des zulässigen Spannungsbereiches an der Gleichspannungsseite kann die Schaltungsanordnung auch einen zusätzlichen DC-DC-Steller aufweisen.The proposed circuit arrangement is suitable in the embodiment as an inverter particularly for the operation of thin-film solar cells or back-contacted solar cells. However, the application of the circuit arrangement is not limited only to the field of photovoltaics. The circuit can be used wherever it is necessary to convert DC voltage into AC voltage or AC voltage into DC voltage. Apart from solar generators, batteries or fuel cells can also be connected to the DC side, for example. In a DC side composite of a solar generator and an electrical energy storage energy can be fed into both the AC side connected power grid, as well as the energy storage are charged from the network. The circuit arrangement is also suitable not only for operation on single-phase AC sources or AC loads, but also for operation on multi-phase sources or loads. For this purpose, only several of the proposed circuit arrangements for the individual phases must be connected to each other. To extend the permissible voltage range on the DC side, the circuit arrangement may also have an additional DC-DC controller.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed circuit arrangement will be explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung kann in verschiedenen Varianten als Gleichrichter, als Wechselrichter oder als Gleich- und Wechselrichter aufgebaut werden.
G1 stellt eine Gleichspannungsquelle bzw. eine Gleichspannungslast dar, die mit den Gleichspannungsanschlüssen der Schaltungsanordnung verbunden ist. W1 stellt eine Wechselspannungsquelle bzw. eine Wechselspannungslast dar, die mit den beiden Wechselspannungsanschlüssen der Schaltungsanordnung verbunden ist. S1 bis S6 sind Schalter in Form von abschaltbaren Leistungshalbleitern, jeweils mit parallel geschalteter Diode. Die Schalter S1 und S6 können dabei je nach Anwendungsfall durch die Dioden D1 bzw. D6 ersetzt werden. Der Schalter S6 kann auch ganz entfallen. Ein Kondensator C1, in der vorangehenden Beschreibung als zweiter Kondensator bezeichnet, ist parallel zur Gleichspannungsquelle G1 geschaltet. Dieser Kondensator könnte auch in die Gleichspannungsquelle integriert sein. Die zweite Spule L2 dient dazu, den Wechselstrom iA zu glätten. Die Diode D7 kann je nach Anwendungsfall in einer der beiden gezeichneten Richtungen eingesetzt oder durch eine direkte Verbindung ersetzt werden. Der Kondensator C3 ist zum Betrieb eines Inselnetzes erforderlich, kann jedoch bei einem Betrieb der Schaltungsanordnung am Stromnetz entfallen.G1 represents a DC voltage source or a DC load, which is connected to the DC voltage terminals of the circuit arrangement. W1 represents an AC voltage source or an AC load, which is connected to the two AC voltage terminals of the circuit arrangement. S1 to S6 are switches in the form of turn-off power semiconductors, each with parallel-connected diode. The switches S1 and S6 can be replaced by the diodes D1 and D6 depending on the application. The switch S6 can also be omitted altogether. A capacitor C1, referred to in the foregoing description as a second capacitor, is connected in parallel with the DC voltage source G1. This capacitor could also be integrated in the DC voltage source. The second coil L2 serves to smooth the alternating current i A. The diode D7 can be used depending on the application in one of the two directions drawn or replaced by a direct connection. The capacitor C3 is required for operating an isolated network, but can be omitted in an operation of the circuit arrangement on the power grid.
Charakteristisch für die vorgeschlagene Schaltungstopologie ist, dass Energie von G1 nach W1 bzw. umgekehrt mittels eines Tief-/Hochsetzstellers, bestehend aus S4 und S5, übertragen wird, solange das Vorzeichen der Spannung uA am Wechselspannungsanschluss dem Vorzeichen der Spannung UD am Gleichspannungsanschluss entspricht. In dem Zeitraum, in dem die Spannung uA das umgekehrte Vorzeichen der Spannung UD hat, erfolgt die Energieübertragung von G1 nach W1 bzw. umgekehrt dadurch, dass Energie im Kondensator C2 zwischengespeichert wird, in der vorangehenden Beschreibung als erster Kondensator bezeichnet. Die erste Spule L1 dient zur Begrenzung des Kondensatorstromes iC2. Characteristic of the proposed circuit topology is that energy from G1 to W1 or vice versa by means of a buck / boost converter, consisting of S4 and S5, is transmitted, as long as the sign of the voltage u A at the AC voltage terminal corresponds to the sign of the voltage U D at the DC voltage terminal , In the period in which the voltage u A has the opposite sign of the voltage U D , the energy transfer from G1 to W1 or vice versa, in that energy in the capacitor C2 is latched, referred to in the foregoing description as the first capacitor. The first coil L1 serves to limit the capacitor current i C2 .
In den folgenden Darstellungen der
Die einfachsten Schaltungsvarianten zum Wechselrichterbetrieb sind die in den
Bei den Schaltungsvarianten 1 und 3 müssen die Leistungshalbleiter S1 bis S5 und D6 und D7 keine wesentlich höheren Spannungen als die Spannung UD sperren können. Bei den Schaltungsvarianten 2 und 4 ist die maximal auftretende Spannung am Schalter S4 größer und entspricht etwa dem doppelten Wert der Spannung UD. Die Schaltungsvarianten 3 und 4 eignen sich vor allem für den Betrieb an Solarzellen mit einer Spannung < ca. 500 V bei einer Netzspannung von 230 V.In
Die Bauteile L1 (erste Spule) und C2 (erster Kondensator) bilden einen Resonanzkreis. Bei den Schaltungsvarianten 1 und 2 geht nach dem Schließen des Schalters S1 der Ladestrom des Kondensators C2 wieder von selbst auf null zurück, da die Diode D7 verhindert, dass der Kondensator C2 über die Spule L1 wieder entladen wird. In den Schaltungsvarianten 3 und 4 ist diese Diode D7 nicht vorhanden. Der Ladestrom des Kondensators C2 muss dort aktiv über S1 ein- und ausgeschaltet werden.The components L1 (first coil) and C2 (first capacitor) form a resonant circuit. In the
Zum Betrieb als Gleichrichter eignen sich die Schaltungsvarianten 4 bis 7 der
Zum Stellen einer positiven Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 1 und 2 versetzt. Es wird davon ausgegangen, dass die Spannung uC2 zunächst mindestens so groß wie die Spannung UD ist. Im Zustand 1 sind die Schalter S1, S3 und S4 geschlossen, die Schalter S2 und S5 geöffnet. Der Strom iA fließt über S1, S4 und L2. Bei positiven Strom iA fließt Energie von G1 bzw. C1 nach W1, bei negativem Strom iA fließt Energie von W1 in den Kondensator C1. Im Zustand 2 sind die Schalter S1, S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2.To set a positive voltage u A , the circuit is alternately set to
Zum Stellen einer negativen Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 3 sind die Schalter S2 und S5 geschlossen, die Schalter S1, S3 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über C2, S2, S5 und L2. Bei negativem Strom iA fließt Energie von C2 nach W1, bei positivem Strom iA fließt Energie von W1 nach C2. Im Zustand 4 sind die Schalter S1, S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2. Sofern die Kondensatorspannung uC2 kleiner als die Spannung UD ist, wird der Kondensator C2 über G1, S1, D7, L1 und S3 nachgeladen.To set a negative voltage u A , the circuit is alternately set to
Die Zeitdauern, in denen sich die Schaltung in den Zuständen 1 bis 4 befindet, werden von einer Pulsweitenmodulation bestimmt, mit der die einzelnen Schalter S1 bis S5 angesteuert werden.
Zum Stellen einer positiven Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in den Zustand 1 und einen der Freilaufzustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 1 sind die Schalter S1, S3 und S4 geschlossen, die Schalter S2 und S5 sind geöffnet. Der Strom iA fließt über S1, S4 und L2. Bei positivem Strom iA fließt Energie von G1 bzw. C1 nach W1, bei negativem Strom iA fließt Energie von W1 in den Kondensator C1. Sofern die Kondensatorspannung uC2 kleiner als die Spannung UD ist, baut sich über die Spule L1 der Kondensatorladestrom iC2 auf.To set a positive voltage u A , the circuit is alternately in the
Zum Stellen einer negativen Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in den Zustand 2 und einen der Freilaufzustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 2 sind die Schalter S2 und S5 geschlossen, die Schalter S1, S3 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über C2, S2, S5 und L2. Bei negativem Strom iA fließt Energie von C2 nach W1, bei positivem Strom iA fließt Energie von W1 nach C2. Sofern beim Wechsel in den Zustand 2 noch Strom über die Spule L1 fließt, wird dieser Stromfluss über D6 und S2 aufrechterhalten.To set a negative voltage u A , the circuit is alternately in the
In den Freilaufzuständen 3 und 4 sind die Schalter S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2. Im Freilaufzustand 3 ist der Schalter S1 geschlossen und der Kondensatorladestrom iC2, der über die Bauteile G1, S1, L1, C2 und S3 fließt, steigt an, sofern die Spannung uC2 kleiner als die Spannung UD ist. Im Freilaufzustand 4 ist der Schalter S1 geöffnet und der Kondensatorladestrom iC2, der über die Bauteile D6, L1, C2 und S3 fließt, wird abgebaut. Sobald er den Wert null erreicht hat, sperrt die Diode D6.In the
Die Zeitdauern, in denen sich die Schaltung in den Zuständen 1 bis 4 befindet, werden wiederum von einer Pulsweitenmodulation bestimmt, wie dies beispielhaft in der
Bei einer positiven Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 1 und 2 versetzt. Es wird davon ausgegangen, dass die Spannung uC2 zunächst kleiner als die Spannung UD ist. Im Zustand 1 sind die Schalter S3 und S4 geschlossen, die Schalter S2, S5 und S6 geöffnet. Bei positivem Strom iA fließt Energie vom Kondensator C2 über L1, D7, S4, L2 und S3 nach W1, bei negativem Strom iA fließt Energie von W1 über L2, S4 und D1 nach G1. Im Zustand 2 sind die Schalter S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2, S4 und S6 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2.At a positive voltage u A , the circuit is alternately set to
Bei einer negativen Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 3 sind die Schalter S2, S5 und S6 geschlossen, die Schalter S3 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über C2, S2, S5 und L2. Bei negativem Strom iA fließt Energie von C2 nach W1, bei positivem Strom iA fließt Energie von W1 nach C2. Im Zustand 4 sind die Schalter S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2, S4 und S6 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2. Sofern die Kondensatorspannung uC2 größer als die Spannung UD ist, wird der Kondensator C2 über G1, D1, D7, L1 und S3 entladen.At a negative voltage u A , the circuit is alternately set to
Der Schalter S6 dient dazu, die Spannung über dem Schalter S4 im Zustand 3 zu begrenzen, so dass S4 keine wesentlich höheren Spannungen als UD sperren muss.The switch S6 is used to limit the voltage across the switch S4 in
Die Schaltungsvariante 6 funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Die zu sperrenden Spannungen an S4 sind jedoch etwa doppelt so hoch als bei Variante 5. Die Bauteile S6 und D7 können entfallen, da sie in Variante 5 nur zur Spannungsbegrenzung über S4 dienen. Die Bereitstellung von Blindleistung auf der Wechselspannungsseite geschieht während der positiven Spannungshalbwelle nicht über C2, sondern wegen der direkten Verbindung zwischen S4 und C1 über C1.
Die Zeitdauern, in denen sich die Schaltung in den Zuständen 1 bis 4 befindet, werden wiederum von einer Pulsweitenmodulation bestimmt, wie sie durch die Schaltmuster der
Bei einer positiven Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in den Zustand 1 und einen der Freilaufzustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 1 sind die Schalter S3 und S4 geschlossen, die Schalter S1, S2, S5 und S6 sind geöffnet. Der Strom iA fließt über S4 und L2. Bei positivem Strom iA fließt Energie von C1 nach W1, bei negativem Strom iA fließt Energie von W1 nach G1 bzw. C1.At a positive voltage u A , the circuit is alternately set in the
Bei einer negativen Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in den Zustand 2 und einen der Freilaufzustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 2 sind die Schalter S2 und S5 geschlossen, die Schalter S1, S3, S4 und S6 geöffnet. Der Strom iA fließt über C2, S2, S5 und L2. Bei negativem Strom iA fließt Energie von C2 nach W1, bei positivem Strom iA fließt Energie von W1 nach C2.At a negative voltage u A , the circuit is alternately set to
In den Freilaufzuständen 3 und 4 sind die Schalter S3 und S5 geschlossen, die Schalter S1, S2 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2. Im Freilaufzustand 3 ist der Schalter S6 geschlossen und der Kondensatorstrom iC2, der über die Bauteile C2, L1, S6 und S3 fließt, wird negativ. Im Freilaufzustand 4 ist der Schalter S6 geöffnet und der Kondensatorstrom iC2, der über die Bauteile C2, L1, S1, G1 und S3 fließt, wird abgebaut. Es fließt Energie von C2 nach G1.In the
Die Zeitdauern, in denen sich die Schaltung in den Zuständen 1 bis 4 befindet, werden von einer Pulsweitenmodulation bestimmt.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung eignet sich nicht nur für den Betrieb an einphasigen Wechselstromquellen bzw. Wechselstromlasten, sondern auch für den Betrieb an mehrphasigen Wechselstromquellen bzw. Wechselstromlasten. Dazu sind lediglich mehrere der beschriebenen Schaltungen miteinander zu verbinden. Dies ist beispielhaft in
Im Folgenden werden beispielhafte Dimensionierungen der Bauteile für das Beispiel eines Wechselrichters der Schaltungsvariante 1 beim Betrieb an einem Solargenerator angegeben. Dabei wird von einem Effektivwert der Netzspannung von 230 V (+15%/–20%), einer Netzfrequenz von 50 Hz, einer Spannung an der Solarzelle von mindestens 500 V bei einer Leistung des Solarwechselrichters von 3 kVA und einer Schaltfrequenz von 16 kHz ausgegangen. In der Schaltungsvariante 1 puffert der Kondensator C2 die Energie, die ans Netz abgegeben wird, solange uA das entgegengesetzte Vorzeichen von UD hat. Der Ladevorgang von C2, wie er in Verbindung mit den
Mit
Der in
Durch die Resonanzfrequenz von L1 und C2 ist damit das Produkt der Werte der beiden Bauelemente bestimmt. Das Verhältnis von L1/C2 stellt dann noch einen Freiheitsgrad zur Optimierung bezüglich Verlusten und Baugröße dar. Für die Schaltungsvariante 1 können dann die folgenden Bauteilwerte für die Kondensatoren und Spulen der Schaltungsvariante 1 verwendet werden:
L1 = 470 nH
C2 = 47 μF
C1 = 1000 μF
L2 = 5 mH.The resonant frequency of L1 and C2 determines the product of the values of the two components. The ratio of L1 / C2 then represents one more degree of freedom for optimization with regard to losses and size. For
L1 = 470 nH
C2 = 47 μF
C1 = 1000 μF
L2 = 5 mH.
Grundsätzlich ist die Netzfrequenz des vorgeschlagenen Umrichters frei wählbar. Er funktioniert somit sowohl am 50 Hz-Netz als auch beispielsweise an einem 60 Hz-Netz. Die Schaltfrequenz ist abhängig von der Technologie der eingesetzten Leistungshalbleiter. Beim Aufbau mit Silizium-IGBTs oder Silizium-MOSFETs bewegt sich diese im unteren zweistelligen kHz-Bereich. Werden Siliziumcarbid-Halbleiter eingesetzt, kann die Schaltfrequenz bis in den dreistelligen kHz-Bereich erhöht werden. Die Schalter S1 bis S6 sowie die Dioden D1 bis D7 können bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung aus einzelnen Leistungshalbleitern oder auch aus einer Reihenschaltung mehrerer Leistungshalbleiter bestehen, gegebenenfalls in Verbindung mit einer geeigneten Beschaltung zur Spannungsbegrenzung an den Einzelhalbleitern. Auch weitere Bauelemente können bei Bedarf in die Schaltungsanordnung integriert sein.Basically, the mains frequency of the proposed inverter is freely selectable. It thus works both on the 50 Hz network and, for example, on a 60 Hz network. The switching frequency depends on the technology of the power semiconductors used. When built with silicon IGBTs or silicon MOSFETs, this moves in the lower double-digit kHz range. If silicon carbide semiconductors are used, the switching frequency can be increased up to the three-digit kHz range. The switches S1 to S6 and the diodes D1 to D7 may consist in the proposed circuit arrangement of individual power semiconductors or from a series circuit of several power semiconductors, optionally in conjunction with a suitable circuit for limiting the voltage to the individual semiconductors. Further components can be integrated into the circuit arrangement as needed.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
- G1G1
- Gleichspannungsquelle/-lastDC voltage source / load
- W1W1
- Wechselspannungsquelle/-lastAC voltage source / load
- S1 bis S6S1 to S6
- Abschaltbare LeistungshalbleiterSwitchable power semiconductors
- D1 bis D7D1 to D7
- Diodendiodes
- C1C1
- zweiter Kondensatorsecond capacitor
- C2C2
- erster Kondensatorfirst capacitor
- C3C3
- dritter Kondensatorthird capacitor
- L1L1
- erste Spulefirst coil
- L2L2
- zweite Spulesecond coil
- S8S8
- Leistungshalbleiter/RelaiskontaktPower semiconductor / relay contact
- DCDC
- DC-DC-StellerDC-DC regulator
- P1–P3P1-P3
- Phasenphases
- NN
- Neutralleiterneutral
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008048841 B3 [0004, 0008] DE 102008048841 B3 [0004, 0008]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- VDE-AR-N 4105 [0008] VDE-AR-N 4105 [0008]
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DE102008048841B3 (en) | 2008-09-25 | 2010-01-28 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Isolating circuit for inverter |
-
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Yunjie Gu ; Wuhua Li ; Bo Yang ; Jiande Wu ; Yan Deng ; Xiangning HeA transformerless grid connected photovoltaic inverter with switched capacitorsApplied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011 Twenty-Sixth Annual IEEEDigital Object Identifier: 10.1109/APEC.2011.5744861Publication Year: 2011 , Page(s): 1940 - 1944 * |
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DE102014002592A1 (en) | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Karlsruher Institut für Technologie | Circuit arrangements and methods for tapping electrical power from multiple module strings |
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