DE102016224310A1 - High efficiency power converter for single-phase systems - Google Patents

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Abstract

Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme, umfassendeine erste Schaltung,eine zweite Schaltung undeine Filterschaltung,wobeidie erste Schaltung Anschlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung aufweist, zwischen denen ein Zwischenkreis mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren sowie parallel zum Zwischenkreis zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken angeordnet sind,der Zwischenkreis als geteilter Zwischenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mittelpunkts einer Zwischenkreisspannung am zwischen den Kondensatoren befindlichen Punkt vorgesehen ist,die Potentialpunkte zwischen den Kondensatoren sowie zwischen den ersten Halbbrücken miteinander verbunden sind,die Filterschaltung erste Anschlüsse umfasst, zwischen denen eine Serie aus einer ersten Filter-Induktivität, einem Filterkondensator und einer zweiten Filterinduktivität geschaltet ist, wobei die ersten Anschlüsse mit den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken verbunden sind,die Filterschaltung zweite Anschlüsse an den Punkten zwischen dem Filterkondensator und der ersten sowie zwischen dem Filterkondensator und der zweiten Filter-Induktivität umfasst,die zweite Schaltung zwei parallele zweite Halbbrücken aufweist, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge bilden,die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung verbunden sind.A converter circuit for single-phase systems, comprising a first circuit, a second circuit and a filter circuit, wherein the first circuit connecting contacts for connection to a DC voltage, between which an intermediate circuit with a series circuit of two capacitors and parallel to the intermediate circuit two series-connected first half-bridges are arranged the intermediate circuit is designed as a divided intermediate circuit and is provided for establishing a midpoint of an intermediate circuit voltage at the point located between the capacitors, the potential points between the capacitors and between the first half bridges are interconnected, the filter circuit comprises first terminals, between which a series of a the first filter inductor, a filter capacitor and a second filter inductance is connected, wherein the first terminals are connected to the centers of the two first half-bridges, the Filterschaltu ng second terminals at the points between the filter capacitor and the first and between the filter capacitor and the second filter inductance, the second circuit comprises two parallel second half-bridges whose centers form AC voltage outputs, the outer potential points of the second half-bridges with the second terminals of the filter circuit are connected.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen Stromrichter für einphasige Systeme sowie ein Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems mit einem Wechselspannungssystem mit mindestens einer derartigen Schaltung.The invention relates to a circuit for a power converter for single-phase systems and a method for interconnecting a DC system with an AC system with at least one such circuit.

Eine solche Schaltung kommt beispielsweise in einem Wechselrichter für die Verwendung in der Photovoltaik zum Einsatz. Die dort eingesetzten Wechselrichter übernehmen die Stromwandlung für eine ganze Photovoltaik-Anlage, für einen String, d.h. eine Reihe von Solarmodulen der Anlage, oder aber auch nur für ein einzelnes Solarmodul (dann als sog. Mikro-Solarinverter oder Modulwechselrichter). Andere Einsatzfelder für Stromrichter sind beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge für den Schienenverkehr und auch Ladesäulen für Elektrofahrzeuge. Weiterhin werden Stromrichter in Energiespeicheranwendungen, beispielsweise im Umfeld erneuerbarer Energien verwendet oder bei Hilfsspannungsversorgungen und in Netzteilen.Such a circuit is used, for example, in an inverter for use in photovoltaics. The inverters used there take over the power conversion for a whole photovoltaic system, for a string, i. a series of solar modules of the plant, or even for a single solar module (then as so-called. Micro solar inverter or micro inverter). Other fields of application for power converters include, for example, electric vehicles, hybrid vehicles, vehicles for rail traffic and charging stations for electric vehicles. Furthermore, power converters are used in energy storage applications, for example in the field of renewable energies, or in auxiliary power supplies and in power supplies.

Als Stromrichter wird hier eine Anordnung zur Umwandlung einer elektrischen Stromart in eine andere bezeichnet. Ein derartiger Stromrichter kommt bevorzugt bei der Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems, beispielsweise mit einer Gleichspannung von 450 V, mit einem Wechselspannungssystem, beispielsweise mit einer Wechselspannung von 230 V, zum Einsatz, wobei je nach Leistungsflussrichtung der Stromrichter als Wechselrichter oder als Gleichrichter betrieben wird. Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Gleichspannung in Wechselspannung konvertiert. Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Wechselspannung in Gleichspannung konvertiert. Der Stromrichter kann hier sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter verwendet werden. Ein einphasiges System weist einen Phasenleiter und einen Nullleiter auf, wobei der Nullleiter bevorzugt geerdet ist. Eine weitere Ausführungsform ist ein sogenanntes Einphasen-Dreileiternetz oder auf Englisch „Split-Phase“- oder „Single-Phase Three-Wire“-System, welches bevorzugt in den Vereinigen Staaten von Amerika für Einfamilien-Haushalte und Kleinbetriebe verwendet wird. Das Einphasen-Dreileiternetz basiert auf einem einphasigen System, wobei mit Hilfe eines Transformators, welcher bevorzugt sekundärseitig eine Mittelanzapfung für die neutrale Phase aufweist, zwei gegenphasige Signale, das heißt mit 180° Phasenversatz, auf zwei Leitern generiert werden.As a power converter is here called an arrangement for converting an electric current into another. Such a power converter is preferably used in the interconnection of a DC voltage system, for example with a DC voltage of 450 V, with an AC voltage system, for example with an AC voltage of 230 V, wherein depending on the power flow direction of the converter is operated as an inverter or as a rectifier. An inverter is an electrical device that converts DC voltage to AC voltage. A rectifier is an electrical device that converts AC voltage to DC. The power converter can be used here as a rectifier as well as an inverter. A single-phase system has a phase conductor and a neutral, with the neutral being preferably grounded. Another embodiment is a so-called single-phase three-wire network or "split-phase" or "single-phase three-wire" system, which is preferably used in the United States of America for single-family households and small businesses. The single-phase three-wire network is based on a single-phase system, with the aid of a transformer, which preferably has a center tap for the neutral phase on the secondary side, two opposite-phase signals, that is with 180 ° phase offset, are generated on two conductors.

Aus der EP 2 136 465 A1 ist ein Wechselrichter zur Einspeisung einer Leistung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere eines Photovoltaikgenerators, in ein Wechselspannungsnetz mit einer asymmetrisch getakteten Brückenschaltung mit mindestens zwei mit Netzfrequenz getakteten ersten Schaltern und mit mindestens zwei mit einer höheren Taktfrequenz getakteten zweiten Schaltern bekannt.From the EP 2 136 465 A1 is an inverter for feeding a power of a DC voltage source, in particular a photovoltaic generator, in an AC voltage network with an asymmetrically clocked bridge circuit with at least two switched at mains frequency first switches and at least two clocked at a higher clock frequency second switches known.

In der WO 2016/146171 A1 wird eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme vorgeschlagen, welche einen 3-Punkt-Stromrichter und einen nachgeschalteten 2-Punkt-Stromrichter aufweist.In the WO 2016/146171 A1 a power converter circuit for single-phase systems is proposed, which has a 3-point converter and a downstream 2-point converter.

Aus der EP 2 306 629 A1 ist eine 5-Punkt-Stromrichter-Schaltung für dreiphasige Systeme bekannt, die drei Halbbrücken sowie einen AC-Schalter kombiniert.From the EP 2 306 629 A1 is a 5-point power converter circuit for three-phase systems known that combines three half-bridges and an AC switch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Eigenschaften bezüglich der EMV aufweist.The invention has for its object to provide a power converter circuit for single-phase systems, which has improved properties relative to the EMC in comparison to the prior art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme gelöst. Die Stromrichter-Schaltung umfasst eine erste Schaltung, eine zweite Schaltung und eine Filterschaltung. Dabei weist die erste Schaltung Anschlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung auf, zwischen denen ein Zwischenkreis mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren sowie parallel zum Zwischenkreis zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken angeordnet sind. Der Zwischenkreis ist als geteilter Zwischenkreis ausgeführt und zur Herstellung eines Mittelpunkts einer Zwischenkreisspannung am zwischen den Kondensatoren befindlichen Punkt vorgesehen. Die Potentialpunkte zwischen den Kondensatoren sowie zwischen den ersten Halbbrücken sind miteinander verbunden.This object is achieved by a power converter circuit for single-phase systems. The power converter circuit comprises a first circuit, a second circuit and a filter circuit. In this case, the first circuit connection contacts for connection to a DC voltage, between which an intermediate circuit with a series circuit of two capacitors and parallel to the intermediate circuit two series-connected first half-bridges are arranged. The intermediate circuit is designed as a divided intermediate circuit and provided for establishing a center of an intermediate circuit voltage at the point located between the capacitors. The potential points between the capacitors and between the first half-bridges are connected to each other.

Die Filterschaltung umfasst erste Anschlüsse, zwischen denen eine Serie aus einer ersten Filter-Induktivität, einem Filterkondensator und einer zweiten Filterinduktivität geschaltet ist, wobei die ersten Anschlüsse mit den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken verbunden sind. die Filterschaltung umfasst weiterhin zweite Anschlüsse an den Punkten zwischen dem Filterkondensator und der ersten sowie zwischen dem Filterkondensator und der zweiten Filter-Induktivität.The filter circuit comprises first terminals, between which a series of a first filter inductance, a filter capacitor and a second filter inductor is connected, wherein the first terminals are connected to the centers of the two first half-bridges. the filter circuit further comprises second terminals at the points between the filter capacitor and the first and between the filter capacitor and the second filter inductor.

Die zweite Schaltung weist zwei parallele zweite Halbbrücken auf, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge bilden. Die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken sind mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung verbunden.The second circuit has two parallel second half bridges whose centers form AC voltage outputs. The outer potential points of the second half-bridges are connected to the second terminals of the filter circuit.

Die Stromrichter-Schaltung und das Verfahren der Erfindung kommen vorzugsweise bei Netzanwendungen, beispielsweise Photovoltaik, insbesondere als Mikro-Solarinverter für einzelne Solarmodule und Energiespeicher-Anwendungen sowie in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Fahrzeugen für den Schienenverkehr zum Einsatz. Weitere Einsatzgebiete sind Hilfsspannungsversorgungen und Netzteile.The power converter circuit and the method of the invention are preferably used in network applications, such as photovoltaic, in particular as a micro-solar inverter for individual solar modules and energy storage applications and in Electric vehicles, hybrid vehicles and rail vehicles. Further areas of application are auxiliary voltage supplies and power supplies.

Die Erfindung schafft eine Stromrichter-Schaltung mit einer nativ sinusförmigen Ausgangsspannung. Vorteilhaft ist weiterhin, dass eine solche Stromrichter-Schaltung ohne Weiteres für eine Parallelschaltung mit weiteren, beispielsweise gleichartigen Stromrichter-Schaltungen geeignet ist. Dadurch ist der mit der Schaltung erreichbare Leistungsbereich - bei Beibehaltung der verwendeten Bauteile - deutlich erweitert.The invention provides a power converter circuit with a natively sinusoidal output voltage. A further advantage is that such a converter circuit is readily suitable for parallel connection with other, for example, similar converter circuits. As a result, the achievable with the circuit power range - while maintaining the components used - significantly expanded.

Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung vorteilhaft, dass der Bereich der Schaltung, in dem eine pulsweitenmodulierte Spannung mit hochfrequenten Spannungswechseln auftritt, eng begrenzt ist. Die pulsweitenmodulierte Spannung tritt nur in den Leiterbereichen zwischen den Filter-Induktivitäten und den direkt angeschlossenen Schaltern der ersten Halbbrücken auf. Damit ist der Bereich der Schaltung mit hoher EMV-Abstrahlung durch die Platzierung des internen Filters vorteilhaft eng begrenzt auf zwei kurze Leiterstücke. Diese lassen sich gut mit einer Schirmung versehen, beispielsweise indem sie in einer mehrlagigen Platine in einer mittleren Lage zwischen schirmende Metallflächen angeordnet werden.Furthermore, in the power converter circuit according to the invention, it is advantageous that the region of the circuit in which a pulse-width-modulated voltage occurs with high-frequency voltage changes is narrowly limited. The pulse width modulated voltage occurs only in the conductor regions between the filter inductors and the directly connected switches of the first half bridges. Thus, the area of the circuit with high EMC radiation by the placement of the internal filter is advantageously narrowly limited to two short conductor pieces. These can be well provided with a shield, for example by being arranged in a multi-layer board in a middle layer between shielding metal surfaces.

Weiterhin wird bei der erfindungsgemäßen Topologie erreicht, dass die Schalter der zweiten Schaltung nicht im Bereich hoher Schaltfrequenzen liegen. Vielmehr wird die Spannung bereits vor den Schaltern der zweiten Schaltung durch die Filterschaltung geglättet. Dadurch sinkt die Belastung der Schalter in der zweiten Schaltung und die Ansteuerung der Schalter der zweiten Schaltung wird vereinfacht.Furthermore, it is achieved in the topology according to the invention that the switches of the second circuit are not in the range of high switching frequencies. Rather, the voltage is smoothed before the switches of the second circuit through the filter circuit. As a result, the load of the switches in the second circuit decreases and the driving of the switches of the second circuit is simplified.

Die Schaltung kann durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie bidirektional, das heißt je nach Leistungsfluss als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter, betrieben werden.The circuit can be operated bidirectionally by the inventive circuit topology, that is, depending on the power flow as a rectifier and / or as an inverter.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Stromrichter-Schaltung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

  • - Die beiden in Serie geschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises, an denen die Zwischenkreisspannung, beispielsweise 400 V, abfällt, können jeweils auch aus mehreren, beispielsweise in Serie oder parallel geschalteten Kondensatoren, bestehen. Dies kann notwendig sein wenn es keinen Kondensator gibt, der für den geforderten Strom und/oder die geforderte Spannung spezifiziert ist.
  • - Die Kondensatoren können gleiche Kapazitätswerte aufweisen. Der durch die Verwendung von gleichen Kapazitätswerten symmetrisch geteilte Zwischenkreis teilt die Zwischenkreisspannung um den Mittelpunkt symmetrisch. Daher können in den ersten Halbbrücken die gleichen Leistungshalbleiter verwendet werden, welche gleichmäßig und optimal ausgesteuert werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung und reduziert die Komplexität.
  • - Die erste Schaltung kann Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind. Die zweite Schaltung kann Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Taktung mit einer tieferen Grundfrequenz vorgesehen sind. Während die Modulationsfrequenz der Wechselspannung beispielsweise im Bereich von mehreren kHz bis zu mehreren MHz liegt, liegt die Grundfrequenz beispielsweise bei 50 Hz. Da die Leistungshalbleiter für unterschiedliche Aufgaben bei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Stromrichter-Schaltung vorgesehen sind, erlaubt die angegebene Schaltungstopologie eine Verwendung von angepassten Leistungshalbleitern. Dies ist vorteilhaft, weil sich durch die Verwendung an die Aufgabe angepasster Leistungshalbleiter der Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung erhöht.
  • - Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltung können hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein. Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Leistungshalbleitern auftreten. Dabei spielen die Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten und mit der verwendeten Schaltfrequenz ansteigen, sowie die Durchlassverluste, die im leitenden Zustand des Schalters auftreten, eine Rolle. Die Leistungshalbleiter wie beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder GaN-HEMT-Schalter weisen bezüglich der Schaltverluste und Durchlassverluste verschiedene Eigenschaften auf. Darüber hinaus gibt es auch innerhalb jedes Typs von Leistungshalbleiter verschiedene Ausprägungen, die sich bezüglich der genannten Eigenschaften unterscheiden. Dabei ist typischerweise eine Optimierung der Schaltverluste nicht gleichzeitig mit einer Optimierung der Durchlassverluste zu erreichen, vielmehr stehen die Ziele im Widerstreit miteinander. Bei bekannten Topologien ist die Auswahl der Leistungshalbleiter daher ein Kompromiss. Hingegen können bei der Stromrichter-Schaltung vorteilhaft die schnell schaltenden Leistungshalbleiter der ersten Schaltung, die für die Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein, während die vergleichsweise langsam schaltenden Leistungshalbleiter der zweiten Schaltung, die für eine Taktung mit einer Grundfrequenz vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein. Damit ist trotz des Konflikts zwischen Schaltverlusten und Durchlassverlusten eine optimale Auswahl der Leistungshalbleiter möglich, die bei anderen Topologien nicht getroffen werden kann.
  • - Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltung können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der ganzen Zwischenkreisspannung entspricht. Dies wird durch die Schaltungstopologie mit dem geteilten Zwischenkreis ermöglicht, welcher als ein kapazitiver Spannungsteiler wirkt und bei bevorzugt gleichen Kapazitätswerten die Zwischenkreisspannung um den Mittelpunkt symmetrisch teilt. Bei gegebener Schaltfrequenz erzeugen Leistungshalbleiter, die eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen und daher zum Schalten höherer Spannungen geeignet sind, signifikant höhere Schaltverluste als Leistungshalbleiter, welche eine geringere Spannungsfestigkeit aufweisen. Die angegebene Schaltungstopologie erlaubt es, dass die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung nur eine Spannungsfestigkeit aufweisen müssen, welche der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Da so die angepassten Leistungshalbleiter jeweils optimal eingesetzt werden, ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung.
  • - Als Leistungshalbleiter der ersten Schaltung kommen bevorzugt GaN-Schalter zum Einsatz. Diese erlauben sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und ermöglichen es daher, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.
  • - Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können mit einer Frequenz von mehr als 100 kHz angesteuert werden. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht es, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.
  • - Der erste Kondensator und die erste Halbbrücke können als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sein; der zweite Kondensator und die zweite Halbbrücke können als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet sein. Als Kommutierung bezeichnet man in der Leistungselektronik den Vorgang, bei dem ein Stromfluss von einem Zweig zum anderen übergeht. In der vorliegenden Ausführungsform findet die Kommutierung, beispielsweise im Betrieb als Wechselrichter, vom ersten Kondensator zur parallel dazu geschalteten ersten Halbbrücke und vom zweiten Kondensator zur parallel dazu geschalteten zweiten Halbbrücke statt. Die Ausbildung einer Kommutierungszelle insbesondere durch eine niederinduktive Anordnung der Bauelemente ist vorteilhaft, da so ein sehr gutes Kommutierungsverhalten und Schaltverhalten erreicht wird, was die Effizienz der vorliegenden Schaltung erhöht.
  • - Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung werden bevorzugt mit einer Pulsweiten-Modulation angesteuert und die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltung mit einer tieferen Grundfrequenz umgepolt.
  • - Für die Pulsweiten-Modulation werden die ersten Halbbrücken zweckmäßig stets so geschaltet, dass einer der Leistungshalbleiter eingeschaltet ist, während der andere Leistungshalbleiter ausgeschaltet ist.
  • - Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten. Mit anderen Worten passiert ein Umschalten der Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken der ersten Schaltung gleichzeitig. In diesem Betriebsmodus wechselt die Spannung zwischen der ersten Schaltung und der Filterschaltung daher stets zwischen dem vollen Wert der Zwischenkreisspannung und Null, d.h. einem Zusammenschluss des Mittelpunkts-Potentials. Dabei sind zu einer Zeit entweder die beiden äußeren Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken eingeschaltet oder die beiden inneren Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken eingeschaltet. Durch diesen Schaltbetrieb werden vorteilhaft Gleichtakt-Störungen der Stromrichter-Schaltung stark verringert.
  • - Alternativ können Leistungshalbleiter der ersten Schaltung derart angesteuert werden, dass die Leistungshalbleiter der oberen ersten Halbbrücke im Wechsel mit den Leistungshalbleitern der unteren ersten Halbbrücke schalten. Bei einer Ansteuerung der Leistungshalbleiter mittels Trägersignal kann das beispielsweise durch eine entsprechende Phasenverschiebung des Trägersignals für die untere erste Halbbrücke gegenüber der oberen ersten Halbbrücke erreicht werden. Die am Eingang der Filterschaltung anliegende Spannung wechselt in diesem Schaltmodus zwischen der vollen Zwischenkreisspannung, der halben Zwischenkreisspannung und Null. Die dadurch vorliegende Schaltfrequenz ist gegenüber der Schaltfrequenz bei synchronem Schalten der Halbbrücken verdoppelt. Dadurch kann die Baugröße der in der Filterschaltung verwendeten Filter-Induktivitäten verringert werden, da die Filterwirkung invers proportional mit der Frequenz des Signals zusammenhängt.
Advantageous embodiments of the circuit according to the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1. In this case, the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can additionally be provided for the power converter circuit:
  • - The two series-connected capacitors of the intermediate circuit, at which the intermediate circuit voltage, for example, 400 V drops, each can also consist of several, for example, in series or parallel capacitors. This may be necessary if there is no capacitor specified for the required current and / or voltage.
  • - The capacitors can have the same capacitance values. The intermediate circuit, which is divided symmetrically by the use of equal capacitance values, divides the intermediate circuit voltage symmetrically around the center point. Therefore, the same power semiconductors can be used in the first half bridges, which are uniformly and optimally controlled. This increases the efficiency of the power converter circuit and reduces the complexity.
  • - The first circuit may comprise power semiconductors, which are provided for a modulation of the AC voltage. The second circuit may include power semiconductors that are provided for clocking at a lower fundamental frequency. For example, while the modulation frequency of the AC voltage is in the range of several kHz to several MHz, the fundamental frequency is 50 Hz. Since the power semiconductors are provided for different tasks at different frequencies within the power converter circuit, the specified circuit topology allows the use of adapted ones power semiconductors. This is advantageous because the efficiency of the converter circuit increases as a result of the use of power semiconductors adapted to the task.
  • The power semiconductors of the first circuit can be optimized with regard to low switching losses. The power semiconductors of the second circuit can be optimized with regard to low forward losses. An essential factor for limiting the achievable efficiency lies in the losses that occur in the power semiconductors used. In this case, the switching losses that occur at the moment of opening and closing of the switch and increase with the switching frequency used, as well as the forward losses that occur in the conductive state of the switch play a role. The power semiconductors such as, for example, MOSFETs, IGBTs or GaN HEMT switches have different properties with regard to the switching losses and the forward losses. Moreover, within each type of power semiconductor, there are also different characteristics that differ with respect to the mentioned characteristics. Typically, an optimization of the switching losses can not be achieved simultaneously with an optimization of the forward losses, but the goals are in conflict with each other. For known topologies, the choice of power semiconductors is therefore a compromise. On the other hand In the power converter circuit, the fast-switching power semiconductors of the first circuit, which are provided for the modulation of the AC voltage, can advantageously be optimized with regard to low switching losses, while the comparatively slow-switching power semiconductors of the second circuit, which are provided for a clocking with a fundamental frequency, be optimized for low forward losses. Thus, despite the conflict between switching losses and forward losses, an optimal selection of the power semiconductors is possible, which can not be achieved with other topologies.
  • - The power semiconductor of the first circuit may have a dielectric strength, which corresponds to at least half the DC link voltage. The power semiconductors of the second circuit may have a dielectric strength which corresponds at least to the entire intermediate circuit voltage. This is made possible by the circuit topology with the shared DC link, which acts as a capacitive voltage divider and symmetrically divides the DC link voltage around the center point, preferably with equal capacitance values. For a given switching frequency, power semiconductors, which have a higher dielectric strength and are therefore suitable for switching higher voltages, generate significantly higher switching losses than power semiconductors, which have a lower dielectric strength. The specified circuit topology allows the power semiconductors of the first circuit to have only a voltage resistance which corresponds to half the intermediate circuit voltage. Since the adapted power semiconductors are optimally used in each case, this results in a high efficiency of the converter circuit.
  • - As power semiconductors of the first circuit are preferably GaN switch used. These allow very high switching speeds and therefore make it possible to reduce the size of the filter elements.
  • - The power semiconductors of the first circuit can be controlled with a frequency of more than 100 kHz. A high switching speed makes it possible to reduce the size of the filter elements.
  • - The first capacitor and the first half-bridge may be formed as a first commutation cell; the second capacitor and the second half-bridge may be formed as a second commutation cell. In power electronics, commutation is the process in which a current flows from one branch to the other. In the present embodiment, the commutation takes place, for example during operation as an inverter, from the first capacitor to the first half-bridge connected in parallel thereto and from the second capacitor to the second half-bridge connected in parallel thereto. The formation of a commutation cell in particular by a low-inductance arrangement of the components is advantageous because such a very good commutation behavior and switching behavior is achieved, which increases the efficiency of the present circuit.
  • - The power semiconductor of the first circuit are preferably driven by a pulse width modulation and reversed the power semiconductor of the second circuit with a lower fundamental frequency.
  • - For the pulse width modulation, the first half-bridges are always appropriately switched so that one of the power semiconductors is turned on, while the other power semiconductor is turned off.
  • - The power semiconductor of the first circuit can be controlled so that they switch synchronously. In other words, a switching of the power semiconductors of the first two half bridges of the first circuit happens simultaneously. In this operating mode, therefore, the voltage between the first circuit and the filter circuit always changes between the full value of the intermediate circuit voltage and zero, ie an association of the midpoint potential. In this case, either the two outer power semiconductors of the two first half bridges are switched on at one time or the two inner power semiconductors of the two first half bridges are switched on. This switching operation advantageous common-mode noise of the power converter circuit are greatly reduced.
  • - Alternatively, power semiconductors of the first circuit can be controlled such that the power semiconductor switch the upper first half-bridge in alternation with the power semiconductors of the lower first half-bridge. When the power semiconductors are controlled by means of a carrier signal, this can be achieved, for example, by a corresponding phase shift of the carrier signal for the lower first half-bridge with respect to the upper first half-bridge. The voltage applied to the input of the filter circuit voltage changes in this switching mode between the full DC link voltage, half the DC link voltage and zero. The resulting switching frequency is doubled compared to the switching frequency with synchronous switching of the half-bridges. As a result, the size of the in the Filtering inductors used are reduced because the filter effect is inversely proportional to the frequency of the signal.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures.

Es zeigen schematisch:

  • 1 ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage,
  • 2 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme,
  • 3 einen Ausschnitt des Schaltplans der Stromrichter-Schaltung,
  • 4 bis 7 ein Zeitablaufdiagramm des Schaltzustands für verschiedene Halbbrücken der Stromrichter-Schaltung,
  • 8 ein Zeitablaufdiagramm einer innerhalb der Stromrichter-Schaltung erzeugten Spannung,
  • 9 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energiespeichersystems.
They show schematically:
  • 1 a block diagram of a section of a photovoltaic system,
  • 2 a circuit diagram of an embodiment of the converter circuit according to the invention for single-phase systems,
  • 3 a section of the circuit diagram of the power converter circuit,
  • 4 to 7 a timing diagram of the switching state for different half-bridges of the power converter circuit,
  • 8th a timing diagram of a voltage generated within the power converter circuit,
  • 9 a block diagram of an embodiment of an energy storage system.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage 10. Die Photovoltaik-Anlage 10 umfasst eine Reihe von Solarmodulen 11a, 11b, von denen hier der Übersicht wegen nur zwei dargestellt sind. Jedes der Solarmodule 11a, 11b ist über einen DC/DC-Wandler 12 mit MPP-Tracking mit einer erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 verbunden, die aus dem Gleichstrom des jeweiligen Solarmoduls 11a, 11b eine einphasige Wechselspannung erzeugt. Die einphasige Wechselspannung hat bevorzugt die Frequenz fG des Versorgungsnetzwerks, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Die Wechselspannungsausgänge 25a, 25b der Stromrichter-Schaltungen 20 sind zueinander parallel geschaltet. 1 shows a block diagram of a section of a photovoltaic system 10 , The photovoltaic system 10 includes a number of solar modules 11a . 11b , of which only two are shown here for the sake of clarity. Each of the solar modules 11a . 11b is via a DC / DC converter 12 connected with MPP tracking with a power converter circuit 20 according to the invention, which consists of the direct current of the respective solar module 11a . 11b generates a single-phase AC voltage. The single-phase AC voltage preferably has the frequency f G of the supply network, for example 50 Hz or 60 Hz. The AC voltage outputs 25a . 25b the power converter circuits 20 are connected in parallel.

In 2 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 für einphasige Systeme dargestellt, wobei die Stromrichter-Schaltung 20 eine erste Schaltung 21, eine zweite Schaltung 22 und eine Filterschaltung 23 umfasst. Die Stromrichter-Schaltung 20 ist zwischen ein Gleichspannungssystem 1 und ein in 2 nicht dargestelltes Wechselspannungssystem geschaltet. Dabei umfasst die Stromrichter-Schaltung 20 Anschlusskontakte 24a, 24b zur Verbindung mit dem Gleichspannungssystem 1 und Wechselspannungskontakte 25a, 25b zur Verbindung mit dem Wechselspannungssystem.In 2 is a circuit diagram of an embodiment of the power converter circuit according to the invention 20 shown for single-phase systems, where the power converter circuit 20 a first circuit 21 , a second circuit 22 and a filter circuit 23 includes. The power converter circuit 20 is between a DC system 1 and one in 2 not shown AC system switched. In this case, the power converter circuit includes 20 terminals 24a , 24b for connection to the DC system 1 and AC contacts 25a . 25b for connection to the AC system.

Die erste Schaltung 21 umfasst zwei in Reihe geschaltete Halbbrücken 26a, 26b. Parallel zu den Halbbrücken 26a, 26b ist ein Zwischenkreis 27 angeordnet, der eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren C1, C2 aufweist. Die äußeren Anschlüsse der beiden Halbbrücken 26a, 26b sind mit den Anschlusskontakten 24a, 24b verbunden und bilden somit den Gleichspannungseingang der Stromrichter-Schaltung 20. Der Zwischenkreis 27 ist als geteilter Zwischenkreis ausgeführt und zur Herstellung eines Mittelpunkts M einer Zwischenkreisspannung UZK am zwischen den Kondensatoren C1, C2 und den Halbbrücken 26a, 26b befindlichen Potentialpunkt vorgesehen. Dabei ist der erste Kondensator C1 parallel zu der oberen Halbbrücke 26a geschaltet und der zweite Kondensator C2 parallel zu der unteren Halbbrücke 26b geschaltet. Der erste Kondensator C1 und die erste Halbbrücke 26a sind als eine erste Kommutierungszelle K1 ausgebildet und der zweite Kondensator C2 und die zweite Halbbrücke 26b sind als eine zweite Kommutierungszelle K2 ausgebildet, wodurch sich parasitäre Effekte minimieren, welche hauptsächlich durch parasitäre Induktivitäten zwischen einem Kondensator C1, C2 und der dazu parallel geschalteten Halbbrücke 26a, 26b verursacht werden.The first circuit 21 includes two series-connected half-bridges 26a . 26b , Parallel to the half bridges 26a . 26b is a DC link 27 arranged, which has a series connection of two capacitors C1, C2. The outer connections of the two half bridges 26a . 26b are with the connection contacts 24a . 24b connected and thus form the DC input of the power converter circuit 20 , The intermediate circuit 27 is designed as a divided intermediate circuit and for producing a center point M of an intermediate circuit voltage UZK am between the capacitors C1, C2 and the half bridges 26a 26b potential point provided. In this case, the first capacitor C1 is parallel to the upper half-bridge 26a switched and the second capacitor C2 in parallel to the lower half-bridge 26b connected. The first capacitor C1 and the first half-bridge 26a are formed as a first commutation cell K1 and the second capacitor C2 and the second half-bridge 26b are formed as a second commutation cell K2, thereby minimizing parasitic effects, mainly by parasitic inductances between a capacitor C1, C2 and the half-bridge connected in parallel therewith 26a . 26b caused.

Die Filterschaltung 23 umfasst eine erste und zweite Filter-Induktivität 28a, 28b. Ein erster Anschluss der ersten Filter-Induktivität 28a ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T1, T2 der ersten Halbbrücke 26a verbunden. Ein erster Anschluss der zweiten Filter-Induktivität 28b ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T3, T4 der zweiten Halbbrücke 26b verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Filter-Induktivitäten 28a, 28b sind über einen Filter-Kondensator 29 zusammengeschlossen. Die Filter-Induktivitäten 28a, 28b weisen zweckmäßig die gleiche Induktivität auf.The filter circuit 23 includes a first and second filter inductance 28a . 28b , A first terminal of the first filter inductance 28a is with the potential point between the power semiconductors T1, T2 of the first half-bridge 26a connected. A first terminal of the second filter inductor 28b is with the potential point between the power semiconductors T3, T4 of the second half-bridge 26b connected. The other connections of the filter inductors 28a . 28b are over a filter capacitor 29 together. The filter inductors 28a . 28b suitably have the same inductance.

Die zweite Schaltung 22 umfasst eine Vollbrücke aus zwei parallelen Halbbrücken 30a, 30b. Der obere äußere Anschluss der Halbbrücken 30a, 30b ist mit dem Potentialpunkt zwischen der ersten Filter-Induktivität 28a und dem Filter-Kondensator 29 verbunden. Der untere äußere Anschluss der Halbbrücken 30a, 30b ist mit dem Potentialpunkt zwischen der zweiten Filter-Induktivität 28a und dem Filter-Kondensator 29 verbunden. Der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T5, T6 der ersten Halbbrücke 30a ist verbunden mit dem ersten Wechselspannungskontakt 25a, während der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T7, T8 der zweiten Halbbrücke 30a mit dem zweiten Wechselspannungskontakt 25b verbunden ist.The second circuit 22 includes a full bridge of two parallel half-bridges 30a . 30b , The upper outer terminal of the half bridges 30a . 30b is at the potential point between the first filter inductance 28a and the filter capacitor 29 connected. The lower outer terminal of the half bridges 30a , 30b is at the potential point between the second filter inductor 28a and the filter capacitor 29 connected. The potential point between the power semiconductors T5, T6 of the first half-bridge 30a is connected to the first AC contact 25a during the potential point between the power semiconductors T7, T8 of the second half-bridge 30a with the second AC contact 25b connected is.

Die Stromrichter-Schaltung 20 arbeitet mit leistungselektronischen Schaltern Tl...8, die beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Galliumnitrid-High Electron Mobility Transistoren (GaN-HEMT) ausgeführt sein können. Die 2 und 3 zeigen IGBTs als leistungselektronische Schalter Tl...8, das ist aber beispielhaft und es können andere Schaltertypen verwendet werden. Dabei können sich insbesondere die verwendeten Schalter T1...8 auch unterscheiden, beispielsweise können in den Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 schnell schaltende GaN-Schalter verwendet werden, während in den Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 IGBTs zum Einsatz kommen.The power converter circuit 20 works with power electronic switches Tl ... 8, for example, as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) or Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN-HEMT). The 2 and 3 show IGBTs as power electronic switches Tl ... 8, but this is exemplary and other types of switches can be used. In this case, the switches T1 ... 8 used may in particular also differ, for example, in the half bridges 26a . 26b the first circuit 21 Fast switching GaN switches are used while in the half bridges 30a . 30b the second circuit 22 IGBTs are used.

Die Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 der ersten Schaltung 21 sind für eine Modulation, vorzugsweise eine Pulsweitenmodulation, kurz PWM, mit einem Takt vorgesehen, welcher eine signifikant höhere Frequenz aufweist als die Grundfrequenz fG. Bei dieser hohen Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz, 100 kHz oder 250 kHz sind die Schaltverluste der Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 der ersten Schaltung 21 dominant gegenüber den Durchlassverlusten und daher werden Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 für die erste Schaltung 21 ausgewählt, die hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind. Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie der Stromrichter-Schaltung 20 erlaubt es weiterhin, für die erste Schaltung 21 Leistungshalbleiter T1, T2, T3, T4 zu verwenden, welche eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die der halben Zwischenkreisspannung UZK entspricht.The power semiconductors T1, T2, T3, T4 of the first circuit 21 are provided for a modulation, preferably a pulse width modulation, short PWM, with a clock having a significantly higher frequency than the fundamental frequency f G. At this high clock frequency of, for example, 10 kHz, 100 kHz or 250 kHz, the switching losses of the power semiconductors T1, T2, T3, T4 of the first circuit 21 dominant to the forward losses, and therefore become power semiconductors T1, T2, T3, T4 for the first circuit 21 selected, which are optimized for low switching losses. The inventive circuit topology of the power converter circuit 20 it still allows for the first circuit 21 Power semiconductors T1, T2, T3, T4 to use, which have a dielectric strength equal to half the intermediate circuit voltage UZK.

Die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der zweiten Schaltung 22 sind für eine Taktung mit der Grundfrequenz fG vorgesehen. Da bei dieser deutlich geringeren Schaltfrequenz fG die Durchlassverluste der Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 im Vergleich zu den Schaltverlusten dominant sind, werden Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 für die zweite Schaltung 22 ausgewählt, welche hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind. Aufgrund der Schaltungstopologie werden für die zweite Schaltung 22 Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 mit einer Spannungsfestigkeit verwendet, die der ganzen Zwischenkreisspannung UZK entspricht. Dies ist aber nicht von Nachteil, da die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der zweiten Schaltung 22 nicht schnell schalten müssen.The power semiconductors T5, T6, T7, T8 of the second circuit 22 are provided for clocking at the fundamental frequency f G. Since, at this significantly lower switching frequency f G, the forward losses of the power semiconductors T5, T6, T7, T8 are dominant in comparison to the switching losses, power semiconductors T5, T6, T7, T8 become the second circuit 22 selected, which are optimized for low forward losses. Due to the circuit topology are for the second circuit 22 Power semiconductors T5, T6, T7, T8 used with a dielectric strength corresponding to the whole DC link voltage UZK. However, this is not disadvantageous since the power semiconductors T5, T6, T7, T8 of the second circuit 22 do not have to switch quickly.

3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Schaltplan der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 gemäß der 2. Dabei sind die beiden Halbbrücken 26a, 26b sowie die Filter-Induktivitäten 28a, 28b gezeigt. 3 zeigt weiterhin zwei Bereiche 31, 32 in der Leiterstruktur der Stromrichter-Schaltung 20. Die hochfrequenten Spannungswechsel, die durch das Umpolen der Halbbrücken 28a, 28b erzeugt werden, beschränken sich in der erfindungsgemäßen Topologie auf die Bereiche 31, 32. Bei der Realisierung der Stromrichter-Schaltung 20 können die Leiterstücke, die den Bereichen 31, 32 entsprechen, sehr kurz gehalten werden. Eine Schirmung zur Verminderung von Abstrahlungen, d.h. zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften der Stromrichter-Schaltung 20, kann daher mit einem geringen baulichen Aufwand gestaltet werden. Wird die Stromrichter-Schaltung 20 in einer mehrlagigen Platine aufgebaut, können die Leiterstücke, die den Bereichen 31, 32 entsprechen, beispielsweise in einer mittleren Lage angeordnet werden. Darüber und/oder darunterliegende Lagen können dann entweder zur Schirmung geeignete andere Teile der Stromrichter-Schaltung 20 oder speziell vorgesehene metallische Flächen aufweisen. Dadurch wiederum kann das Gehäuse der Stromrichter-Schaltung 20 vereinfacht aufgebaut werden, beispielsweise als Kunststoffgehäuse anstatt als Metallgehäuse, da das Gehäuse weniger oder keine Schirmungsaufgaben erfüllen muss. 3 shows a section of the circuit diagram of the embodiment of the power converter circuit according to the invention 20 according to the 2 , Here are the two half bridges 26a . 26b as well as the filter inductances 28a . 28b shown. 3 also shows two areas 31 . 32 in the ladder structure of the power converter circuit 20 , The high-frequency voltage changes caused by the polarity reversal of the half-bridges 28a . 28b are generated, limited in the topology of the invention to the areas 31 . 32 , In the realization of the converter circuit 20 can the conductor pieces, which are the areas 31 . 32 correspond, be kept very short. A shield to reduce emissions, ie to improve the EMC properties of the power converter circuit 20 can therefore be designed with a low construction cost. Will the power converter circuit 20 built in a multi-layer board, the conductor pieces, the areas 31 . 32 correspond, for example, be arranged in a middle layer. Over and / or underlying layers can then either suitable for shielding other parts of the power converter circuit 20 or have specially provided metallic surfaces. This in turn allows the housing of the power converter circuit 20 be constructed simplified, for example, as a plastic housing instead of a metal housing, since the housing has less or no shielding tasks must meet.

Die 4 bis 7 zeigen den Ablauf der Schaltzustände der Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 sowie der Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 über einen Zeitraum, der einer Periode der Grundfrequenz fG entspricht, d.h. 20 µs bei einer Grundfrequenz von 50 Hz. Die Halbbrücken 26a, 26b werden gemäß 4 und 5 mit einer PWM betrieben, deren Frequenz zur besseren Darstellung nur 4 kHz beträgt. Die 4 bis 7 zeigen in horizontaler Richtung eine übereinstimmende Zeitachse Z. In vertikaler Richtung befindet sich eine normierte Achse S, die den Schaltzustand der jeweiligen Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b angibt. Der Schaltzustand umfasst dabei den Zustand der beiden Leistungshalbleiter T1...8 der jeweiligen Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b, wobei von den Leistungshalbleitern T1...8 einer Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b jeweils einer eingeschaltet und der andere ausgeschaltet ist.The 4 to 7 show the sequence of switching states of the half-bridges 26a . 26b the first circuit 21 as well as the half bridges 30a . 30b the second circuit 22 over a period corresponding to a period of the fundamental frequency f G , ie 20 μs at a fundamental frequency of 50 Hz. The half-bridges 26a , 26b are according to 4 and 5 operated with a PWM whose frequency is for better representation only 4 kHz. The 4 to 7 show in the horizontal direction a matching time axis Z. In the vertical direction is a normalized axis S, which is the switching state of the respective half-bridge 26a . 26b . 30a . 30b indicates. The switching state includes the state of the two power semiconductors T1... 8 of the respective half-bridge 26a . 26b . 30a . 30b , wherein of the power semiconductors T1 ... 8 a half-bridge 26a . 26b . 30a . 30b one is turned on and the other is off.

In den 4 und 5 ist erkennbar, dass die Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 stets im Gleichtakt, also synchron, und gegenläufig schalten. Die sich ergebende Spannungsdifferenz an den Ausgängen der Halbbrücken 26a, 26b entspricht also entweder der Zwischenkreisspannung UZK oder Null (kurzgeschlossene Ausgänge). Beim Filter-Kondensator 29, also aus Sicht der Halbbrücken 26a, 26b hinter den Filter-Induktivitäten 28a, 28b ist dadurch ein geglätteter Spannungsverlauf realisiert, der einer gleichgerichteten sinusförmigen Wechselspannung entspricht, d.h. eine Folge von positiven Halbwellen. Dieser Spannungsverlauf ist in normierter Form in 8 dargestellt. 8 verwendet dabei die gleiche Zeitachse Z wie die 4 bis 7. Die verwendete PWM ist dabei derart gestaltet, dass nach Filterung hoher Frequenzen eine Folge von Halbwellen verbleibt. Sie unterscheidet sich somit im genauen Verlauf etwas von einer PWM zur Erzeugung eines vollständigen Sinusverlaufs.In the 4 and 5 it can be seen that the half bridges 26a, 26b of the first circuit 21 always in common mode, ie synchronously, and counter-clockwise. The resulting voltage difference at the outputs of the half-bridges 26a . 26b So corresponds to either the DC link voltage UZK or zero (shorted outputs). At the filter capacitor 29 So from the perspective of the half bridges 26a . 26b behind the filter inductors 28a . 28b As a result, a smoothed voltage profile is realized which corresponds to a rectified sinusoidal alternating voltage, ie a series of positive half-waves. This voltage curve is in normalized form in 8th shown. 8th uses the same time axis Z as the 4 to 7 , The PWM used is designed such that after filtering high frequencies a sequence of half-waves remains. It therefore differs in the exact course of something of a PWM to produce a complete sinusoidal course.

In den 6 und 7 ist erkennbar, dass die Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 mit der Grundfrequenz fG umgepolt werden, d.h. mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz von beispielsweise 50 Hz. Dadurch wird jede zweite der positiven Halbwellen im Spannungsverlauf des Filter-Kondensators 29 umgeklappt und somit ein vollständiger Sinusverlauf als Ausgangsspannung erzeugt. Das Umpolen der Halbbrücken 30a, 30b erfolgt dabei ebenfalls synchron und die Halbbrücken 30a, 30b werden natürlich stets gegenphasig geschaltet. In the 6 and 7 it can be seen that the half bridges 30a, 30b of the second circuit 22 be reversed with the fundamental frequency f G , ie with a relatively low frequency of, for example, 50 Hz. Thus, every second of the positive half-waves in the voltage curve of the filter capacitor 29 folded down and thus generates a complete sine wave as output voltage. The polarity reversal of the half bridges 30a . 30b also takes place synchronously and the half bridges 30a . 30b are of course always switched in phase opposition.

Der somit in den 4 und 5 gezeigte Schaltmodus verwendet also eine synchrone Schaltung der Leistungshalbleiter T1...4 der Halbbrücken 26a, 26b. Durch einen derartigen Betrieb ist die Spannung auf den beiden Ausgangsleitungen der Halbbrücken 26a, 26b daher stets symmetrisch in Bezug auf das Spannungsniveau in der Mitte des Zwischenkreises, also zwischen den beiden Halbbrücken 26a, 26b. Ist dieser Punkt mit Erde verbunden, ändert sich daher das Spannungsniveau der zweiten Schaltung 22 in Bezug auf Erde durch die Schalthandlungen in der Halbbrücken 26a, 26b nicht. Gleichtaktstörungen (common mode) werden dadurch vorteilhaft deutlich vermindert oder ganz vermieden.The thus in the 4 and 5 So switching mode shown uses a synchronous circuit of the power semiconductors T1 ... 4 of the half-bridges 26a . 26b , By such operation, the voltage on the two output lines of the half-bridges 26a . 26b therefore always symmetrical with respect to the voltage level in the middle of the intermediate circuit, ie between the two half-bridges 26a . 26b , If this point is connected to earth, therefore, the voltage level of the second circuit changes 22 with respect to earth through the switching actions in the half-bridges 26a . 26b Not. Common mode errors are advantageously significantly reduced or completely avoided.

In einem alternativen Betriebsmodus werden die Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 versetzt zueinander geschaltet. Wenn eine der Halbbrücken 26a, 26b umschaltet, schaltet in diesem Betriebsmodus die jeweils andere Halbbrücke 26a, 26b nicht. Das Umschalten kann mit einer beliebigen Phasenverschiebung zueinander geschehen, insbesondere mit einer Phasenverschiebung von 180°. Beispielsweise kann bei einem Betrieb mit Trägersignal das Trägersignal für eine der Halbbrücken 26a, 26b gegenüber dem Trägersignal für die andere Halbbrücke entsprechend phasenverschoben werden. Werden die Halbbrücken 26a, 26b versetzt zueinander umgeschaltet, dann liegt für einen Teil der Zeit neben den Spannungen Null und dem Wert der Zwischenkreisspannung UZK auch die Hälfte der Zwischenkreisspannung UZK am Ausgang der Halbbrücken 26a, 26b an. Da die Halbbrücken 26a, 26b abwechselnd, aber insgesamt genauso häufig umschalten wie beim synchronen Betrieb, verdoppelt sich die Häufigkeit der Spannungswechsel am Ausgang der Halbbrücken 26a, 26b. Die effektive Frequenz des Signals, das die Filterschaltung 23 erreicht, ist daher doppelt so hoch wie beim synchronen Betrieb. Vorteilhaft erlaubt das, die Komponenten der Filterschaltung 23, insbesondere die Filter-Induktivität 29, für eine höhere Frequenz auszulegen und somit zu verkleinern. Da die Komponenten der Filterschaltung 23 und gerade die Filter-Induktivität 29 besonders große und klobige Bauteile darstellen, ist dies von besonderem Vorteil.In an alternative mode of operation, the half bridges 26a, 26b of the first circuit become 21 shifted to each other. If one of the half bridges 26a . 26b switches, the other half-bridge switches in this operating mode 26a , 26b not. The switching can be done with any phase shift to each other, in particular with a phase shift of 180 °. For example, in a carrier signal mode, the carrier signal for one of the half bridges 26a . 26b be phase shifted relative to the carrier signal for the other half-bridge. Be the half bridges 26a . 26b offset to each other, then lies for a part of the time in addition to the voltages zero and the value of the intermediate circuit voltage UZK and half of the intermediate circuit voltage UZK at the output of the half-bridges 26a . 26b at. Because the half bridges 26a . 26b alternately, but in total as often switch as in synchronous operation, doubles the frequency of voltage changes at the output of the half-bridges 26a . 26b , The effective frequency of the signal that the filter circuit 23 is therefore twice as high as in synchronous operation. Advantageously, this allows the components of the filter circuit 23 , in particular the filter inductance 29 , to design for a higher frequency and thus to downsize. Since the components of the filter circuit 23 and just the filter inductance 29 This is of particular advantage if they are particularly large and bulky components.

Aufgrund der verwendeten Schaltungstopologie kann die Stromrichter-Schaltung 20 als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben werden. In 9 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energiespeichersystems 93 gezeigt. Das Energiespeichersystem 93 weist eine erfindungsgemäße Stromrichter-Schaltung 20 und einen Energiespeicher 90 auf. In einer Ladephase 91 ist eine einphasige Wechselspannungsquelle 94 über Wechselspannungskontakte 25a, 25b an das Energiespeichersystem 93 angeschlossen und lädt den Energiespeicher 90. Der Energiespeicher 90 kann ein Akku sein, der beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie realisiert ist. Die einphasige Wechselspannungsquelle 94 kann beispielsweise ein Generator oder ein Netzanschluss mit einer Wechselspannung von beispielsweise 50 Hz und 230 V sein. In der Ladephase 91 wird die Stromrichter-Schaltung 20 als Gleichrichter betrieben. In einer Entladephase 92 ist ein Verbraucher 95 über die Wechselspannungskontakte 25a, 25b an das Energiespeichersystem 93 angeschlossen und entnimmt Leistung aus dem Energiespeicher 90. Der Verbraucher 95 kann beispielsweise ein Elektromotor oder ein Netzanschluss sein.Due to the circuit topology used, the power converter circuit 20 be operated as a rectifier and / or as an inverter. In 9 is a block diagram of one embodiment of an energy storage system 93 shown. The energy storage system 93 has a converter circuit according to the invention 20 and an energy store 90 on. In a loading phase 91 is a single-phase AC source 94 via AC voltage contacts 25a . 25b to the energy storage system 93 connected and loads the energy storage 90 , The energy storage 90 may be a battery, which is realized for example in lithium-ion technology. The single-phase AC voltage source 94 may be, for example, a generator or a grid connection with an AC voltage of, for example, 50 Hz and 230 V. In the loading phase 91 becomes the power converter circuit 20 operated as a rectifier. In a discharge phase 92 is a consumer 95 via the AC voltage contacts 25a . 25b to the energy storage system 93 Connected and removes power from the energy storage 90 , The consumer 95 may be, for example, an electric motor or a mains connection.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2136465 A1 [0004]EP 2136465 A1 [0004]
  • WO 2016/146171 A1 [0005]WO 2016/146171 A1 [0005]
  • EP 2306629 A1 [0006]EP 2306629 A1 [0006]

Claims (15)

Stromrichter-Schaltung (20) für einphasige Systeme, umfassend - eine erste Schaltung (21), - eine zweite Schaltung (22) und - eine Filterschaltung (23), wobei - die erste Schaltung (21) Anschlusskontakte (24a, 24b) zum Anschluss an eine Gleichspannung (1) aufweist, zwischen denen ein Zwischenkreis (27) mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren (C1, C2) sowie parallel zum Zwischenkreis (27) zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken (26a, 26b) angeordnet sind, - der Zwischenkreis (27) als geteilter Zwischenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mittelpunkts (M) einer Zwischenkreisspannung (UZK) am zwischen den Kondensatoren (C1, C2) befindlichen Punkt vorgesehen ist, - der Potentialpunkt (M) zwischen den Kondensatoren (C1, C2) mit dem Potentialpunkt zwischen den ersten Halbbrücken (26a, 26b) verbunden ist, - die Filterschaltung (23) erste Anschlüsse umfasst, zwischen denen eine Serie aus einer ersten Filter-Induktivität (28a), einem Filterkondensator (29) und einer zweiten Filterinduktivität (28b) geschaltet ist, wobei die ersten Anschlüsse mit den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken (26a, 26b) verbunden sind, - die Filterschaltung (23) zweite Anschlüsse an den Punkten zwischen dem Filterkondensator (29) und der ersten sowie zwischen dem Filterkondensator (29) und der zweiten Filter-Induktivität (28b) umfasst, - die zweite Schaltung (22) zwei parallele zweite Halbbrücken (30a, 30b) aufweist, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge (25a, 25b) bilden, - die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken (30a, 30b) mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung (23) verbunden sind.A power converter circuit (20) for single-phase systems, comprising a first circuit (21), - A second circuit (22) and - A filter circuit (23), wherein - The first circuit (21) terminal contacts (24a, 24b) for connection to a DC voltage (1), between which an intermediate circuit (27) with a series circuit of two capacitors (C1, C2) and parallel to the intermediate circuit (27) two in Series connected first half-bridges (26a, 26b) are arranged, - The intermediate circuit (27) is designed as a shared intermediate circuit and for producing a center (M) of an intermediate circuit voltage (UZK) is provided at the point located between the capacitors (C1, C2), the potential point (M) between the capacitors (C1, C2) is connected to the potential point between the first half bridges (26a, 26b), - The filter circuit (23) comprises first terminals, between which a series of a first filter inductor (28a), a filter capacitor (29) and a second filter inductance (28b) is connected, wherein the first terminals with the centers of the two first half-bridges (26a, 26b) are connected, the filter circuit (23) comprises second terminals at the points between the filter capacitor (29) and the first and between the filter capacitor (29) and the second filter inductance (28b), the second circuit (22) has two parallel second half-bridges (30a, 30b) whose centers form alternating voltage outputs (25a, 25b), - The outer potential points of the second half-bridges (30a, 30b) are connected to the second terminals of the filter circuit (23). Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 1, bei der die Kondensatoren (C1, C2) des Zwischenkreises (27) gleiche Kapazitätswerte aufweisen.Converter circuit (20) after Claim 1 in which the capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit (27) have the same capacitance values. Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste und zweite Schaltung (21, 22) derartig angepasste Leistungshalbleiter (Tl...8) aufweisen, dass die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) für eine Modulation der Wechselspannung im Kilohertz-Bereich oder Megahertz-Bereich vorgesehen sind und die Leistungshalbleiter (T5...8) der zweiten Schaltung (22) für eine Taktung mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich vorgesehen sind.Converter circuit (20) after Claim 1 or 2 in which the first and second circuits (21, 22) have power semiconductors (Tl ... 8) adapted in such a way that the power semiconductors (Tl ... 4) of the first circuit (21) have a modulation of the ac voltage in the kilohertz range or megahertz range are provided and the power semiconductors (T5 ... 8) of the second circuit (22) are provided for a clocking with a fundamental frequency in the Hertz range. Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind und die Leistungshalbleiter (T5...8) der zweiten Schaltung (22) hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind.Power converter circuit (20) according to one of the preceding claims, in which the power semiconductors (T1 ... 4) of the first circuit (21) are optimized for low switching losses and the power semiconductors (T5 ... 8) of the second circuit (22). are optimized for low forward losses. Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwischenkreisspannung (UZK) entspricht und die Leistungshalbleiter (T5...8) der zweiten Schaltung (22) eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der ganzen Zwischenkreisspannung (UZK) entspricht.Converter circuit (20) according to one of the preceding claims, in which the power semiconductors (T1 ... 4) of the first circuit (21) have a dielectric strength which corresponds to at least half the intermediate circuit voltage (UZK) and the power semiconductors (T5 ... 8) of the second circuit (22) have a dielectric strength which corresponds at least to the entire intermediate circuit voltage (UZK). Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste und zweite Filterinduktivität (28a, 28b) gleiche Induktivitätswerte aufweisen.The power converter circuit (20) of any one of the preceding claims, wherein the first and second filter inductances (28a, 28b) have equal inductance values. Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) als Galliumnitrid-Schalter ausgeführt sind, insbesondere als selbstsperrende Galliumnitrid-Schalter oder als Kaskode mit einem selbstleitenden Galliumnitrid-Schalter.Converter circuit (20) according to one of the preceding claims, in which the power semiconductors (T1 ... 4) of the first circuit (21) are designed as gallium nitride switches, in particular as gallium nitride self-blocking switches or as cascodes with a gallium nitride self-conducting Switch. Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Filterschaltung (23) einen zweiten Filterkondensator zwischen dem Filterkondensator (29) und der zweiten Filterinduktivität (28b) umfasst und der Potentialpunkt zwischen den Filterkondensatoren (29) mit dem Potentialpunkt zwischen den ersten Halbbrücken (26a, 26b) der ersten Schaltung (21) verbunden ist.A power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the filter circuit (23) comprises a second filter capacitor between the filter capacitor (29) and the second filter inductor (28b) and the potential point between the filter capacitors (29) with the potential point between the filter capacitors (29) first half-bridges (26a, 26b) of the first circuit (21) is connected. Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der erste Kondensator (C1) und die erste Halbbrücke (26a) als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sind und der zweite Kondensator (C2) und die zweite Halbbrücke (26b) als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet sind.A power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the first capacitor (C1) and the first half-bridge (26a) are formed as a first commutation cell and the second capacitor (C2) and the second half-bridge (26b) as a second one Commutation cell are formed. Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems (1) mit einem Wechselspannungssystem, bei dem eine Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche verwendet wird, wobei die Stromrichter-Schaltung (20) als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben wird.A method of interconnecting a DC system (1) with an AC system using a power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the power converter circuit (20) is operated as a rectifier and / or as an inverter. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) mit einer Pulsweiten-Modulation im Kilohertz-Bereich angesteuert werden und die Leistungshalbleiter (T5...8) der zweiten Schaltung (22) mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich umgepolt werden.Method according to Claim 10 in which the power semiconductors (T1 ... 4) of the first circuit (21) are driven with pulse width modulation in the kilohertz range and the power semiconductors (T5 ... 8) of the second circuit (22) with a fundamental frequency in Hertz Area be reversed. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) mit einer Frequenz von mehr als 100 kHz, insbesondere mehr als 300 kHz, angesteuert werden.Method according to Claim 11 in which the power semiconductors (Tl ... 4) of the first circuit (21) with a frequency of more than 100 kHz, in particular more than 300 kHz, are controlled. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten.Method according to one of Claims 10 to 12 in which the power semiconductors (Tl ... 4) of the first circuit (21) are driven in such a way that they switch synchronously. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Leistungshalbleiter (Tl...4) der ersten Schaltung (21) derart angesteuert werden, dass die Leistungshalbleiter (T1, T2) der oberen ersten Halbbrücke (26a) im Wechsel mit den Leistungshalbleitern (T3, T4) der unteren ersten Halbbrücke (26b) schalten.Method according to one of Claims 10 to 12 in which the power semiconductors (Tl ... 4) of the first circuit (21) are controlled in such a way that the power semiconductors (T1, T2) of the upper first half-bridge (26a) alternate with the power semiconductors (T3, T4) of the lower first one Half bridge (26b) switch. Photovoltaik-System (10) mit wenigstens einem Solarmodul (11a, 11b) und wenigstens einer Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Photovoltaic system (10) with at least one solar module (11a, 11b) and at least one power converter circuit (20) according to one of Claims 1 to 9 ,
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