DE102016224312A1

DE102016224312A1 - High efficiency power converter for three-phase systems

Info

Publication number: DE102016224312A1
Application number: DE102016224312.8A
Authority: DE
Inventors: Marvin Tannhäuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-07
Also published as: WO2018104177A1

Abstract

Stromrichter-Schaltung für dreiphasige Systeme, umfassendeinen Zwischenkreis,parallel zum Zwischenkreis drei zueinander parallele Arme mit jeweils einer ersten Schaltung, einer zweiten Schaltung und einer Filterschaltung,wobeider Zwischenkreis Anschlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung aufweist, zwischen denen eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren angeordnet ist,der Zwischenkreis als geteilter Zwischenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mittelpunkts einer Zwischenkreisspannung am zwischen den Kondensatoren befindlichen Punkt vorgesehen ist,die erste Schaltung jedes Arms zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken umfasst,die Potentialpunkte zwischen den Kondensatoren sowie zwischen den ersten Halbbrücken jedes Arms miteinander verbunden sind,die Filterschaltung jedes Arms 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 des jeweiligen Arms verbunden sind,die Filterschaltung jedes Arms zweite Anschlüsse an den Punkten zwischen dem Filterkondensator und der ersten sowie zwischen dem Filterkondensator und der zweiten Filter-Induktivität umfasst,die zweite Schaltung jedes Arms eine zweite Halbbrücke aufweist, deren Mittelpunkt einen Wechselspannungsausgang für die jeweilige Phase bilden, die dem Arm zugeordnet ist,die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücke jedes Arms mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung des Arms verbunden sind.Converter circuit for three-phase systems, comprising a DC link, parallel to the intermediate circuit three mutually parallel arms, each having a first circuit, a second circuit and a filter circuit, the DC link having terminal contacts for connection to a DC voltage, between which a series circuit of two capacitors is arranged, the intermediate circuit is designed as a divided intermediate circuit and is provided for establishing a center of an intermediate circuit voltage at the point located between the capacitors, the first circuit of each arm comprises two series-connected first half-bridges, the potential points between the capacitors and between the first half-bridges of each arm connected together are, the filter circuit of each arm comprises first terminals, between which a series of a first filter inductance, a filter capacitor and a second filter inductance is connected, the first Since the terminals of each arm have 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 of each arm has a second half-bridge whose center point forms an AC output for each phase associated with the arm, the outer potential points of the second half-bridge of each arm are connected to the second terminals of the filter circuit of the arm.

Description

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

Eine solche Schaltung kommt beispielsweise in einem Wechselrichter für die Verwendung in der Photovoltaik zum Einsatz. Andere Einsatzfelder für Stromrichter sind beispielsweise elektrische Maschinen, Generatoren, 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. Other fields of application for power converters are, for example, electrical machines, generators, 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 dreiphasigen Wechselspannungssystem, beispielsweise mit einer Sternspannung 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. Das dreiphasige Wechselspannungssystem umfasst drei einzelne Wechselspannungen mit vom Prinzip her gleicher Frequenz und Amplitude, die gegeneinander phasenverschoben sind um 120° bzw. 240°.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 a three-phase AC voltage system, for example with a star voltage of 230 V, 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. The three-phase alternating voltage system comprises three individual alternating voltages with basically the same frequency and amplitude, which are phase-shifted by 120 ° and 240 °, respectively.

Aus der EP 2 136 465 A1 ist ein einphasiger 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 a single-phase 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 dreiphasige 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 three-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 dreiphasige Systeme gelöst. Die Stromrichter-Schaltung umfasst einen Zwischenkreis und parallel zum Zwischenkreis drei zueinander parallele Arme mit jeweils einer ersten Schaltung, einer zweiten Schaltung und einer Filterschaltung. Dabei weist der Zwischenkreis Anschlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung auf, zwischen denen eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren angeordnet ist. Der Zwischenkreis ist als geteilter Zwischenkreis ausgeführt und zur Herstellung eines Mittelpunkts einer Zwischenkreisspannung am zwischen den Kondensatoren befindlichen Punkt vorgesehen.This object is achieved by a power converter circuit for three-phase systems. The power converter circuit comprises an intermediate circuit and parallel to the intermediate circuit three mutually parallel arms each having a first circuit, a second circuit and a filter circuit. In this case, the intermediate circuit has connection contacts for connection to a DC voltage, between which a series connection of two capacitors is 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.

Die erste Schaltung jedes Arms umfasst zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken, wobei die Potentialpunkte zwischen den Kondensatoren des Zwischenkreises sowie zwischen den ersten Halbbrücken jedes Arms miteinander verbunden sind.The first circuit of each arm comprises two series-connected first half-bridges, the potential points being connected between the capacitors of the intermediate circuit and between the first half-bridges of each arm.

Die Filterschaltung jedes Arms umfasst erste Anschlüsse, zwischen denen eine Serie aus einer ersten Filter-Induktivität, einem Filterkondensator und einer zweiten Filter-Induktivität geschaltet ist, wobei die ersten Anschlüsse mit den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken des jeweiligen Arms verbunden sind. Die Filterschaltung jedes Arms 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 of each arm comprises first terminals, between which a series of a 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 of the respective arm. The filter circuit of each arm further includes 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 jedes Arms weist eine zweite Halbbrücke, deren Mittelpunkt einen Wechselspannungsausgang für die jeweilige Phase bildet, die dem Arm zugeordnet ist. Die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücke jedes Arms sind mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung des Arms verbunden.The second circuit of each arm has a second half-bridge whose center forms an AC output for each phase associated with the arm. The outer potential points of the second half-bridge of each arm are connected to the second terminals of the filter circuit of the arm.

Die Stromrichter-Schaltung und das Verfahren der Erfindung kommen vorzugsweise bei Netzanwendungen, beispielsweise Photovoltaik 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 method of the invention are preferably used in network applications, such as photovoltaic and energy storage applications, as well as 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 dreiphasigen 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 three-phase 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 pro Phase. 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 due to the placement of the internal filter is advantageously narrowly limited to two short conductor pieces per phase. 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 ersten Schaltungen können Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind. Die zweiten Schaltungen können 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 Schaltungen können hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen 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 Schaltungen, die für die Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein, während die vergleichsweise langsam schaltenden Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen, die für eine Taktung mit einer Grundfrequenz vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein können. 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 Schaltungen können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen 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 Schaltungen 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 Schaltungen können mit einer Frequenz von mehr als 100 kHz, insbesondere einer Frequenz von mehr als 300 kHz, angesteuert werden. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht es, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.
- Der erste Kondensator und die oberen ersten Halbbrücken können als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sein; der zweite Kondensator und die unteren ersten Halbbrücken 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 zu den parallel dazu geschalteten ersten Halbbrücken und vom zweiten Kondensator zu den parallel dazu geschalteten zweiten Halbbrücken 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 Schaltungen werden bevorzugt mit einer Pulsweiten-Modulation angesteuert und die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltungen 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 innerhalb einer oder mehrerer der ersten Schaltungen können derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten. Mit anderen Worten passiert für eine oder mehrere der ersten Schaltungen ein Umschalten der Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken dieser ersten Schaltung gleichzeitig. Bevorzugt wird die synchrone Schaltung in allen drei Armen vorgenommen, d.h. die Arme verhalten sich gleichartig, wobei ein Leistungshalbleiter eines ersten und ein Leistungshalbleiter eines zweiten Arms meist nicht gleichzeitig schalten. In diesem Betriebsmodus wechselt die Spannung zwischen der ersten Schaltung und der Filterschaltung eines Arms 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. Besonders vorteilhaft ist, dass dieser Betriebsmodus, der von einphasigen Schaltungen her bekannt ist, nun auch bei einer dreiphasigen Schaltung mit ihren drei parallelen Armen verwendbar ist.
- Alternativ können Leistungshalbleiter einer oder mehrerer der ersten Schaltungen derart angesteuert werden, dass die Leistungshalbleiter der oberen ersten Halbbrücke eines Arms im Wechsel mit den Leistungshalbleitern der unteren ersten Halbbrücke dieses Arms 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. Besonders vorteilhaft ist, dass dieser Betriebsmodus, der von einphasigen Schaltungen her bekannt ist, nun auch bei einer dreiphasigen Schaltung mit ihren drei parallelen Armen verwendbar ist. Das bei zwei parallelen Halbbrücken beispielsweise als diagonale Taktung bezeichnete Schaltkonzept ist nicht auf entsprechende dreiphasige Schaltungen wie den klassischen Brückenumrichter übertragbar. Die spezielle Topologie des erfindungsgemäßen Stromrichters erlaubt aber den beschriebenen Betriebsmodus und erlaubt somit, die Vorteile der Frequenzverdoppelung auch bei einer dreiphasigen Schaltung zu erreichen.

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 circuits may comprise power semiconductors, which are provided for a modulation of the AC voltage. The second circuits may include power semiconductors intended 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 for 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 circuits can be optimized with regard to low switching losses. The power semiconductors of the second circuits 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 rapidly switching power semiconductors of the first circuits, 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 circuits, which are provided for a clocking with a fundamental frequency, can be optimized with regard to 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 semiconductors of the first circuits may have a dielectric strength which corresponds to at least half the intermediate circuit voltage. The power semiconductors of the second circuits may have a withstand voltage 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 circuits 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 semiconductor of the first circuits can be controlled with a frequency of more than 100 kHz, in particular a frequency of more than 300 kHz. A high switching speed makes it possible to reduce the size of the filter elements.
The first capacitor and the upper first half-bridges may be formed as a first commutation cell; the second capacitor and the lower first half-bridges 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, in operation as an inverter, from the first capacitor to the first half-bridges connected in parallel thereto and from the second capacitor to the second half-bridges 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 semiconductors of the first circuits are preferably driven with a pulse width modulation and the power semiconductors of the second circuits are reversed 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 semiconductors within one or more of the first circuits can be controlled so that they switch synchronously. In other words, for one or more of the first circuits, switching of the power semiconductors of the first two half-bridges of this first circuit occurs simultaneously. Preferably, the synchronous circuit is made in all three arms, ie the arms behave in a similar way, with a power semiconductor of a first arm and a power arm of a second arm usually not switching simultaneously. In this mode of operation, therefore, the voltage between the first circuit and the filter circuit of an arm 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. It is particularly advantageous that this operating mode, which is known from single-phase circuits, can now also be used in a three-phase circuit with its three parallel arms.
Alternatively, power semiconductors of one or more of the first circuits can be controlled in such a way that the power semiconductors of the upper first half-bridge of one arm alternate with the power semiconductors of the lower first half-bridge of this arm. 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 relative to the upper first one Half bridge can be reached. 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. Thereby, the size of the filter inductors used in the filter circuit can be reduced because the filter effect is inversely proportional to the frequency of the signal. It is particularly advantageous that this operating mode, which is known from single-phase circuits, can now also be used in a three-phase circuit with its three parallel arms. The switching concept, which is referred to as diagonal clocking in two parallel half-bridges, for example, can not be applied to corresponding three-phase circuits such as the classic bridge converter. However, the special topology of the power converter according to the invention allows the operating mode described and thus allows to achieve the advantages of frequency doubling even in a three-phase circuit.

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 dreiphasige 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 power converter circuit according to the invention for three-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 11, die in Reihenschaltungen, sog. Strings, organisiert sind. Der Übersicht wegen sind in 1 nur zwei dieser Strings dargestellt. Jeder der Strings umfasst einen eigenen DC/DC-Wandler 12, über den der String mit einem DC-Bus 13 verbunden ist. Der DC-Bus 13 ist wiederum mit einer erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 verbunden, die aus dem Gleichstrom des DC-Busses 13 eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt. Ausgangsseitig ist der Stromrichter 20 mit dem Versorgungsnetzwerk 14 verbunden. Die dreiphasige Wechselspannung hat die Frequenz f_G des Versorgungsnetzwerks, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. 1 shows a block diagram of a section of a photovoltaic system 10 , The photovoltaic system 10 includes a number of solar modules 11 , which are organized in series circuits, so-called strings. Because of the overview are in 1 only two of these strings are shown. Each of the strings has its own DC / DC converter 12 over which the string is connected to a DC bus 13 connected is. The DC bus 13 is in turn connected to a power converter circuit 20 according to the invention, which consists of the direct current of the DC bus 13 generates a three-phase AC voltage. The output side is the power converter 20 with the supply network 14 connected. The three-phase AC voltage has the frequency f _{G of} the supply network, for example, 50 Hz or 60 Hz.

In 2 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 für dreiphasige Systeme dargestellt, wobei die Stromrichter-Schaltung drei parallele Arme umfasst, die die Wechselspannungen für die drei Phasen erzeugen. Jeder der Arme umfasst eine erste Schaltung 21U, 21V, 21W, eine zweite Schaltung 22U, 22V, 22W und eine Filterschaltung 23U, 23V, 23W. 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 25 zur Verbindung mit dem Wechselspannungssystem.In 2 is a circuit diagram of an embodiment of the power converter circuit according to the invention 20 for three-phase systems, wherein the power converter circuit comprises three parallel arms that generate the AC voltages for the three phases. Each of the arms includes a first circuit 21U . 21V . 21W , a second circuit 22U . 22V . 22W and a filter circuit 23U . 23V . 23W , 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 25 for connection to the AC system.

Die ersten Schaltungen 21U, 21V, 21W umfassen jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbbrücken und sind zueinander parallel geschaltet. Parallel zu den Halbbrücken ist weiterhin ein Zwischenkreis 27 angeordnet, der eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren C1, C2 aufweist. Die äußeren Anschlüsse der Halbbrücken der ersten Schaltungen 21U, 21V, 21W und des Zwischenkreises 27 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 befindlichen Potentialpunkt vorgesehen. Dabei ist der erste Kondensator C1 parallel zu den oberen Halbbrücken der ersten Schaltungen 21U, 21V, 21W geschaltet und der zweite Kondensator C2 parallel zu den unteren Halbbrücken der ersten Schaltungen 21U, 21V, 21W geschaltet. Der erste Kondensator C1 und die oberen ersten Halbbrücken sind als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet und der zweite Kondensator C2 und die unteren ersten Halbbrücken sind als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet, wodurch sich parasitäre Effekte minimieren, welche hauptsächlich durch parasitäre Induktivitäten zwischen einem Kondensator C1, C2 und der dazu parallel geschalteten Halbbrücke verursacht werden.The first circuits 21U . 21V . 21W each comprise two series-connected half-bridges and are connected in parallel to each other. Parallel to the half bridges is still a DC link 27 arranged, which has a series connection of two capacitors C1, C2. The outer terminals of the half bridges of the first circuits 21U . 21V . 21W and the DC link 27 are with the connection contacts 24a . 24b connected and thus form the DC input of the power converter circuit 20 , The DC link 27 is designed as a divided intermediate circuit and provided for producing a center point M of an intermediate circuit voltage UZK at the potential point located between the capacitors C1, C2 and the half bridges. In this case, the first capacitor C1 is connected in parallel with the upper half bridges of the first circuits 21U, 21V, 21W, and the second capacitor C2 is connected in parallel with the lower half bridges of the first circuits 21U , 21V, 21W switched. The first capacitor C1 and the upper first half bridges are formed as a first commutation cell, and the second capacitor C2 and the lower first half bridges are formed as a second commutation cell, thereby minimizing parasitic effects caused mainly by parasitic inductances between a capacitor C1, C2 and caused in parallel to the half-bridge.

Die Filterschaltungen 23U, 23V, 23W umfassen jeweils eine erste und zweite Filter-Induktivität LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2. Ein erster Anschluss der ersten Filter-Induktivität LU1, LV1, LW1 ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2 der jeweiligen ersten Halbbrücke verbunden. Ein erster Anschluss der zweiten Filter-Induktivität LU2, LV2, LW2 ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern TU3, TU4, TV3, TV4, TW3, TW4 der zweiten Halbbrücke verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Filter-Induktivitäten LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2 sind über einen jeweiligen Filter-Kondensator CU...W zusammengeschlossen. Die Filter-Induktivitäten LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2 weisen zweckmäßig die gleiche Induktivität auf.The filter circuits 23U . 23V . 23W each comprise first and second filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2. A first terminal of the first filter inductor LU1, LV1, LW1 is connected to the potential point between the power semiconductors TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2 connected to the respective first half bridge. A first terminal of the second filter inductor LU2, LV2, LW2 is connected to the potential point between the power semiconductors TU3, TU4, TV3, TV4, TW3, TW4 of the second half-bridge. The respective other terminals of the filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2 are connected together via a respective filter capacitor CU ... W. The filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2 expediently have the same inductance.

Die zweiten Schaltungen 22U, 22V, 22W umfassen jeweils eine Halbbrücke. Der obere äußere Anschluss der Halbbrücke ist mit dem Potentialpunkt zwischen der ersten Filter-Induktivität LU1, LV1, LW1 und dem Filter-Kondensator CU...W verbunden. Der untere äußere Anschluss der Halbbrücke ist mit dem Potentialpunkt zwischen der zweiten Filter-Induktivität LU2, LV2, LW2 und dem Filter-Kondensator CU...W verbunden. Der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 der Halbbrücke bildet je Arm einen der Wechselspannungskontakte 25.The second circuits 22U . 22V . 22W each include a half-bridge. The upper outer terminal of the half-bridge is connected to the potential point between the first filter inductor LU1, LV1, LW1 and the filter capacitor CU ... W. The lower outer terminal of the half-bridge is connected to the potential point between the second filter inductor LU2, LV2, LW2 and the filter capacitor CU ... W. The potential point between the power semiconductors TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 of the half-bridge forms one of the AC voltage contacts per arm 25 ,

Die Stromrichter-Schaltung 20 arbeitet mit leistungselektronischen Schaltern TU1...8, TV1...8, TW1...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 zeigt MOSFETs und die 3 zeigt IGBTs als leistungselektronische Schalter TU1...8, TV1...8, TW1...8, das ist aber beispielhaft und es können andere Schaltertypen verwendet werden. Dabei können sich insbesondere die verwendeten Schalter TU1...8, TV1...8, TW1...8 auch unterscheiden, beispielsweise können in den Halbbrücken der ersten Schaltungen 21U, 21V, 21W schnell schaltende GaN-Schalter verwendet werden, während in den Halbbrücken der zweiten Schaltungen 22U...W IGBTs zum Einsatz kommen.The power converter circuit 20 works with power electronic switches TU1 ... 8, TV1 ... 8, TW1 ... 8, for example, as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) or Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN-HEMT) can be executed. The 2 shows MOSFETs and the 3 shows IGBTs as power electronic switches TU1 ... 8, TV1 ... 8, TW1 ... 8, but this is exemplary and other types of switches can be used. In this case, the switches used in particular TU1 ... 8, TV1 ... 8, TW1 ... 8 may also differ, for example, in the half-bridges of the first circuits 21U . 21V . 21W fast switching GaN switches are used while in the half bridges of the second circuits 22U ... W IGBTs are used.

Die Leistungshalbleiter TU1...4, TV1...4, TW1...4 der ersten Schaltungen 21U...W sind für eine Modulation, vorzugsweise eine Pulsweitenmodulation, kurz PWM, mit einem Takt vorgesehen, welcher eine signifikant höhere Frequenz aufweist als die Grundfrequenz f_G. Bei dieser hohen Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz, 100 kHz oder 250 kHz sind die Schaltverluste der Leistungshalbleiter TU1...4, TV1...4, TW1...4der ersten Schaltungen 21U...W dominant gegenüber den Durchlassverlusten und daher werden Leistungshalbleiter TU1...4, TV1...4, TW1...4 für die ersten Schaltungen 21U...W ausgewählt, die hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind. Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie der Stromrichter-Schaltung 20 erlaubt es weiterhin, für die ersten Schaltungen 21U...W Leistungshalbleiter TU1...4, TV1...4, TW1...4 zu verwenden, welche eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die der halben Zwischenkreisspannung UZK entspricht.The power semiconductors TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4 of the first circuits 21U ... W are for a modulation, preferably a pulse width modulation, short PWM, provided 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 TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4 of the first circuits 21U ... W are dominant with respect to the forward losses and therefore power semiconductors TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4 become the first circuits 21U ... W, which are optimized for low switching losses. The inventive circuit topology of the power converter circuit 20 it still allows for the first circuits 21U ... W power semiconductors TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4 to use, which have a dielectric strength which corresponds to half the intermediate circuit voltage UZK.

Die Leistungshalbleiter TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 der zweiten Schaltungen 22U...W sind für eine Taktung mit der Grundfrequenz f_G vorgesehen. Da bei dieser deutlich geringeren Schaltfrequenz f_G die Durchlassverluste der Leistungshalbleiter TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 im Vergleich zu den Schaltverlusten dominant sind, werden Leistungshalbleiter TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 für die zweite Schaltung 22 ausgewählt, welche hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind. Aufgrund der Schaltungstopologie werden für die zweiten Schaltungen 22U...W Leistungshalbleiter TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 mit einer Spannungsfestigkeit verwendet, die der ganzen Zwischenkreisspannung UZK entspricht. Dies ist aber nicht von Nachteil, da die Leistungshalbleiter TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 der zweiten Schaltungen 22U...W nicht schnell schalten müssen.The power semiconductors TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 of the second circuits 22U ... W are provided for a clocking at the fundamental frequency f _G. Since, at this significantly lower switching frequency f _G, the forward losses of the power semiconductors TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 are dominant in comparison to the switching losses, power semiconductors TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 become the second circuit 22 selected, which are optimized for low forward losses. Due to the circuit topology, for the second circuits 22U ... W power semiconductors used TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 with a dielectric strength corresponding to the whole DC link voltage UZK. However, this is not disadvantageous since the power semiconductors TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6 of the second circuits 22U ... W 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 einer der ersten Schaltungen 21U...W sowie die Filter-Induktivitäten LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2 gezeigt. 3 zeigt weiterhin zwei Bereiche 31, 32 in der Leiterstruktur der Stromrichter-Schaltung 20. Die hochfrequenten Spannungswechsel, die durch das Umpolen der Halbbrücken 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 , The two half bridges are one of the first circuits 21U ... W as well as the filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2. 3 also shows two areas 31 . 32 in the ladder structure of the power converter circuit 20 , The high-frequency voltage changes, which are generated by the polarity reversal of the half-bridges, are limited to the areas in the topology according to the invention 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 characteristics of the power converter circuit 20 , can therefore be designed with a low structural complexity. 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 may then have either other suitable shielding parts of the power converter circuit 20 or specially provided metallic surfaces. As a result, in turn, the housing of the power converter circuit 20 can be simplified, for example, as a plastic housing instead of a metal housing, since the housing must meet less or no Schirmungsaufgaben.

Die 4 bis 7 zeigen den Ablauf der Schaltzustände der Halbbrücken einer der ersten Schaltungen 21U...W sowie der Halbbrücken der dem gleichen Arm zugehörigen zweiten Schaltung 22U...W über einen Zeitraum, der einer Periode der Grundfrequenz f_G entspricht, d.h. 20 µs bei einer Grundfrequenz von 50 Hz. Die Halbbrücken 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 angibt. Der Schaltzustand umfasst dabei den Zustand der beiden Leistungshalbleiter TU1...6, TV1...6, TW1...6 der jeweiligen Halbbrücke, wobei von den Leistungshalbleitern TU1...6, TV1...6, TW1...6 einer Halbbrücke jeweils einer eingeschaltet und der andere ausgeschaltet ist.The 4 to 7 show the sequence of switching states of the half-bridges of one of the first circuits 21U ... W and the half bridges of the second arm associated with the same arm 22U ... W 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 become 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 indicates the switching state of the respective half-bridge. In this case, the switching state comprises the state of the two power semiconductors TU1... 6, TV1... 6, TW1... 6 of the respective half-bridge, of the power semiconductors TU1 ... 6, TV1 ... 6, TW1 ... 6 of a half-bridge one is turned on and the other is turned off.

In den 4 und 5 ist erkennbar, dass die Halbbrücken der gezeigten ersten Schaltung 21U...W stets im Gleichtakt, also synchron, und gegenläufig schalten. Die sich ergebende Spannungsdifferenz an den Ausgängen der Halbbrücken entspricht also entweder der Zwischenkreisspannung UZK oder Null (kurzgeschlossene Ausgänge). Beim Filter-Kondensator CU...W, also aus Sicht der Halbbrücken hinter den Filter-Induktivitäten LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2 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. Bei einem typischen Drehstromnetz sind die Wechselströme der drei Phasen zueinander um 120° bzw. 240° phasenverschoben. Die Steuerung der ersten Schaltungen erfolgt daher für jeden der Arme zweckmäßig so, dass die entstehenden Halbwellen ebenfalls bereits eine derartige Phasenverschiebung zueinander aufweisen.In the 4 and 5 It can be seen that the half bridges of the first circuit shown 21U ... W always in common mode, ie synchronously, and counter-clockwise. The resulting voltage difference at the outputs of the half bridges thus corresponds either to the intermediate circuit voltage UZK or zero (short-circuited outputs). In the case of the filter capacitor CU... W, that is to say from the perspective of the half bridges behind the filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2, a smoothed voltage characteristic is thereby 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 a typical three-phase network, the alternating currents of the three phases are phase-shifted by 120 ° and 240 °, respectively. The control of the first circuits is therefore expedient for each of the arms so that the resulting half-waves also already have such a phase shift to each other.

In den 6 und 7 ist erkennbar, dass die Halbbrücken der zweiten Schaltungen 22U...W mit der Grundfrequenz f_G 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 CU...W umgeklappt und somit ein vollständiger Sinusverlauf als Ausgangsspannung erzeugt. Wenn die Halbwellen bereits so erzeugt werden, dass sie in den drei Armen um 120° und 240° zueinander phasenverschoben sind, erfolgt das Umpolen der Halbbrücken der zweiten Schaltungen 22U...W ebenfalls um 120° bzw. 240° phasenverschoben zueinander.In the 6 and 7 It can be seen that the half bridges of the second circuits 22U ... W 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 CU ... W folded and thus generates a complete sinusoidal waveform as output voltage , If the half-waves are already generated so that they are phase-shifted in the three arms by 120 ° and 240 ° to each other, the polarity reversal of the half-bridges of the second circuits takes place 22U ... W also to 120 ° or 240 ° out of phase with each other.

Der somit in den 4 und 5 gezeigte Schaltmodus verwendet also eine synchrone Schaltung der Leistungshalbleiter TU1...4, TV1...4, TW1...4 der Halbbrücken der gezeigten ersten Schaltung 21U...W. Es ist zweckmäßig, diesen Betrieb auch in den anderen Armen, bevorzugt in allen drei Armen zu verwenden. Dabei sind die Schaltzeiten innerhalb jedes der Arme abgestimmt, nicht aber die Schaltzeiten zwischen den Armen. Die genauen Umschaltzeiten der Halbbrücken sind durch den Verlauf der PWM bestimmt; da die erzeugten Wellen zueinander phasenverschoben sind, weichen die Umschaltzeiten der Halbbrücken der Arme nahezu immer voneinander ab. Durch den beschriebenen synchronen Betrieb ist die Spannung auf den beiden Ausgangsleitungen der Halbbrücken stets symmetrisch in Bezug auf das Spannungsniveau in der Mitte M des Zwischenkreises, also zwischen den beiden Halbbrücken der ersten Schaltungen 21U...W. Ist dieser Punkt mit Erde verbunden, ändert sich daher das Spannungsniveau der zweiten Schaltungen 22U...W in Bezug auf Erde durch die Schalthandlungen in der Halbbrücken nicht. Gleichtaktstörungen (common mode) werden dadurch vorteilhaft deutlich vermindert oder ganz vermieden.The thus in the 4 and 5 So switching mode shown so uses a synchronous circuit of the power semiconductor TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4 of the half-bridges of the first circuit shown 21U ... W. It is expedient to use this operation in the other arms, preferably in all three arms. The switching times are tuned within each of the arms, but not the switching times between the arms. The exact switching times of the half bridges are determined by the course of the PWM; Since the generated waves are out of phase with each other, the switching times of the half-bridges of the arms almost always differ. By the synchronous operation described, the voltage on the two output lines of the half-bridges is always symmetrical with respect to the voltage level in the middle M of the intermediate circuit, ie between the two half-bridges of the first circuits 21U ... W. If this point is connected to earth, therefore, the voltage level of the second circuits changes 22U ... W with respect to earth by the switching actions in the half bridges not. Common mode errors are advantageously significantly reduced or completely avoided.

In einem alternativen Betriebsmodus werden die innerhalb Halbbrücken einer, zweier oder bevorzugt aller drei ersten Schaltungen 21U...W versetzt zueinander geschaltet. Wenn eine der Halbbrücken umschaltet, schaltet in diesem Betriebsmodus die jeweils andere Halbbrücke einer ersten Schaltung 21U...W 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 gegenüber dem Trägersignal für die andere Halbbrücke entsprechend phasenverschoben werden. Werden die Halbbrücken 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 an. Da die Halbbrücken abwechselnd, aber insgesamt genauso häufig umschalten wie beim synchronen Betrieb, verdoppelt sich die Häufigkeit der Spannungswechsel am Ausgang der Halbbrücken. Die effektive Frequenz des Signals, das die jeweilige Filterschaltung 23U...W erreicht, ist daher doppelt so hoch wie beim synchronen Betrieb. Vorteilhaft erlaubt das, die Komponenten der Filterschaltung 23U...W, insbesondere die Filter-Induktivitäten LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2, für eine höhere Frequenz auszulegen und somit zu verkleinern. Da die Komponenten der Filterschaltungen 23U...W und gerade die Filter-Induktivitäten LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW besonders große und klobige Bauteile darstellen, ist dies von besonderem Vorteil.In an alternative mode of operation, those within half-bridges become one, two or preferably all three first circuits 21U ... W switched to each other. When one of the half bridges switches, the other half-bridge of a first circuit switches in this operating mode 21U ... W do not. The switching can be done with any phase shift to each other, in particular with a phase shift of 180 °. For example, in carrier mode operation, the carrier signal for one of the half bridges may be phase shifted relative to the carrier signal for the other half bridge. If the half bridges are switched offset to one another, then for a part of the time in addition to the voltages zero and the value of the intermediate circuit voltage UZK also half of the intermediate circuit voltage UZK at the output of the half bridges. Since the half-bridges alternate alternately but in total as often as in synchronous operation, the frequency of voltage changes at the output of the half-bridges doubles. The effective frequency of the signal representing the respective filter circuit 23U ... W is therefore twice as high as in synchronous operation. Advantageously, this allows the components of the filter circuit 23U ... W, in particular the filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2, designed for a higher frequency and thus to reduce. As the components of the filter circuits 23U ... W and especially the filter inductors LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW represent particularly large and bulky components, this is of particular advantage.

Wie auch beim synchronen Betrieb wird bei dem beschriebenen versetzten Betrieb stets die Umschaltung innerhalb eines oder mehrerer, bevorzugt aller Arme betrachtet. Auch beim versetzten Betrieb ist die Umschaltung weitgehend durch die PWM vorgegeben und zwischen den Armen werden die Umschaltzeitpunkte nicht aufeinander abgestimmt.As with synchronous operation, in the described staggered operation the switching within one or more, preferably all arms is always considered. Also in staggered operation switching is largely predetermined by the PWM and between the arms switching times are not matched.

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 dreiphasige Wechselspannungsquelle 94 über Wechselspannungskontakte 25 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 dreiphasige Wechselspannungsquelle 94 kann beispielsweise ein Generator oder ein Netzanschluss mit einer Wechselspannung von beispielsweise 50 Hz sein. In der Ladephase 91 wird die Stromrichter-Schaltung 20 als Gleichrichter betrieben. In einer Entladephase 92 ist ein Verbraucher 95 über die Wechselspannungskontakte 25 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 three-phase AC source 94 via AC voltage contacts 25 connected to the energy storage system 93 and charges the energy storage 90 , The energy storage 90 may be a battery, which is realized for example in lithium-ion technology. The three-phase AC voltage source 94 may be, for example, a generator or a grid connection with an AC voltage of 50 Hz, for example. 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 25 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

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims

Converter circuit (20) for three-phase systems, comprising a DC link (27), - Parallel to the intermediate circuit (27) three mutually parallel arms, each having a first circuit (21U ... W), a second circuit (22U ... W) and a filter circuit (23U ... W), wherein - the intermediate circuit (27) connecting contacts (24a, 24b) for connection to a DC voltage (1), between which a series circuit of two capacitors (C1, C2) is arranged, the intermediate circuit (27) is designed as a divided intermediate circuit (27) and is provided for establishing a midpoint (M) of an intermediate circuit voltage (UZK) at the point located between the capacitors (C1, C2), the first circuit (22U ... W) of each arm comprises two series-connected first half-bridges, the potential points (M) between the capacitors (C1, C2) and between the first half-bridges of each arm are connected to each other, the filter circuit (23U ... W) of each arm comprises first terminals, between which a series of a first filter inductance (LU1, LV1, LW1), a filter capacitor (CU ... W) and a second filter inductance (LU2, LV2, LW2) is connected, wherein the first terminals are connected to the centers of the two first half-bridges of the respective arm, the filter circuit (23U ... W) of each arm has second terminals at the points between the filter capacitor (CU ... W) and the first and between the filter capacitor (CU ... W) and the second filter inductor (LU2, LV2, LW2), the second circuit (22U ... W) of each arm has a second half-bridge whose center forms an AC output (25) for the respective phase associated with the arm, - the outer potential points of the second half-bridge of each arm are connected to the second terminals of the filter circuit (23U ... W) of the arm, - The power converter circuit (20) comprises a control device which is designed such that the power semiconductors (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) of the second circuits (22U ... W) with a clocking with a fundamental frequency in Hertz area operated.

Converter circuit (20) after Claim 1 in which the capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit (27) have the same capacitance values.

The power converter circuit (20) according to one of the preceding claims, wherein the first and second circuits (21U ... W, 22U ... W) power semiconductors (TU1 ... 6, TV1 ... 6, TW1. ..6), that the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of the first circuits (21U ... W) are provided for a modulation of the AC voltage in the kilohertz range, and the power semiconductors (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) of the second circuits (22U ... W) are provided for clocking at a fundamental frequency in the Hertz range.

Converter circuit (20) according to one of the preceding claims, in which the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of the first circuits (21U ... W) are optimized for low switching losses and the power semiconductors (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) of the second circuits (22U ... W) are optimized for low on-line losses.

The power converter circuit (20) according to one of the preceding claims, wherein the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of the first circuits (21U ... W) have a withstand voltage which at least half the intermediate circuit voltage (ZKS) corresponds and the power semiconductors (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) of the second circuits (22U ... W) have a withstand voltage which corresponds at least to the whole DC link voltage (UZK).

A power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the first and second filter inductances (LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2) have equal inductance values.

A power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of the first circuits (21U ... W) are implemented as gallium nitride switches in particular, as self-blocking gallium nitride switches or as a cascode with a self-conducting gallium nitride switch.

A power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the filter circuit (23U ... W) of each arm comprises a second filter capacitor between the filter capacitor (CU ... W) and the second filter inductor (LU2, LV2, LW2) and the potential point between the filter capacitors (CU ... W) of the arm is connected to the potential point between the first half-bridges of the first circuits (21U ... W).

A power converter circuit (20) according to any one of the preceding claims, wherein the first capacitor (C1) and the upper first half-bridges of each arm are formed as a first commutation cell and the second capacitor (C2) and the lower first half-bridges of each arm as a second one Commutation cell are formed.

Method for interconnecting a DC system with a three-phase system 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.

Method according to Claim 10 in which the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of the first circuits (21U ... W) are driven with a pulse width modulation in the kilohertz range and the power semiconductors (TU5 , TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) of the second circuits (22U ... W) are reversed at a fundamental frequency in the Hertz range.

Method according to Claim 11 in which the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of the first circuits (21U ... W) are driven at a frequency of more than 150 kHz, in particular more than 300 kHz become.

Method according to one of Claims 10 to 12 in which the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of one or more of the first circuits (21U ... W) are driven in such a way that they switch synchronously.

Method according to one of Claims 10 to 12 in which the power semiconductors (TU1 ... 4, TV1 ... 4, TW1 ... 4) of one or more of the first circuits (21U ... W) are driven in such a way that the power semiconductors (TU1, TU2, TV1 , TV2, TW1, TW2) of the upper respective first half-bridge in alternation with the power semiconductors (TU3, TU4, TV3, TV4, TW3, TW4) of the respective lower first half-bridge.