DE102019201630A1 - Highly efficient power converter for single-phase and three-phase systems - Google Patents
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Abstract
Stromrichter-Schaltung mit zwei parallelen Armen parallel zum Zwischenkreis, die jeweils zwei in Serie geschaltete erste Arm-Halbbrücken mit jeweils wenigstens einem unteren Leistungshalbleiter und einem oberen Leistungshalbleiter aufweist, wobei der Mittelpunkt der oberen Arm-Halbbrücke mit einer oberen Filterinduktivität verbunden ist, der Mittelpunkt der unteren Arm-Halbbrücke mit einer unteren Filterinduktivität verbunden ist und der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren mit dem Potentialpunkt zwischen den Arm-Halbbrücken verbunden ist, sowie mit einer Filterschaltung mit zwei in Serie geschalteten Filter-Kondensatoren, wobei der Potentialpunkt zwischen den beiden Filter-Kondensatoren mit dem Mittelpunkt verbunden ist, ein oberer Anschluss der Filterschaltung mit den oberen Filterinduktivitäten verbunden ist und ein unterer Anschluss der Filterschaltung mit den unteren Filterinduktivitäten verbunden ist, weiterhin mit einer Ausgangs-Halbbrücke, deren Mittelpunkt einen Wechselspannungsausgang bildet, wobei ein oberer Potential-punkt der Ausgangs-Halbbrücke mit dem oberen Anschluss der Filterschaltung verbunden ist und ein unterer Potentialpunkt der Ausgangs-Halbbrücke mit dem unteren Anschluss der Filterschaltung verbunden ist und mit einer Steuereinrichtung, die ausgestaltet ist, die Leistungshalbleiter der zwei Arme phasenversetzt zueinander anzusteuern, um einen Betrieb im Interleaved-Modus zu erreichen.Converter circuit with two parallel arms parallel to the intermediate circuit, each having two series-connected first arm half-bridges each with at least one lower power semiconductor and one upper power semiconductor, the center point of the upper arm half-bridge being connected to an upper filter inductance, the center point the lower arm half-bridge is connected to a lower filter inductance and the potential point between the capacitors is connected to the potential point between the arm half-bridges, as well as to a filter circuit with two series-connected filter capacitors, the potential point between the two filter capacitors is connected to the center point, an upper connection of the filter circuit is connected to the upper filter inductances and a lower connection of the filter circuit is connected to the lower filter inductances, furthermore to an output half-bridge whose center point is an alternating voltage An upper potential point of the output half-bridge is connected to the upper connection of the filter circuit and a lower potential point of the output half-bridge is connected to the lower connection of the filter circuit and with a control device that is designed to control the power semiconductors of the two To control the arms out of phase with each other in order to achieve operation in interleaved mode.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen Stromrichter für ein- und mehrphasige Systeme sowie ein Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems mit einem Wechselspannungssystem mit mindestens einer derartigen Schaltung.The invention relates to a circuit for a converter for single-phase and multi-phase systems and to a method for interconnecting a direct voltage system with an alternating voltage 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. 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 on the power conversion for an entire photovoltaic system, for a string, i.e. a number of solar panels in the facility. Other fields of application for power converters are, for example, electric vehicles, hybrid vehicles, vehicles for rail transport and also 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 voltage 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 Vereinigten 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.An arrangement for converting one type of electrical current into another is referred to as a converter. Such a converter is preferably used when interconnecting a direct voltage system, for example with a direct voltage of 450 V, with an alternating voltage system, for example with an alternating voltage of 230 V, the converter being operated as an inverter or as a rectifier depending on the direction of power flow. An inverter is an electrical device that converts DC voltage into AC voltage. A rectifier is an electrical device that converts AC voltage into DC voltage. The converter can be used here both as a rectifier and as an inverter. A single-phase system has a phase conductor and a neutral conductor, the neutral conductor preferably being grounded. Another embodiment is a so-called single-phase three-wire network or in English “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 help of a transformer, which preferably has a center tap on the secondary side for the neutral phase, two signals in antiphase, i.e. with a 180 ° phase offset, are generated on two conductors.
Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichter-Schaltung anzugeben, die im Vergleich zu bekannten Stromrichter-Schaltungen verbesserte Eigenschaften bezüglich der Entwärmung und Baugröße aufweist.The invention is based on the object of specifying a converter circuit which, compared to known converter circuits, has improved properties in terms of heat dissipation and structural size.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromrichter-Schaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Stromrichter-Schaltung umfasst Anschlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung, zwischen denen ein Zwischenkreis mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren angeordnet ist, wobei der Zwischenkreis als geteilter Zwischenkreis ausgeführt ist zur Herstellung eines Mittelpunkts einer Zwischenkreisspannung am zwischen den Kondensatoren befindlichen Punkt.According to the invention, this object is achieved by a converter circuit having the features of
Weiterhin umfasst die Stromrichter-Schaltung einen ersten Arm parallel zum Zwischenkreis, der zwei in Serie geschaltete erste Arm-Halbbrücken mit jeweils wenigstens einem unteren Leistungshalbleiter und einem oberen Leistungshalbleiter aufweist, wobei der Mittelpunkt der oberen ersten Arm-Halbbrücke mit einer oberen ersten Filterinduktivität verbunden ist, der Mittelpunkt der unteren ersten Arm-Halbbrücke mit einer unteren ersten Filterinduktivität verbunden ist und der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren mit dem Potentialpunkt zwischen den ersten Arm-Halbbrücken verbunden ist.Furthermore, the converter circuit comprises a first arm parallel to the intermediate circuit, which has two series-connected first arm half-bridges each with at least one lower power semiconductor and one upper power semiconductor, the center point of the upper first arm half-bridge being connected to an upper first filter inductance , the midpoint of the lower first arm half-bridge is connected to a lower first filter inductance and the potential point between the capacitors is connected to the potential point between the first arm half-bridges.
Parallel zum Zwischenkreis und zum ersten Arm ist ein zweiter Arm vorhanden, der zwei in Serie geschaltete zweite Arm-Halbbrücken mit jeweils wenigstens einem unteren Leistungshalbleiter und einem oberen Leistungshalbleiter aufweist, wobei der Mittelpunkt der oberen zweiten Arm-Halbbrücke mit einer oberen zweiten Filterinduktivität verbunden ist, der Mittelpunkt der unteren zweiten Arm-Halbbrücke mit einer unteren zweiten Filterinduktivität verbunden ist und der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren mit dem Potentialpunkt zwischen den zweiten Arm-Halbbrücken verbunden ist.In parallel to the intermediate circuit and to the first arm, there is a second arm, which has two second arm half-bridges connected in series, each with at least one lower power semiconductor and one upper power semiconductor, the The midpoint of the upper second arm half-bridge is connected to an upper second filter inductance, the midpoint of the lower second arm half-bridge is connected to a lower second filter inductance and the potential point between the capacitors is connected to the potential point between the second arm half-bridges.
Die Stromrichter-Schaltung umfasst weiterhin eine Filterschaltung mit zwei in Serie geschalteten Filter-Kondensatoren, wobei der Potentialpunkt zwischen den beiden Filter-Kondensatoren mit dem Mittelpunkt verbunden ist, ein oberer Anschluss der Filterschaltung mit den oberen Filterinduktivitäten verbunden ist und ein unterer Anschluss der Filterschaltung mit den unteren Filterinduktivitäten verbunden ist, sowie eine Ausgangs-Halbbrücke, deren Mittelpunkt einen Wechselspannungsausgang bildet, wobei ein oberer Potentialpunkt der Ausgangs-Halbbrücke mit dem oberen Anschluss der Filterschaltung verbunden ist und ein unterer Potentialpunkt der Ausgangs-Halbbrücke mit dem unteren Anschluss der Filterschaltung verbunden ist.The converter circuit further comprises a filter circuit with two series-connected filter capacitors, the potential point between the two filter capacitors being connected to the center point, an upper connection of the filter circuit being connected to the upper filter inductances and a lower connection of the filter circuit being connected to the lower filter inductances, and an output half-bridge, the center of which forms an AC voltage output, an upper potential point of the output half-bridge being connected to the upper connection of the filter circuit and a lower potential point of the output half-bridge being connected to the lower connection of the filter circuit .
Schließlich weist die Stromrichter-Schaltung eine Steuereinrichtung auf, die ausgestaltet ist, die Leistungshalbleiter der zwei Arme phasenversetzt zueinander anzusteuern, um einen Betrieb im sog. Interleaved-Modus zu erreichen.Finally, the converter circuit has a control device which is designed to control the power semiconductors of the two arms in a phase-shifted manner in order to achieve operation in what is known as the interleaved mode.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems mit einem Wechselspannungssystem, bei dem eine vorbeschriebene Stromrichter-Schaltung verwendet wird, wobei die Stromrichter-Schaltung als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben wird, wobei die Leistungshalbleiter der Arme der Stromrichter-Schaltung phasenversetzt zueinander angesteuert werden, um einen Betrieb im Interleaved-Modus zu erreichen.The invention also creates a method for interconnecting a DC voltage system with an AC voltage system, in which a previously described converter circuit is used, the converter circuit being operated as a rectifier and / or as an inverter, the power semiconductors of the arms of the converter circuit being out of phase with one another can be controlled in order to achieve operation in interleaved mode.
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 converter circuit and the method of the invention are preferably used in network applications, for example photovoltaics, in particular as micro solar inverters for individual solar modules and energy storage applications, as well as in electric vehicles, hybrid vehicles and vehicles for rail traffic. Additional areas of application are auxiliary power 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 creates a converter circuit with a native sinusoidal output voltage. It is also advantageous that such a converter circuit is readily suitable for a parallel connection with other, for example similar, converter circuits. As a result, the power range that can be achieved with the circuit is significantly expanded - while retaining the components used.
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.In the converter circuit according to the invention, it is also advantageous that the area 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 areas between the filter inductances and the directly connected switches of the first half bridges. This means that the area of the circuit with high EMC emissions is advantageously narrowly limited to two short conductor pieces due to the placement of the internal filter. These can easily be provided with shielding, for example by being arranged in a middle layer in a multi-layer circuit board 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, the topology according to the invention ensures that the switches of the second circuit are not in the range of high switching frequencies. Rather, the voltage is smoothed by the filter circuit before the switches of the second circuit. This reduces the load on the switches in the second circuit and the activation of the switches in 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 due to the circuit topology according to the invention, that is to say, depending on the power flow, as a rectifier and / or an inverter.
Besonders vorteilhaft an der Stromrichter-Schaltung ist, dass durch die Verwendung einer Interleaved-Topologie und - Ansteuerung bei gleicher Last Bauteile mit verringerter Stromtragfähigkeit verwendet werden können. Ferner sinken die Verluste an jedem Bauteil, wodurch der Aufwand für die Entwärmung der Leistungshalbleiter sinkt.A particular advantage of the converter circuit is that by using an interleaved topology and control, components with a reduced current-carrying capacity can be used with the same load. Furthermore, the losses on each component are reduced, which means that the cost of cooling the power semiconductors is reduced.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Advantageous embodiments of the circuit according to the invention emerge from the claims dependent on
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 Stromrichter-Schaltung kann wenigstens einen weiteren Arm parallel zum Zwischenkreis umfassen, der zwei in Serie geschaltete weitere Arm-Halbbrücken aufweist, wobei der Mittelpunkt der oberen weiteren Arm-Halbbrücke mit einer oberen weiteren Filterinduktivität verbunden ist, der Mittelpunkt der unteren weiteren Arm-Halbbrücke mit einer unteren weiteren Filterinduktivität verbunden ist und der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren mit dem Potentialpunkt zwischen den weiteren Arm-Halbbrücken verbunden ist und wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, alle Arme im Interleaved-Modus zu betreiben. Durch beispielsweise einen oder zwei weitere Arme wird die Stromlast der einzelnen Leistungshalbleiter weiter reduziert.
- - Besonders vorteilhaft ist es, wenn die oberen Filterinduktivitäten der Arme als verkoppelte Induktivität ausgeführt sind und die unteren Filterinduktivitäten der Arme ebenso als verkoppelte Induktivität ausgeführt sind. Die jeweiligen Induktivitäten sind dabei auf einem gemeinsamen Kern derart angeordnet, dass der primäre Stromfluss der erzeugten Halbwelle einander entgegengerichtet ist und sich die entstehenden magnetischen Felder aufheben. Hierdurch ist es möglich, die Größe der Filterinduktivitäten nicht auf die Amplitude der erzeugten Wechselspannung auszurichten, sondern lediglich auf die deutlich kleineren Kreisströme, die zwischen den beiden Armen fließen. Die Filterinduktivitäten können deutlich kleiner ausfallen, wodurch eine erhebliche Einsparung im Bauraum möglich ist.
- - 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 und zweiten Halbbrücken die gleichen Leistungshalbleiter verwendet werden, welche gleichmäßig und optimal ausgesteuert werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung und reduziert die Komplexität.
- - Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die Leistungshalbleiter der Arme mit einer Schaltfrequenz im Kilohertz-Bereich oder Megahertz-Bereich zu betreiben. Mit dieser Frequenz wird eine Modulation der Wechselspannung vorgenommen. Die Steuereinrichtung kann ferner ausgestaltet sein, die Leistungshalbleiter der Ausgangs-Halbbrücke mit einer tieferen Grundfrequenz im Hertz-Bereich zu betreiben, beispielsweise mit 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 und zweiten Halbbrücken können hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein. Die Leistungshalbleiter der Ausgangs-Halbbrücke 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 und zweiten Halbbrücken, die für die Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein, während die vergleichsweise langsam schaltenden Leistungshalbleiter der Ausgangs-Halbbrücke, 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 und zweiten Halbbrücken können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Die Leistungshalbleiter der Ausgangs-Halbbrücke 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 Arme kommen bevorzugt SiC-Schalter oder GaN-Schalter zum Einsatz. Diese erlauben sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und ermöglichen es daher, die Baugröße der Filterelemente zu verringern. Die Leistungshalbleiter der Arme können insbesondere selbstsperrende Galliumnitrid-Schalter oder Kaskoden mit einem selbstleitenden Galliumnitrid-Schalter sein.
- - Die Leistungshalbleiter der ersten und zweiten Halbbrücken können mit einer Frequenz von mehr als 100 kHz, insbesondere mehr als 300 kHz angesteuert werden. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht es, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.
- - Der erste Kondensator und die erste und zweite obere Halbbrücke können als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sein; der zweite Kondensator und die erste und zweite untere 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 und zweiten Halbbrücken 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 und zweiten Halbbrücken zweckmäßig stets so geschaltet, dass einer der Leistungshalbleiter eingeschaltet ist, während der andere Leistungshalbleiter ausgeschaltet ist.
- - Die Stromrichter-Schaltung kann eine weitere Ausgangs-Halbbrücke umfassen, die parallel zur Ausgangs-Halbbrücke geschaltet ist und einen weiteren Wechselspannungsanschluss umfasst.
- - Die Leistungshalbleiter innerhalb eines der Arme können derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten. Mit anderen Worten passiert ein Umschalten der Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken gleichzeitig. In diesem Betriebsmodus wechselt die Spannung zwischen den Armen 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 Arme 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.
- The converter circuit can include at least one further arm parallel to the intermediate circuit, which has two further arm half-bridges connected in series, the center point of the upper further arm half-bridge being connected to an upper further filter inductance, the center point of the lower further arm half-bridge Half bridge is connected to a lower further filter inductance and the potential point between the capacitors with the potential point between the further arm Half bridges is connected and wherein the control device is configured to operate all arms in the interleaved mode. For example, one or two additional arms further reduce the current load on the individual power semiconductors.
- It is particularly advantageous if the upper filter inductances of the arms are designed as a coupled inductance and the lower filter inductances of the arms are also designed as a coupled inductance. The respective inductances are arranged on a common core in such a way that the primary current flow of the generated half-wave is directed opposite to one another and the resulting magnetic fields cancel each other out. This makes it possible not to align the size of the filter inductances to the amplitude of the alternating voltage generated, but only to the significantly smaller circular currents that flow between the two arms. The filter inductances can be significantly smaller, which means that considerable savings in installation space are possible.
- The two capacitors of the intermediate circuit connected in series, at which the intermediate circuit voltage, for example 400 V, drops, can each also consist of several capacitors, for example in series or in parallel. This may be necessary if there is no capacitor that is specified for the required current and / or the required voltage.
- - The capacitors can have the same capacitance values. The intermediate circuit, which is symmetrically divided by using the same capacitance values, divides the intermediate circuit voltage symmetrically around the midpoint. Therefore, the same power semiconductors can be used in the first and second half bridges, which are controlled uniformly and optimally. This increases the efficiency of the converter circuit and reduces the complexity.
- The control device can be designed to operate the power semiconductors of the arms with a switching frequency in the kilohertz range or megahertz range. This frequency is used to modulate the alternating voltage. The control device can also be designed to operate the power semiconductors of the output half-bridge with a lower fundamental frequency in the Hertz range, for example 50 Hz. Since the power semiconductors are intended for different tasks at different frequencies within the converter circuit, the specified circuit topology allows a use of adapted power semiconductors. This is advantageous because the use of power semiconductors adapted to the task increases the efficiency of the converter circuit.
- - The power semiconductors of the first and second half bridges can be optimized with regard to low switching losses. The power semiconductors of the output half-bridge can be optimized with regard to low transmission losses. An essential factor for limiting the achievable efficiency is the losses that occur in the power semiconductors used. 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 transmission losses that occur when the switch is conductive, play a role. Power semiconductors such as MOSFETs, IGBTs or GaN-HEMT switches have different properties with regard to switching losses and conduction losses. In addition, there are different versions within each type of power semiconductor that differ with regard to the properties mentioned. Typically, an optimization of the switching losses cannot be achieved at the same time as an optimization of the transmission losses, rather the goals are in conflict with one another. With known topologies, the selection of the power semiconductors is therefore a compromise. In contrast, in the converter circuit, the fast-switching power semiconductors of the first and second half-bridges, which are provided for modulating the AC voltage, can be optimized with regard to low switching losses, while the comparatively slow-switching power semiconductors of the output half-bridge, which are used for clocking with a Base frequency are provided, be optimized with regard to low transmission losses. Despite the conflict between switching losses and conduction losses, an optimal selection of the power semiconductors is possible, which cannot be made with other topologies.
- The power semiconductors of the first and second half bridges can have a dielectric strength which corresponds to at least half the intermediate circuit voltage. The power semiconductors of the output half-bridge can have a dielectric strength which corresponds at least to the entire intermediate circuit voltage. This is made possible by the circuit topology with the divided intermediate circuit, which acts as a capacitive voltage divider and, with preferably the same capacitance values, the intermediate circuit voltage around the center point divides symmetrically. At a given switching frequency, power semiconductors that have a higher dielectric strength and are therefore suitable for switching higher voltages generate significantly higher switching losses than power semiconductors that have a lower dielectric strength. The specified circuit topology allows the power semiconductors of the first circuit to only have a dielectric strength which corresponds to half the intermediate circuit voltage. Since the matched power semiconductors are used optimally in this way, the converter circuit is highly efficient.
- - SiC switches or GaN switches are preferably used as power semiconductors in the arms. These allow very high switching speeds and therefore make it possible to reduce the size of the filter elements. The power semiconductors of the arms can in particular be self-locking gallium nitride switches or cascodes with a self-conducting gallium nitride switch.
- - The power semiconductors of the first and second half bridges can be controlled with a frequency of more than 100 kHz, in particular more than 300 kHz. A high switching speed makes it possible to reduce the size of the filter elements.
- The first capacitor and the first and second upper half-bridges can be designed as a first commutation cell; the second capacitor and the first and second lower half bridges can be designed as a second commutation cell. In power electronics, commutation is the process in which a current flow passes 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-bridge connected in parallel and from the second capacitor to the second half-bridge connected in parallel. The formation of a commutation cell, in particular through a low-inductance arrangement of the components, is advantageous because very good commutation behavior and switching behavior are achieved, which increases the efficiency of the present circuit.
- - The power semiconductors of the first and second half bridges are preferably controlled with a pulse width modulation and the polarity of the power semiconductors of the second circuit is reversed with a lower fundamental frequency. For the pulse width modulation, the first and second half bridges are expediently always switched in such a way that one of the power semiconductors is switched on while the other power semiconductor is switched off.
- The converter circuit can comprise a further output half-bridge, which is connected in parallel to the output half-bridge and comprises a further AC voltage connection.
- - The power semiconductors within one of the arms can be controlled in such a way that they switch synchronously. In other words, the power semiconductors of the first two half bridges are switched over at the same time. In this operating mode, the voltage between the arms and the filter circuit therefore always changes between the full value of the intermediate circuit voltage and zero, that is to say a combination 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 advantageously greatly reduces common-mode interference in the converter circuit.
- - Alternatively, power semiconductors of the arms can be controlled in such a way that the power semiconductors of the upper first half bridge switch alternately 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 at the input of the filter circuit changes in this switching mode between the full intermediate circuit voltage, half the intermediate circuit 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 filter inductances used in the filter circuit can be reduced, since 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.The invention is described and explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the figures.
Es zeigen schematisch:
-
1 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme, -
2 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für dreiphasige Systeme, -
3 eine Phasenschaltung für die Stromrichter-Schaltung für dreiphasige Systeme, -
4 bis7 ein Zeitablaufdiagramm des Schaltzustands für verschiedene Halbbrücken der Stromrichter-Schaltung, -
8 ein Zeitablaufdiagramm einer innerhalb der Stromrichter-Schaltung erzeugten Spannung.
-
1 a circuit diagram of an embodiment of the converter circuit according to the invention for single-phase systems, -
2 a circuit diagram of an embodiment of the converter circuit according to the invention for three-phase systems, -
3 a phase circuit for the converter circuit for three-phase systems, -
4th to7th a timing diagram of the switching state for various half bridges of the converter circuit, -
8th a timing diagram of a voltage generated within the converter circuit.
In
Die Stromrichter-Schaltung
Der Mittelpunkt der oberen Halbbrücke des ersten Arms
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die oberen Filterinduktivitäten
Die Stromrichter-Schaltung
Die Stromrichter-Schaltung
Die Leistungshalbleiter
Die Leistungshalbleiter
Die Stromrichter-Schaltung
Der Mittelpunkt der oberen Halbbrücke des ersten Arms
Die
In den
Die Leistungshalbleiter
In den
Die hochfrequenten Spannungswechsel, die durch das Umpolen der Halbbrücken der Arme erzeugt werden, beschränken sich in der gezeigten Topologie auf die Bereiche zwischen den Leistungshalbleitern
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- GleichspannungDC voltage
- 20,3020.30
- Stromrichter-SchaltungConverter circuit
- 21U,V,W21U, V, W
- PhasenschaltungPhase connection
- 22U,V,W22U, V, W
- Ausgangs-HalbbrückeExit half-bridge
- 23a,b,c23a, b, c
- EingangsknotenInput node
- 23d,e23d, e
- AusgangsknotenExit node
- 24a,b24a, b
- AnschlusskontakteConnection contacts
- 25,25a,b25,25a, b
- WechselspannungsanschlüsseAC voltage connections
- 2727
- ZwischenkreisIntermediate circuit
- 29A,29B29A, 29B
- FilterkondensatorenFilter capacitors
- A1,A2A1, A2
- Armepoor
- T11...24T11 ... 24
- LeistungshalbleiterPower semiconductors
- P1...4P1 ... 4
- LeistungshalbleiterPower semiconductors
- C1,C2C1, C2
- KondensatorenCapacitors
- LO1,LO2LO1, LO2
- Obere FilterinduktivitätenUpper filter inductances
- LU1,LU2LU1, LU2
- Untere FilterinduktivitätenLower filter inductances
- MM.
- MittelpunktFocus
- FU,FOFU, FO
- FilterknotenFilter node
- UZKUCC
- ZwischenkreisspannungDC link voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- WO 2016/146171 A1 [0005]WO 2016/146171 A1 [0005]
- EP 2306629 A1 [0006]EP 2306629 A1 [0006]
- DE 102014113306 A1 [0007]DE 102014113306 A1 [0007]
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