DE102016224312A1

DE102016224312A1 - Hocheffizienter Stromrichter für dreiphasige Systeme

Info

Publication number: DE102016224312A1
Application number: DE102016224312.8A
Authority: DE
Inventors: Marvin Tannhäuser
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
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.

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.
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.
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°.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Schaltung kann durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie bidirektional, das heißt je nach Leistungsfluss als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter, betrieben werden.
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.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Stromrichter-Schaltung (20) für dreiphasige Systeme, umfassend - einen Zwischenkreis (27), - parallel zum Zwischenkreis (27) drei zueinander parallele Arme mit jeweils einer ersten Schaltung (21U...W), einer zweiten Schaltung (22U...W) und einer Filterschaltung (23U...W), wobei - der Zwischenkreis (27) Anschlusskontakte (24a, 24b) zum Anschluss an eine Gleichspannung (1) aufweist, zwischen denen eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren (C1, C2) angeordnet ist, - der Zwischenkreis (27) als geteilter Zwischenkreis (27) ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mittelpunkts (M) einer Zwischenkreisspannung (UZK) am zwischen den Kondensatoren (C1, C2) befindlichen Punkt vorgesehen ist, - die erste Schaltung (22U...W) jedes Arms zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken umfasst, - die Potentialpunkte (M) zwischen den Kondensatoren (C1, C2) sowie zwischen den ersten Halbbrücken jedes Arms miteinander verbunden sind, - die Filterschaltung (23U...W) jedes Arms erste Anschlüsse umfasst, zwischen denen eine Serie aus einer ersten Filter-Induktivität (LU1, LV1, LW1), einem Filterkondensator (CU...W) und einer zweiten Filterinduktivität (LU2, LV2, LW2) geschaltet ist, wobei die ersten Anschlüsse mit den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken des jeweiligen Arms verbunden sind, - die Filterschaltung (23U...W) jedes Arms zweite Anschlüsse an den Punkten zwischen dem Filterkondensator (CU...W) und der ersten sowie zwischen dem Filterkondensator (CU...W) und der zweiten Filter-Induktivität (LU2, LV2, LW2) umfasst, - die zweite Schaltung (22U...W) jedes Arms eine zweite Halbbrücke aufweist, deren Mittelpunkt einen Wechselspannungsausgang (25) für die jeweilige Phase bildet, die dem Arm zugeordnet ist, - die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücke jedes Arms mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung (23U...W) des Arms verbunden sind, - die Stromrichter-Schaltung (20) eine Steuereinrichtung umfasst, die derart ausgestaltet ist, dass die Leistungshalbleiter (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) der zweiten Schaltungen (22U...W) mit einer Taktung mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich betrieben werden.
Stromrichter-Schaltung (20) nach Anspruch 1, bei der die Kondensatoren (C1, C2) des Zwischenkreises (27) gleiche Kapazitätswerte aufweisen.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Schaltungen (21U...W, 22U...W) derartig angepasste Leistungshalbleiter (TU1...6, TV1...6, TW1...6) aufweisen, dass die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) der ersten Schaltungen (21U...W) für eine Modulation der Wechselspannung im Kilohertz-Bereich vorgesehen sind und die Leistungshalbleiter (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) der zweiten Schaltungen (22U...W) für eine Taktung mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich vorgesehen sind.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) der ersten Schaltungen (21U...W) hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind und die Leistungshalbleiter (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) der zweiten Schaltungen (22U...W) hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) der ersten Schaltungen (21U...W) eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwischenkreisspannung (ZKS) entspricht und die Leistungshalbleiter (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) der zweiten Schaltungen (22U...W) eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der ganzen Zwischenkreisspannung (UZK) entspricht.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Filterinduktivitäten (LU1, LU2, LV1, LV2, LW1, LW2) gleiche Induktivitätswerte aufweisen.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) der ersten Schaltungen (21U...W) als Galliumnitrid-Schalter ausgeführt sind, insbesondere als selbstsperrende Galliumnitrid-Schalter oder als Kaskode mit einem selbstleitenden Galliumnitrid-Schalter.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Filterschaltung (23U...W) jedes Arms einen zweiten Filterkondensator zwischen dem Filterkondensator (CU...W) und der zweiten Filterinduktivität (LU2, LV2, LW2) umfasst und der Potentialpunkt zwischen den Filterkondensatoren (CU...W) des Arms mit dem Potentialpunkt zwischen den ersten Halbbrücken der ersten Schaltungen (21U...W) verbunden ist.
Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der erste Kondensator (C1) und die oberen ersten Halbbrücken jedes Arms als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sind und der zweite Kondensator (C2) und die unteren ersten Halbbrücken jedes Arms als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet sind.
Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems mit einem dreiphasigen Wechselspannungssystem, bei dem eine Stromrichter-Schaltung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche verwendet wird, wobei die Stromrichter-Schaltung (20) als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) der ersten Schaltungen (21U...W) mit einer Pulsweiten-Modulation im Kilohertz-Bereich angesteuert werden und die Leistungshalbleiter (TU5, TU6, TV5, TV6, TW5, TW6) der zweiten Schaltungen (22U...W) mit einer Grundfrequenz im Hertz-Bereich umgepolt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) der ersten Schaltungen (21U...W) mit einer Frequenz von mehr als 150 kHz, insbesondere mehr als 300 kHz, angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) einer oder mehrerer der ersten Schaltungen (21U...W) derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Leistungshalbleiter (TU1...4, TV1...4, TW1...4) einer oder mehrerer der ersten Schaltungen (21U...W) derart angesteuert werden, dass die Leistungshalbleiter (TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2) der oberen jeweiligen ersten Halbbrücke im Wechsel mit den Leistungshalbleitern (TU3, TU4, TV3, TV4, TW3, TW4) der jeweiligen unteren ersten Halbbrücke schalten.