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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit Treiberschaltungen zur Versorgung von Halbleiterschaltern einer Wechselrichterbrückenschaltung mit Steuerspannungen, die zum getakteten Betrieb der Halbleiterschalter benötigt werden.
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STAND DER TECHNIK
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Wechselrichter zur Umwandlung eines eingangsseitigen Gleichstroms in einen ausgangsseitigen Wechselstrom umfassen in der Regel Leistungsschalter, die in Form einer Wechselrichterbrücke angeordnet sein können. Durch einen getakteten Betrieb der Leistungsschalter kann die Wechselrichterbrücke eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung gezielt derart umwandeln, dass ein Wechselstrom entsteht, der ausgangsseitig des Wechselrichters in ein Wechselspannungsnetz oder eine sonstige Last eingespeist werden kann.
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Als Leistungsschalter können insbesondere Halbleiterschalter verwendet werden, die in verschiedenen Bauformen bekannt sind. Verschiedene Typen von Halbleiterschaltern weisen unterschiedliche elektrische Eigenschaften auf, so dass je nach konkretem Aufbau der Wechselrichterbrücke verschiedene Typen von Halbleiterschaltern optimal eingesetzt werden können. Beispielsweise zeichnen sich sogenannte MOSFETs durch niedrige Schaltverluste aus und eignen sich daher besonders für schnelle Schaltvorgänge mit einer hohen Taktfrequenz, während sogenannte IGBTs geringe Durchlassverluste aufweisen und daher bevorzugt für Schaltvorgänge mit vergleichsweise niedriger Taktfrequenz verwendet werden. Ein konkretes Beispiel für einen Wechselrichter mit einer Wechselrichterbrücke, in der Halbleiterschalter unterschiedlichen Typs mit unterschiedlichen Temperaturfestigkeiten eingesetzt werden, ist in der
EP2136465B1 offenbart. Darüber hinaus können die Halbleiterschalter auf unterschiedlichen Grundmaterialien basieren, beispielsweise auf Silizium, Siliziumkarbid oder Galiumnitrit.
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Bei den Halbleiterschaltern, für die die vorliegende Erfindung vorgesehen ist, handelt es sich um spannungsgesteuerte Bauelemente, die eine Steuerelektrode aufweisen. Diese Halbleiterschalter sind ohne eine Spannung an ihrer Steuerelektrode gesperrt und werden durch das Anlegen einer Steuerspannung an ihre Steuerelektrode leitend (oder umgekehrt). Bei Halbleiterleistungsschaltern mit isolierter Steuerelektrode, wie beispielsweise MOSFET oder IGBT, sind Steuerspannungen gebräuchlich, die entweder ein unipolare Steuerspannung im Bereich von etwa 15 bis 20 Volt oder eine bipolare Steuerspannung mit einem Bezugspotential (GND) sowie einer positivem Treiberspannung im Bereich von etwa 15 bis 18 Volt und einer negativem Treiberspannung im Bereich von etwa -3 bis -6 Volt jeweils relativ zum Bezugspotential umfassen. Die für einen konkreten Halbleiterschalter benötigten Steuerspannungen werden vom Hersteller des Halbleiterschalters vorgegeben und hängen von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Art des Halbleiterschalters (MOSFET, IGBT, ...) sowie vom konkreten konstruktiven Aufbau des Halbleiterschalters.
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In einem Wechselrichter werden die Steuerspannungen in der Regel von speziell dafür vorgesehenen Treiberschaltungen erzeugt, wobei insbesondere für jeden einzelnen Halbleiterschalter eine diesem individuell zugeordnete Treiberschaltung vorgesehen sein kann. Sofern in einer konkreten Wechselrichterbrückenschaltung eines Wechselrichters weitgehend identische Halbleiterschalter eines einzigen Typs verwendet werden, können auch die Treiberschaltungen weitgehend identisch aufgebaut sein und insbesondere identische Bauteile aufweisen. Vielfach kommt dabei in einer konkreten Treiberschaltung ein Transformator zum Einsatz, der eine asymmetrisch geteilte Sekundärwicklung aufweist, wobei an dem Mittelabgriff zwischen den Teilwicklungen der geteilten Sekundärwicklung das Bezugspotential und an den Endpunkten der Sekundärwicklung die für den Halbleiterschalter benötigte positive bzw. negative Treiberspannung anliegt.
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Wenn jedoch in einer Wechselrichterbrücke eine Mischung an Halbleiterschaltern verschiedenen Typs verwendet wird, müssen in der Regel auch verschiedene Steuerspannungen erzeugt werden, um die verschiedenen Halbleiterschalter anzusteuern. Zur Erzeugung dieser verschiedenen Steuerspannungen können in den einzelnen Treiberschaltungen verschiedene Transformatoren mit jeweils auf die benötigte positive bzw. negative Treiberspannung ausgelegten geteilten Sekundärwicklungen verwendet werden. Dies erhöht jedoch die Anzahl unterschiedlicher Bauteile im Wechselrichter und erhöht daher die Produktionskosten des Wechselrichters. Zudem sind die Steuerspannungen durch die konkrete Auslegung der Transformatoren festgelegt, so dass eine etwaig notwendige Änderung des Typs eines der zu verwendenden Halbleiterschalter und damit der benötigten Steuerspannungen eine Änderung des benötigten Transformators nach sich zieht.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter mit Treiberschaltungen zur Versorgung von Halbleiterschaltern einer Wechselrichterbrücke mit Steuerspannungen aufzuzeigen, wobei die Wechselrichterbrücke Halbleiterschalter unterschiedlichen Typs mit unterschiedlichen Anforderungen an die jeweiligen Steuerspannungen aufweist und die Treiberschaltungen dennoch mit einer möglichst großen Anzahl gleicher Bauteile aufgebaut sind. Darüber hinaus sollen die Treiberschaltungen einfach an eine etwaige Änderung der Anforderungen an die benötigten Treiberspannungen anpassbar sein, um insbesondere bei geplanter Änderung der Typen der zu verwendenden Halbleiterschalter die dann benötigte Änderung der Steuerspannungen mit geringem Aufwand durchführen zu können.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe wird durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Wechselrichter mit einer Wechselrichterbrückenschaltung, die mindestens zwei Typ-1-Halbleiterschalter und mindestens zwei Typ-2-Halbleiterschalter umfasst, ist jedem der Halbleiterschalter je eine Treiberschaltung zur Versorgung des jeweiligen Halbleiterschalters mit einer aus einer positiven Treiberspannung und einer negativen Treiberspannung ausgewählten Steuerspannung zugeordnet. Dabei geben die den Typ-1-Halbleiterschaltern zugeordneten Typ-1-Treiberschaltungen Typ-1-Steuerspannungen und die den Typ-2-Halbleiterschaltern zugeordneten Typ-2-Treiberschaltungen Typ-2-Steuerspannungen aus. Jede der Treiberschaltungen weist je einen Transformator mit zwei sekundärseitigen Wicklungen auf, deren Wicklungsverhältnis derart ausgelegt ist, dass an den sekundärseitigen Wicklungen Sekundärteilspannungen abfallen, die nach einer jeweiligen Gleichrichtung als positive bzw. negative Typ-1-Treiberspannung bezogen auf ein Bezugspotential zum Betrieb der Typ-1-Halbleiter verwendbar sind. Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoren der Typ-1-Treiberschaltungen und die Transformatoren der Typ-2-Treiberschaltungen identisch aufgebaut sind, wobei in den Typ-2-Treiberschaltungen die sekundärseitigen Wicklungen in Reihe geschaltet sind und jede der Typ-2-Treiberschaltungen einen an die Endpunkte der Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen angeschlossenen Gleichrichter, der eine zwischen den Endpunkten abfallende Sekundärgesamtspannung gleichrichtet, und einen Spannungsregler aufweist. Jeder der Spannungsregler generiert aus der gleichgerichteten Sekundärgesamtspannung ein virtuelles Bezugspotential, so dass die Potentiale der gleichgerichteten Sekundärgesamtspannung bezogen auf das virtuelle Bezugspotential als positive und negative Typ-2-Treiberspannung zum Betrieb der Typ-2-Halbleiterschalter verwendbar sind.
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Ein Wechselrichter weist somit eine Vielzahl an Halbleiterschaltern und eine entsprechende Anzahl an Treiberschaltungen für diese Halbleiterschalter auf. Dadurch, dass in einem erfindungsgemäßen Wechselrichter die Transformatoren der Treiberschaltungen identisch aufgebaut sind, obwohl der Wechselrichter verschiedene Typen von Halbleiterschaltern mit entsprechend verschiedenen Steuerspannungen aufweist, ist die Anzahl unterschiedlicher Bauteile im Wechselrichter reduziert, so dass die Fertigung vereinfacht ist, insbesondere hinsichtlich vereinfachter Lagerhaltung und inhärenter Vermeidung von Fehlbestückungen, und größere Mengen des gleichen Bauteils können eingekauft werden, was über entsprechende Mengenrabatte zu weiteren Kosteneinsparungen führt. Die zusätzlich notwendigen Bauteile der Typ-2-Treiberschaltungen, insb. für den Spannungsregler, sind demgegenüber vernachlässigbar.
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In einer Ausführungsform des Wechselrichters umfasst jeder der Spannungsregler je einen Spannungsteiler mit einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen, wobei die Endpunkte der Reihenschaltung über den Gleichrichter mit den Endpunkten der Sekundärwicklung des jeweiligen Transformators verbunden sind. Dabei weisen die Spannungsteiler ein Teilungsverhältnis auf, das dem Verhältnis der Beträge der für den Betrieb der Typ-2-Halbleiterschalter benötigten positiven und negativen Typ-2-Treiberspannungen entspricht.
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In dieser Ausführungsform werden die konkreten Werte der Typ-2-Treiberspannungen durch die geeignete Auslegung der Widerstände des Spannungsteilers festgelegt. Dies hat den Vorteil, dass eine etwa notwendige Änderung der konkreten Werte der Typ-2-Treiberspannungen, beispielsweise wenn ein anderer als der ursprünglich vorgesehene Typ-2-Halbleiterschalter verwendet werden soll, sehr einfach durch eine Änderung des Teilungsverhältnisses des Spannungsteilers realisiert werden kann. Dazu ist lediglich ein Austausch von einem der oder maximal beider Widerstände des Spannungsteilers notwendig; insbesondere muss der Transformator als vergleichsweise großes Bauteil gerade nicht verändert werden. Somit ist eine Anpassung des Wechselrichters anlässlich einer Änderung des Typ-2-Halbleiterschalters aufwandsarm durchführbar.
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In einer konkreten Ausführungsform kann der Spannungsregler je einen DC-Analogverstärker aufweisen, der einen Differenzverstärker umfasst, dessen Eingang mit dem Mittelpunkt des Spannungsteilers verbunden ist und an dessen Ausgang das jeweilige virtuelle Bezugspotential bereitgestellt und zum Betrieb der Typ-2-Halbleiterschalter mittels der jeweiligen positiven und negativen Treiberspannungen abgegriffen wird. Mit anderen Worten generieren die Typ-2-Treiberschaltungen mittels eines Differenzverstärkers intern ein virtuelles Bezugspotential, dessen jeweiliger Abstand zu der negativen und zu der positiven Typ-2-Treiberspannung durch das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers vorgegeben ist. Bei einer gegebenen Sekundärgesamtspannung, die über die Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen des Transformators abfällt, sind somit die Beträge der negativen und der positiven Typ-2-Treiberspannung durch die Lage des virtuellen Bezugspotentials relativ zur Sekundärgesamtspannung einstellbar.
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Zusätzlich oder alternativ kann jede der Typ-1-Treiberschaltungen einen Gleichrichter mit zwei Gleichrichterpfaden aufweist, wobei jeder der Gleichrichterpfade mit einer der sekundärseitigen Wicklungen verbunden ist und eine zwischen den Endpunkten der jeweiligen sekundärseitigen Wicklung abfallende Sekundärteilspannung gleichrichtet. Dabei definieren diejenigen Ausgangsleitungen der Gleichrichterpfade, die den einander zugewandten Endpunkte der sekundärseitigen Wicklungen zugeordnet sind, ein Bezugspotential für die Ausgangsleitungen der Gleichrichterpfade, die den äußeren Endpunkten der Sekundärwicklung des Transformators zugeordnet sind. Dadurch sind die jeweiligen Bezugspotentiale der Typ-1-Treiberschaltungen und dadurch in Verbindung mit den Potentialen an den äußeren Endpunkten der Sekundärwicklung auch die Beträge der negativen und der positiven Typ-1-Treiberspannungen in besonders einfacher Weise durch das Wicklungsverhältnis der sekundärseitigen Wicklungen zueinander bestimmt, so dass die Typ-1-Treiberschaltungen insgesamt mit sehr wenigen Bauteilen auskommt.
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Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter umfasst mindestens vier Halbleiterschalter und entsprechend mindestens vier Treiberschaltungen, kann jedoch auch eine wesentliche größere Anzahl an Halbleiterschaltern und entsprechenden Treiberschaltungen aufweisen. Dabei können mindestens zwei Treiberschaltungen, bevorzugt alle Treiberschaltungen für die mindestens vier Halbleiterschalter einer Wechselrichterbrückenschaltung des Wechselrichters oder des Wechselrichters insgesamt mit einer gemeinsamen Versorgungsschaltung verbunden sein. Da die Treiberschaltungen identisch aufgebaute Transformatoren umfassen, ist die Verwendung einer gemeinsamen Versorgungsschaltung zur Erzeugung einer periodischen Eingangsspannung für die Treiberschaltungen besonders einfach und vorteilhaft, um alle Treiberschaltungen mit einer möglichst geringen Anzahl an Versorgungsschaltungen zu versorgen.
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Die Halbleiterschalter des erfindungsgemäßen Wechselrichters können insbesondere IGBTs und MOSFETs umfassen. In einer Ausführungsform sind die Typ-1-Halbleiterschalter IGBTs und die Typ-2-Halbleiterschalter MOSFETs; in einer alternativen Ausführungsform sind die Typ-1-Halbleiterschalter MOSFETs und die Typ-2-Halbleiterschalter IGBTs. Insbesondere bietet es sich an, die einem konkreten Wechselrichter häufiger verwendeten Schaltertypen als Typ-1-Halbleiterschalter und die seltener verwendeten als Typ-2-Halbleiterschalter im Sinne dieser Erfindung zu behandeln, da die Typ-1-Treiberschaltungen tendenziell geringere Herstellkosten aufweisen als die Typ-2-Treiberschaltungen. Mit anderen Worten, es ist vorteilhaft, für diejenigen Halbleiterschalter, die häufiger im Wechselrichter verwendet werden, eine kostenoptimierte Typ-1-Treiberschaltung vorzusehen, während die in geringerer Anzahl im Wechselrichter verwendeten Typ-2-Halbleiterschalter von Typ-2-Treiberschaltungen im Sinne der Erfindung betrieben werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt eine Wechselrichterbrückenschaltung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit Treiberschaltungen für die Halbleiterschalter der Wechselrichterbrücke,
- 2 zeigt eine Detailansicht eines Teils einer ersten Treiberschaltung,
- 3 zeigt eine Detailansicht eines Teils einer zweiten Treiberschaltung, und
- 4 zeigt eine weitere Detailansicht eines Teils der zweiten Treiberschaltung.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt eine Wechselrichterbrückenschaltung 1, die beispielsweise in einem dreiphasigen Wechselrichter für die Umwandlung eines Gleichstroms (DC), der über Gleichspannungsanschlüsse 2a, 2b von einer externen Quelle, beispielsweise von einem Photovoltaik- oder Windgenerator beziehbar ist, in einen Wechselstrom (AC), der über einen Wechselspannungsanschluss 3 in eine Phase eines Wechselspannungsnetzes eingespeist werden kann. In der Regel umfasst ein dreiphasiger Wechselrichter entsprechend drei im Wesentlichen identisch aufgebaute Wechselrichterbrückenschaltungen 1, während ein einphasiger Wechselrichter gegebenenfalls mit einer derartigen Wechselrichterbrückenschaltung 1 auskommt, sofern diese unter Zuhilfenahme des Fachmannswissens zur Einspeisung in ein einphasiger Wechselspannungsnetz angepasst wird.
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Die Wechselrichterbrückenschaltung 1 umfasst insgesamt sechs Halbleiterschalter 10, 20, wobei die in 1 gezeigte Anordnung insofern beispielhaft zu verstehen ist, dass für die konkrete Anordnung der Halbleiterschalter 10, 20 eine Vielzahl von Topologien bekannt sind. Im Rahmen dieser Anmeldung ist entscheidend, dass die Wechselrichterbrückenschaltung 1 Halbleiterschalter 10, 20 verschiedenen Typs umfasst. Die hier aus Abstraktionsgründen so genannten Typ-1-Halbleiter 10 können beispielsweise als Silizium-basierte IGBTs und die Typ-2-Halbleiter als Siliziumkarbid-basierte MOSFETs ausgeführt sein. Es versteht sich, dass der Fachmann beim Entwurf einer derartigen Wechselrichterbrückenschaltung für einen Wechselrichter eine Vielzahl von verschiedenen Schaltertypen in Betracht ziehen würde, wobei jeder Schaltertyp spezifische Vor- und Nachteile aufweist und bestimmte Schaltertypen aufgrund ihrer speziellen elektrischen Eigenschaften besser an bestimmten Positionen in bestimmten Topologien einsetzbar sind als andere. Darüber hinaus unterscheiden sich die verschiedenen Schaltertypen in den zu ihrer Ansteuerung, d.h. zum Ein- und Ausschalten, zu verwendenden positiven bzw. negativen Steuerspannungen, die für jeden Schaltertypen individuell vom jeweiligen Hersteller angegeben werden.
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Zum Schalten der Typ-1-Halbleiterschalter 10 ist es notwendig, eine vom Hersteller des konkret verwendeten Typ-1-Halbleiterschalters 10 angegebene Typ-1-Steuerspannung 12 an das Gate des Typ-1-Halbleiterschalters 10 anzulegen. Im konkreten Fall gemäß 1 werden von einer Typ-1-Treiberschaltung 11 zwei Typ-1-Treiberspannungen generiert, eine positive Typ-1-Treiberspannung von etwa 15 Volt und eine negative Typ-1-Treiberspannung von etwa 5V, jeweils bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotential. Ein ausgangsseitig der Typ-1-Treiberschaltung angeordneter Typ-1-Treiber wählt eine dieser Typ-1-Treiberspannungen aus, indem eine übergeordnete, hier nicht dargestellte Steuereinrichtung einen entsprechenden Steuerbefehl an den Typ-1-Treiber anlegt, und gibt diese ausgewählte Typ-1-Treiberspannung an den entsprechend angeschlossenen Typ-1-Halbleiterschalter aus. Die übergeordnete Steuereinrichtung kann also beispielsweise ein Einschalten eines Typ-1-Halbleiterschalters 10 bewirken, indem der entsprechende Typ-1-Treiber die positive Typ-1-Treiberspannung, hier +15 Volt, als Steuerspannung 12 an das Gate des entsprechenden Typ-1-Halbleiterschalters 10 anlegt, und umgekehrt kann ein Ausschalten des Typ-1-Halbleiterschalters 10 bewirkt werden, indem die negative Typ-1-Treiberspannung, hier -5 Volt, als Steuerspannung 12 an das Gate des entsprechenden Typ-1-Halbleiterschalters 10 angelegt wird.
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Analog dazu ist es zum Schalten der Typ-2-Halbleiterschalter 20 notwendig, eine vom Hersteller des konkret verwendeten Typ-2-Halbleiterschalters 20 angegebene Typ-2-Steuerspannung 22 an das Gate des Typ-2 Halbleiterschalters 20 anzulegen. Im konkreten Fall gemäß 1 werden von einer Typ-2-Treiberschaltung 21 zwei Typ-2-Treiberspannungen generiert, wobei die positive Typ-2-Treiberspannung hier abweichend zu derjenigen für die Typ-1-Halbleiterschalter 10 etwa +17 Volt statt +15 Volt und die negative Typ-2-Treiberspannung etwa -4 Volt statt -5 Volt beträgt, wiederum jeweils bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotential. Die nicht dargestellte übergeordnete Steuereinrichtung kann also wiederum ein Einschalten eines Typ-2-Halbleiterschalters 20 bewirken, indem der entsprechende ausgangsseitig der Typ-2-Treiberschaltung 21 angeordnete Typ-2-Treiber derart angesteuert wird, dass die positive Typ-2-Treiberspannung, hier +17 Volt, als Steuerspannung 22 an das Gate des entsprechenden Typ-2-Halbleiterschalters anlegt, und umgekehrt, d.h. ein Ausschalten des Typ-2-Halbleiterschalters 20 kann bewirkt werden, indem die negative Typ-2-Treiberspannung, hier -4 Volt, als Steuerspannung 22 an das Gate des entsprechenden Typ-2-Halbleiterschalters 20 angelegt wird.
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Die Treiberschaltungen 11, 21 können eingangsseitig parallel geschaltet sein und gemeinsam von einer Versorgungsschaltung 5 versorgt werden, die wiederum aus einer Gleichstromquelle (DC) elektrische Leistung bezieht, wobei die Gleichstromquelle beispielsweise durch ein internes Bordnetz des Wechselrichters gebildet werden kann.
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2 zeigt eine Detailansicht eines Teils der Typ-1-Treiberschaltung 11. An der Versorgungsschaltung 5 liegt eine Versorgungsgleichspannung von +15 Volt bezogen auf ein Bezugspotential (0 Volt) an. Die Versorgungsschaltung 5 ist hier beispielhaft als resonanter selbstschwingender Treiber ausgebildet, der eine Wechselspannung erzeugt und an die Primärwicklung des Transformators 30 anlegt. Es versteht sich, dass dem Fachmann eine Vielzahl alternativer Ausführungsformen für die Erzeugung einer geeigneten Wechselspannung an der Primärwicklung des Transformators 30 bekannt sind.
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Der Transformator 30, der bereits zur Typ-1-Treiberschaltung 11 gezählt werden kann, weist auf seiner Sekundärseite zwei sekundärseitige Wicklungen 31 auf. Die Wicklungsverhältnisse der sekundärseitigen Wicklungen 31 untereinander und in Bezug auf die Primärwicklung sind dabei unter Berücksichtigung der Amplitude der primärseitig am Transformator anliegenden Wechselspannung derart gewählt, dass die Sekundärteilspannungen an den sekundärseitigen Wicklungen Amplituden aufweisen, die nach Gleichrichtung den gewünschten Typ-1-Treiberspannungen von hier +15 Volt und -5 Volt entsprechen. An die sekundärseitigen Wicklungen 31 des Transformators 30 ist ein Gleichrichter 13 angeschlossen, der die sekundärseitigen Wechselspannungen jeweils gleichrichtet. Dabei weist der Gleichrichter 13 zwei Gleichrichterpfade auf, die jeweils einer der sekundärseitigen Wicklungen 13 zugeordnet sind und neben den in 3 beispielhaft zur Gleichrichtung verwendeten Diodenbrücken jeweils zusätzliche Bauteile zur Glättung und zur Spannungsbegrenzung aufweisen können. Dabei wird anhand der einander zugewandten Enden der sekundärseitigen Wicklungen 31 ein gemeinsames Bezugspotential GND definiert. Am Ausgang des Gleichrichters 13 stehen somit die gewünschten Typ-1-Treiberspannungen von +15 Volt am einen Pfad und -5 Volt am anderen Pfad zur Verfügung, jeweils bezogen auf das gemeinsame Bezugspotential GND, und können gemäß 1 mithilfe der Typ-1-Treiber zum Schalten der Typ-1-Halbleiterschalter 10 mittels der Typ-1-Steuerspannungen 12 verwendet werden.
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3 zeigt eine Detailansicht eines Teils der Typ-2-Treiberschaltung 21. Die Versorgungsschaltung 5 kann gemäß 1 dieselbe sein wie die gemäß 2 für die Typ-1-Treiberschaltung 11 vorgesehene Versorgungsschaltung 5. Der Transformator 30 ist Teil der Typ-2-Treiberschaltung 21 und grundsätzlich identisch aufgebaut wie der Transformator 30 der Typ-1-Treiberschaltung 11. Im Gegensatz zur Typ-1-Treiberschaltung 11 gemäß 1 wird der Transformators 30 hier jedoch derart verwendet, dass die einander zugewandten Enden der sekundärseitigen Wicklungen 31 miteinander verbunden sind, so dass die sekundärseitigen Wicklungen 31 in Reihe geschaltet sind. Ein Gleichrichter 23, der die zwischen den Endpunkten der Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen 31 abfallende Sekundärgesamtspannung gleichrichtet, ist an die Endpunkte der Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen 31 angeschlossen.
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Weiterhin weist die Typ-2-Treiberschaltung einen Spannungsregler 40 auf. Der Spannungsregler 50 ist an den Gleichrichter 23 angeschlossen und erzeugt aus der gleichgerichteten Sekundärspannung ein virtuelles Bezugspotential GND sowie positive und negative Typ-2-Treiberspannungen. Am Ausgang des Spannungsreglers 40 stehen somit die gewünschten Typ-2-Treiberspannungen von +17 Volt am einen Zweig und -4 Volt am anderen Zweig zur Verfügung, jeweils bezogen auf das gemeinsame Bezugspotential GND, und können gemäß 1 mithilfe der Typ-2-Treiber zum Schalten der Typ-2-Halbleiterschalter 10 mittels der Typ-2-Steuerspannungen 22 verwendet werden.
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Die Summe der Beträge der Typ-2-Treiberspannungen ist etwas größer als die Summe der Beträge der Typ-1-Treiberspannungen. Dies liegt daran, dass in den Typ-1-Treiberschaltungen 11 jeweils zwei Gleichrichterpfade angeordnet sind, während die Typ-2-Treiberschaltungen 21 lediglich einen Gleichrichterpfad aufweist, so dass der Spannungsabfall durch die in den Gleichrichterpfaden üblicherweise verwendeten Dioden in den Typ-2-Treiberschaltungen geringer als in den Typ-1-Treiberschaltungen ist.
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Da die Treiberschaltungen 11, 21 jeweils einen eingangsseitigen Transformator 30 aufweisen, sind die Treiberspannungen grundsätzlich galvanisch voneinander getrennt. Daher versteht es sich, dass die in 1 sämtlich mit GND bezeichneten Bezugspotentiale der Treiberschaltungen 11, 21 nicht unbedingt auf demselben Potential liegen, sondern sich individuell für die einzelnen Treiberschaltungen 11, 21 einstellen.
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4 zeigt eine Ausführungsform des Spannungsreglers 40 als sogenannter Virtual Ground Regler, d.h. einen Spannungsregler mit virtuellem Bezugspunkt. Ein Operationsverstärker 42 ist eingangsseitig mit dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers bestehend aus einer Reihenschaltung von Widerstände 41a, 41b angeschlossen. Das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers entspricht dem Verhältnis der Beträge der gewünschten Ausgangsspannungen des Spannungsreglers 40. Vom Operationsverstärker 40 werden über einen Widerstand 44a Transistoren 43a, 43b angesteuert, die in Reihe geschaltet zwischen der positiven und der negativen Typ-1-Treiberspannung angeordnet sind, wobei der Mittelpunkt der Reihenschaltung der Transistoren 43a, 43b über einen Widerstand 44b eingangsseitig an den Operationsverstärker angeschlossen ist.
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Der Spannungsregler 40 gemäß 4 ist ein Beispiel für eine Schaltung, die ein Bezugspotential GND für eine Gleichspannung derart bereitstellt, dass die Gleichspannung relativ zum Bezugspotential GND einen positiven Anteil und einen negativen Anteil in einem bestimmten Verhältnis zueinander aufweist. Im Beispiel gemäß 4 wird dieses Verhältnis im Wesentlichen durch das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers aus den Widerständen 41a, 41b bestimmt und so eingestellt, dass die Spannungen am Ausgang des Spannungsreglers 40 den gewünschten Typ-2-Treiberspannungen entsprechen. Insofern ist es sehr einfach, das Verhältnis der positiven und negativen Typ-2-Treiberspannungen zu modifizieren, nämlich indem die Widerstände 41, 41b und damit das Teilungsverhältnis des eingangsseitigen Spannungsteilers geändert werden. Dadurch können weitgehend beliebige Verhältnisse der gewünschten Typ-2-Treiberspannungen zueinander eingestellt werden.
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Es versteht sich, dass dem Fachmann auch andere Ausführungsformen eines Spannungsreglers geläufig sein mögen, die zur Ausführungsform des Spannungsreglers 40 gemäß 4 gleichwertig und gleichwirkend sind. Relevant für die hier beanspruchte Erfindung ist jedoch die Erkenntnis, dass in den Treiberschaltungen 11, 21, die zur Erzeugung unterschiedlicher Treiberspannungen für unterschiedliche Halbleiterschalter 10, 20 einer Wechselrichterbrückenschaltung 1 vorgesehen sind, Transformatoren 30 zum Einsatz kommen können, die eine identische Bauart aufweisen und an sich bereits zur (direkten) Erzeugung der Treiberspannungen zum Schalten eines der Typen der Halbleiterschalter 10, 20 ausgelegt sind. Dazu ist zwar ein zusätzlicher Spannungsregler 40 zur Erzeugung der Treiberspannungen zum Schalten der Halbleiterschalter 10, 20 des jeweils anderen Typs notwendig, der beispielsweise gemäß 4 ausgeführt sein kann. Der dafür fällige Mehraufwand wird jedoch angesichts der recht großen Anzahl an Halbleiterschaltern 10, 20 und damit an Treiberschaltungen 11, 21 in einer Serienfertigung eines zeitgemäßen Wechselrichters dadurch überkompensiert, dass lediglich ein Transformatortyp vorgehalten und in der Fertigung verwendet wird; dies spart einerseits Lagerkosten und reduziert andererseits das Risiko einer Fehlbestückung der einen oder der anderen Treiberschaltung 11, 21.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselrichterbrückenschaltung
- 2a, 2b
- Gleichspannungsanschlüsse
- 3
- Wechselspannungsanschluss
- 5
- Versorgungsschaltung
- 10
- Typ-1-Halbleiterschalter
- 11
- Typ-1-Treiberschaltung
- 12
- Typ-1-Steuerspannung
- 13
- Gleichrichter
- 20
- Typ-2-Halbleiterschalter
- 21
- Typ-2-Treiberschaltung
- 22
- Typ-2-Steuerspannung
- 23
- Gleichrichter
- 30
- Transformator
- 31
- Sekundärseitige Wicklung
- 40
- Spannungsregler
- 41 a,41 b
- Widerstände
- 42
- Operationsverstärker
- 43a, 43b
- Transistoren
- 44a, 44b
- Widerstände
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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