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DE102023111464A1 - converter circuit - Google Patents

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DE102023111464A1
DE102023111464A1 DE102023111464.6A DE102023111464A DE102023111464A1 DE 102023111464 A1 DE102023111464 A1 DE 102023111464A1 DE 102023111464 A DE102023111464 A DE 102023111464A DE 102023111464 A1 DE102023111464 A1 DE 102023111464A1
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DE
Germany
Prior art keywords
switching
switching element
positive
parallel
group
Prior art date
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Pending
Application number
DE102023111464.6A
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German (de)
Inventor
Michael Frisch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vincotech GmbH
Original Assignee
Vincotech GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vincotech GmbH filed Critical Vincotech GmbH
Priority to DE102023111464.6A priority Critical patent/DE102023111464A1/en
Publication of DE102023111464A1 publication Critical patent/DE102023111464A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Umrichterschaltung zum Umwandeln einer über einen positiven Eingangsanschluss und einen negativen Eingangsanschluss als eine positive und negative Spannung zugeführten Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung an einem Ausgangsanschluss. Dabei umfasst die Umrichterschaltung eine erste Schalteinheit, welche zwischen dem positiven Eingangsanschluss, dem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist, und eine zweite Schalteinheit, welche parallel zur ersten Schalteinheit zwischen dem positiven Eingangsanschluss, dem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist. Die erste Schalteinheit umfasst zudem einen Flying Capacitor - Umrichter.The present invention comprises a converter circuit for converting an input direct voltage supplied via a positive input terminal and a negative input terminal as a positive and negative voltage into an output alternating voltage at an output terminal. The converter circuit comprises a first switching unit which is arranged between the positive input terminal, the negative input terminal and the output terminal, and a second switching unit which is arranged parallel to the first switching unit between the positive input terminal, the negative input terminal and the output terminal. The first switching unit also comprises a flying capacitor converter.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Umrichterschaltung zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung, sowie auf ein Verfahren zum Ansteuern der Umrichterschaltung.The present invention relates to a converter circuit for converting an input direct voltage into an output alternating voltage, as well as to a method for controlling the converter circuit.

Heutzutage besteht ein hoher Bedarf an hocheffizienten Umrichtern, welche beispielsweise bei Solarwechselrichtern, in Stromgeneratoren oder als Leistungswandler für Motorantriebe zum Einsatz kommen. Zeitgleich sollen die Kosten für diese Umrichter möglichst geringgehalten werden. Eine bekannte Gleichstrom (DC)-Wechselstrom (AC)-Umrichtertopologie ist der Flying Capacitor (FC) - Umrichter. Diese Schaltung umfasst einen positiven und einen negativen Gleichspannungseingang, zusätzliche Spannungsebenen werden durch Hochfrequenzkondensatoren, die sogenannten Flying Capacitors erzeugt. Die positive und negative Eingangsspannung kann je nach Schaltungsanordnung in beliebig viele Ausgangsspannungslevels umgewandelt werden.Nowadays there is a high demand for highly efficient converters, which are used in solar inverters, power generators or as power converters for motor drives, for example. At the same time, the costs for these converters should be kept as low as possible. A well-known direct current (DC)-alternating current (AC) converter topology is the flying capacitor (FC) converter. This circuit includes a positive and a negative direct current input; additional voltage levels are generated by high-frequency capacitors, the so-called flying capacitors. The positive and negative input voltage can be converted into any number of output voltage levels depending on the circuit arrangement.

Umrichter mit drei oder mehr Spannungsebenen, wie der im Freilauf auf eine neutrale Spannung begrenzte Neutral Point Clamped (NPC) - Umrichter, benötigen im Eingang drei Spannungsebenen. Im Gegensatz dazu wird im FC Umrichter die dritte und gegebenenfalls weitere Spannungsebenen mit der Ladespannung des oder der FC erzeugt. Diese Spannungen können je nach Ladezustand des FC durch Laden oder Entladen genutzt werden. Bei der konventionellen FC-Umrichtertopologie können Bauteile mit geringerer Spannungsfestigkeit und dadurch geringeren Schaltverlusten verwendet werden, gleichzeitig muss der Strom im Maximum mehr Bauteile und deren Spannungsabfall passieren was die Durchlassverluste erhöht. Es sollen möglichst leistungsfähige Schaltelemente, welche schnell Schalten und geringe Schaltverluste ausweisen, eingebaut werden. Gleichzeitig steigt die Nachfrage für Topologien welche große Spannungen aushalten und somit hohe Leistungen am Ausgang bereitstellen.Converters with three or more voltage levels, such as the Neutral Point Clamped (NPC) converter which is limited to a neutral voltage when freewheeling, require three voltage levels at the input. In contrast, in the FC converter, the third and possibly further voltage levels are generated with the charging voltage of the FC(s). These voltages can be used by charging or discharging depending on the charge level of the FC. With the conventional FC converter topology, components with lower dielectric strength and therefore lower switching losses can be used, but at the same time the maximum current must pass through more components and their voltage drops, which increases the conduction losses. The most powerful switching elements possible, which switch quickly and have low switching losses, should be installed. At the same time, the demand for topologies which can withstand high voltages and thus provide high power at the output is increasing.

Zwischen diesen Anforderungen muss bei der Auslegung der Schaltung balanciert werden. Lösungen, welche den Aufbau einer FC-Umrichtertopologien erweitern, haben zusätzlich den Nachteil, dass beim Einbau von mehr Komponenten und vor Allem von vielen schnellen Schaltelementen, die Kosten der Schaltung steigen.A balance must be struck between these requirements when designing the circuit. Solutions that extend the structure of an FC converter topology also have the disadvantage that the cost of the circuit increases when more components and, above all, many fast switching elements are installed.

Es besteht daher ein Bedarf an einer verbesserten Umrichterschaltung, welche den hohen Anforderungen genügt und gleichzeitig die Kosten der Schaltung nicht deutlich erhöht.There is therefore a need for an improved converter circuit that meets the high requirements and at the same time does not significantly increase the cost of the circuit.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are the subject matter of the dependent patent claims.

Dabei umfasst die Erfindung die Idee, dass die Nominalstromanforderungen an die Schaltelemente eines Flying Capacitor Umrichters durch zusätzliche parallele Schaltelemente geringer werden und somit die Schaltelemente des FC-Umrichters kostengünstiger dimensioniert werden können und trotzdem gleichzeitig der Leistungsbereich der Umrichterschaltung steigt.The invention includes the idea that the nominal current requirements for the switching elements of a flying capacitor converter are reduced by additional parallel switching elements and thus the switching elements of the FC converter can be dimensioned more cost-effectively while at the same time increasing the power range of the converter circuit.

Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung eine Umrichterschaltung zum Umwandeln einer über einen positiven Eingangsanschluss und einen negativen Eingangsanschluss als eine positive und negative Spannung zugeführten Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung an einem Ausgangsanschluss. Dabei umfasst die Umrichterschaltung eine erste Schalteinheit, welche zwischen dem positiven Eingangsanschluss, dem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist, und eine zweite Schalteinheit, welche parallel zur ersten Schalteinheit zwischen dem positiven Eingangsanschluss, dem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist. Die erste Schalteinheit umfasst zudem einen FC - Umrichter.In particular, the present invention comprises a converter circuit for converting an input direct voltage supplied via a positive input terminal and a negative input terminal as a positive and negative voltage into an output alternating voltage at an output terminal. The converter circuit comprises a first switching unit which is arranged between the positive input terminal, the negative input terminal and the output terminal, and a second switching unit which is arranged parallel to the first switching unit between the positive input terminal, the negative input terminal and the output terminal. The first switching unit also comprises an FC converter.

Die erfindungsgemäße Umrichterschaltung reduziert die Durchlassverluste eines FC Umrichters beim Umwandeln der Eingangsgleichspannung in die Ausgangswechselspannung.The converter circuit according to the invention reduces the conduction losses of an FC converter when converting the input DC voltage into the output AC voltage.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die zweite Schalteinheit ein erstes Parallelschaltelement, welches zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist; und ein zweites Parallelschaltelement, welches zwischen dem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist.According to an advantageous development of the present invention, the second switching unit comprises a first parallel switching element which is arranged between the positive input terminal and the output terminal; and a second parallel switching element which is arranged between the negative input terminal and the output terminal.

Die Anordnung der beiden Parallelschaltelemente ist derart gewählt, dass diese die statischen Verluste übernehmen, die andernfalls auf die erste Schalteinheit abfallen würden.The arrangement of the two parallel switching elements is chosen in such a way that they absorb the static losses that would otherwise be incurred by the first switching unit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Umrichterschaltung eine Induktivität, welche am Ausgangsanschluss angeordnet ist. Diese Induktivität kann beispielhaft auch eine Statorwicklung eines Motors sein.According to an advantageous embodiment, the converter circuit comprises an inductance which is arranged at the output terminal. This inductance can also be, for example, a stator winding of a motor.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Schalteinheit eine erste positive Schaltgruppe, welche zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist, und eine erste negative Schaltgruppe, welche zwischen dem Ausgangsanschluss und dem negativen Eingangsanschluss angeordnet ist. Die erste positive Schaltgruppe umfasst dabei ein erstes Schaltelement, welches zwischen dem positiven Eingangsanschluss und einem ersten Zwischenknoten angeordnet ist, und ein zweites Schaltelement, welches zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem Ausgangsanschluss angeordnet ist. Die erste negative Schaltgruppe umfasst ein drittes Schaltelement, welches zwischen dem Ausgangsanschluss und einem zweiten Zwischenknoten angeordnet ist, und ein viertes Schaltelement, welches zwischen dem zweiten Zwischenknoten und dem negativen Eingangsanschluss angeordnet ist. Vorteilhafterweise umfasst die Umrichterschaltung einen ersten Kondensator, welcher zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem negativen Eingangsanschluss angeordnet ist und einen zweiten Kondensator, welcher zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem zweiten Zwischenknoten angeordnet ist.According to an advantageous development of the present invention, the first switching unit comprises a first positive switching group, which is between the positive input terminal and the output terminal, and a first negative switching group which is arranged between the output terminal and the negative input terminal. The first positive switching group comprises a first switching element which is arranged between the positive input terminal and a first intermediate node, and a second switching element which is arranged between the first intermediate node and the output terminal. The first negative switching group comprises a third switching element which is arranged between the output terminal and a second intermediate node, and a fourth switching element which is arranged between the second intermediate node and the negative input terminal. Advantageously, the converter circuit comprises a first capacitor which is arranged between the positive input terminal and the negative input terminal, and a second capacitor which is arranged between the first intermediate node and the second intermediate node.

Diese vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung führt dazu, dass die Schaltelemente der ersten Schalteinheit beim Schalten der Umrichterschaltung die Schaltverluste der zweiten Schalteinheit übernehmen, wodurch geringere Anforderungen an die Schaltelemente der zweiten Schalteinheit gestellt werden. Dies ermöglicht den Einbau von kostengünstigen Bauteilen in der zweiten Schalteinheit. Gleichzeitig, kann durch die unterschiedlich dimensionierten Schalteinheiten ein größerer Leistungsbereich der Schaltung abgedeckt werden.This advantageous design of the converter circuit according to the invention means that the switching elements of the first switching unit take over the switching losses of the second switching unit when the converter circuit is switched, which means that the demands on the switching elements of the second switching unit are lower. This enables the installation of cost-effective components in the second switching unit. At the same time, a larger power range of the circuit can be covered by the differently dimensioned switching units.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen das erste Schaltelement und/oder das zweite Schaltelement und/oder das dritte Schaltelement und/oder das vierte Schaltelement ein Siliziumkarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (SiC-MOSFET) oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), oder ein Galiumnitrid Feldeffekttransistor (GaN FET), oder ein Galiumnitridtransistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (GaN HEMT).According to an advantageous embodiment, the first switching element and/or the second switching element and/or the third switching element and/or the fourth switching element comprise a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor (SiC-MOSFET) or a junction field effect transistor (JFET), or an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or a gallium nitride field effect transistor (GaN FET), or a gallium nitride high electron mobility transistor (GaN HEMT).

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Umrichterschaltung die erste Schalteinheit, welche eine zweite positive Schaltgruppe und eine zweite negative Schaltgruppe umfasst. Die zweite positive Schaltgruppe umfasst ein fünftes Schaltelement und die erste positive Schaltgruppe. Die zweite negative Schaltgruppe umfasst ein sechstes Schaltelement und die erste negative Schaltgruppe. Das fünfte Schaltelement ist in Reihe mit der ersten positiven Schaltgruppe geschaltet und mit dem positiven Eingangsanschluss und über einen dritten Zwischenknoten mit dem ersten Schaltelement der ersten positiven Schaltgruppe verbunden. Das sechste Schaltelement ist in Reihe mit der ersten negativen Schaltgruppe geschaltet und mit dem negativen Eingangsanschluss und über einen vierten Zwischenknoten mit dem vierten Schaltelement der ersten negativen Schaltgruppe verbunden. Ein dritter Kondensator ist zwischen dem dritten Zwischenknoten und dem vierten Zwischenknoten angeordnet und ebenfalls von der ersten Schalteinheit umfasst.According to an advantageous development of the present invention, the converter circuit comprises the first switching unit, which comprises a second positive switching group and a second negative switching group. The second positive switching group comprises a fifth switching element and the first positive switching group. The second negative switching group comprises a sixth switching element and the first negative switching group. The fifth switching element is connected in series with the first positive switching group and is connected to the positive input terminal and, via a third intermediate node, to the first switching element of the first positive switching group. The sixth switching element is connected in series with the first negative switching group and is connected to the negative input terminal and, via a fourth intermediate node, to the fourth switching element of the first negative switching group. A third capacitor is arranged between the third intermediate node and the fourth intermediate node and is also included in the first switching unit.

Die vorteilhafte Anschaltung der zweiten Schalteinheit ist somit auch möglich in Zusammenhang mit einem 4-Level FC-Umrichter als erste Schalteinheit.The advantageous connection of the second switching unit is therefore also possible in conjunction with a 4-level FC converter as the first switching unit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das fünfte Schaltelement und/oder das sechste Schaltelement ein SiC-MOSFET oder ein JFET oder ein IGBT oder ein GaN-FET oder ein GaN HEMT. Vorteilhafterweise, sind das erste, das zweite, das dritte, das vierte, das fünfte und das sechste Schaltelement derart gewählt, dass die Schaltelemente überlastfähig sind und somit beim Ein- und Ausschalten kurzzeitig die Leistung der Schaltung übernehmen können.According to an advantageous embodiment, the fifth switching element and/or the sixth switching element comprises a SiC-MOSFET or a JFET or an IGBT or a GaN-FET or a GaN HEMT. Advantageously, the first, second, third, fourth, fifth and sixth switching elements are selected such that the switching elements are capable of overloading and can thus briefly take over the power of the circuit when switched on and off.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das erste Parallelschaltelement und/oder das zweite Parallelschaltelement ein IGBT oder ein Gate Turn-OFF Thyristor (GTO) oder ein MOS-controlled Thyristor (MCT) oder ein Si-MOSFET oder ein SiC-MOSFET. Vorteilhafterweise werden das erste und das zweite Parallelschaltelement bei Volllast der Schaltung zugeschaltet, sodass die Schaltelemente der ersten Schalteinheit nicht für den Volllastbetrieb optimiert sein müssen, sie allerdings die Schaltverluste der Schaltelemente der zweiten Schalteinheit übernehmen. Dadurch können die Schaltelemente der zweiten Schalteinheit kostengünstig ausgelegt werden und müssen keine schnell schaltenden Schaltelemente sein.According to an advantageous embodiment, the first parallel switching element and/or the second parallel switching element comprises an IGBT or a gate turn-off thyristor (GTO) or a MOS-controlled thyristor (MCT) or a Si-MOSFET or a SiC-MOSFET. The first and second parallel switching elements are advantageously switched on when the circuit is at full load, so that the switching elements of the first switching unit do not have to be optimized for full load operation, but they take over the switching losses of the switching elements of the second switching unit. This means that the switching elements of the second switching unit can be designed cost-effectively and do not have to be fast-switching switching elements.

Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer positiven Halbwelle am Ausgangsanschluss umfasst:

  1. a. Anschalten der ersten positiven Schaltgruppe, sowie des ersten Parallelschaltelements;
  2. b. Ausschalten des ersten Parallelschaltelements;
  3. c. Ausschalten eines der Schaltelemente der ersten positiven Schaltgruppe;
  4. d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements der ersten positiven Schaltgruppe, sowie Anschalten des ersten Parallelschaltelements.
Furthermore, the present invention comprises a method for controlling a converter circuit, which comprises the following steps for providing a positive half-wave at the output terminal:
  1. a. Switching on the first positive switching group and the first parallel switching element;
  2. b. Switching off the first parallel switching element;
  3. c. Switching off one of the switching elements of the first positive switching group;
  4. d. Switching on the switching element of the first positive switching group, as well as switching on the first parallel switching element.

Die beschriebenen Schritte werden bevorzugt wiederholt. Nachdem nach Schritt d die erste positive Schaltgruppe und das erste Parallelschaltelement angeschaltet sind, entspricht dieser Schaltzustand dem Schaltzustand nach Schritt a. Demnach werden anschließend Schritt b und alle nachfolgenden Schritte wiederholt. In einer derartigen Schleife werden die Schaltelemente geschaltet, sodass eine positive Halbwelle am Ausgangsanschuss bereitgestellt wird.The steps described are preferably repeated. After the first positive switching group and the first parallel switching element are switched on after step d, this switching state corresponds to the switching state after step a. Accordingly, step b and all subsequent steps are then repeated. In such a loop, the switching elements are switched so that a positive half-wave is provided at the output connection.

Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer negativen Halbwelle am Ausgangsanschluss umfasst:

  1. a. Anschalten der ersten negativen Schaltgruppe, sowie des zweiten Parallelschaltelements;
  2. b. Ausschalten des zweiten Parallelschaltelements;
  3. c. Ausschalten eines der Schaltelemente der ersten negativen Schaltgruppe;
  4. d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements der ersten negativen Schaltgruppe; sowie Anschalten des zweiten Parallelschaltelements.
Furthermore, the present invention comprises a method for controlling a converter circuit, which comprises the following steps for providing a negative half-wave at the output terminal:
  1. a. Switching on the first negative switching group and the second parallel switching element;
  2. b. Switching off the second parallel switching element;
  3. c. Switching off one of the switching elements of the first negative switching group;
  4. d. Switching on the switching element of the first negative switching group that was switched off in step c; and switching on the second parallel switching element.

Die beschriebenen Schritte werden bevorzugt wiederholt. Nachdem nach Schritt d die erste negative Schaltgruppe und das zweite Parallelschaltelement angeschaltet sind, entspricht dieser Schaltzustand dem Schaltzustand nach Schritt a. Demnach werden anschließend Schritt b und alle nachfolgenden Schritte wiederholt. In einer derartigen Schleife werden die Schaltelemente geschaltet, sodass eine negative Halbwelle am Ausgangsanschuss bereitgestellt wird.The steps described are preferably repeated. After the first negative switching group and the second parallel switching element are switched on after step d, this switching state corresponds to the switching state after step a. Accordingly, step b and all subsequent steps are then repeated. In such a loop, the switching elements are switched so that a negative half-wave is provided at the output connection.

Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer positiven Halbwelle am Ausgangsanschluss umfasst:

  1. a. Anschalten der zweiten positiven Schaltgruppe, sowie des ersten Parallelschaltelements;
  2. b. Ausschalten des ersten Parallelschaltelements;
  3. c. Ausschalten eines der Schaltelemente der zweiten positiven Schaltgruppe;
  4. d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements der zweiten positiven Schaltgruppe, sowie Anschalten des ersten Parallelschaltelements.
Furthermore, the present invention comprises a method for controlling a converter circuit, which comprises the following steps for providing a positive half-wave at the output terminal:
  1. a. Switching on the second positive switching group and the first parallel switching element;
  2. b. Switching off the first parallel switching element;
  3. c. Switching off one of the switching elements of the second positive switching group;
  4. d. Switching on the switching element of the second positive switching group that was switched off in step c, and switching on the first parallel switching element.

Die beschriebenen Schritte werden bevorzugt wiederholt. Nachdem nach Schritt d die zweite positive Schaltgruppe und das erste Parallelschaltelement angeschaltet sind, entspricht dieser Schaltzustand dem Schaltzustand nach Schritt a. Demnach werden anschließend Schritt b und alle nachfolgenden Schritte wiederholt. In einer derartigen Schleife werden die Schaltelemente geschaltet, sodass eine positive Halbwelle am Ausgangsanschuss bereitgestellt wird.The steps described are preferably repeated. After the second positive switching group and the first parallel switching element are switched on after step d, this switching state corresponds to the switching state after step a. Accordingly, step b and all subsequent steps are then repeated. In such a loop, the switching elements are switched so that a positive half-wave is provided at the output connection.

Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer negativen Halbwelle am Ausgangsanschluss umfasst:

  1. a. Anschalten der zweiten negativen Schaltgruppe, sowie des zweiten Parallelschaltelements;
  2. b. Ausschalten des zweiten Parallelschaltelements;
  3. c. Ausschalten eines der Schaltelemente der zweiten negativen Schaltgruppe;
  4. d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements der zweiten negativen Schaltgruppe; sowie Anschalten des zweiten Parallelschaltelements.
Furthermore, the present invention comprises a method for controlling a converter circuit, which comprises the following steps for providing a negative half-wave at the output terminal:
  1. a. Switching on the second negative switching group and the second parallel switching element;
  2. b. Switching off the second parallel switching element;
  3. c. Switching off one of the switching elements of the second negative switching group;
  4. d. Switching on the switching element of the second negative switching group that was switched off in step c; and switching on the second parallel switching element.

Die beschriebenen Schritte werden bevorzugt wiederholt. Nachdem nach Schritt d die zweite negative Schaltgruppe und das zweite Parallelschaltelement angeschaltet sind, entspricht dieser Schaltzustand dem Schaltzustand nach Schritt a. Demnach werden anschließend Schritt b und alle nachfolgenden Schritte wiederholt. In einer derartigen Schleife werden die Schaltelemente geschaltet, sodass eine negative Halbwelle am Ausgangsanschuss bereitgestellt wird.The steps described are preferably repeated. After the second negative switching group and the second parallel switching element are switched on after step d, this switching state corresponds to the switching state after step a. Accordingly, step b and all subsequent steps are then repeated. In such a loop, the switching elements are switched so that a negative half-wave is provided at the output connection.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:

  • 1 ein Schaltbild einer Umrichterschaltung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
  • 2 ein Schaltbild einer Umrichterschaltung gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
For a better understanding of the present invention, it is explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the following figures. In this case, identical parts are provided with the same reference symbols and the same component designations. Furthermore, some features or combinations of features from the different embodiments shown and described can represent independent, inventive or inventive solutions in themselves. They show:
  • 1 a circuit diagram of a converter circuit according to an embodiment of the invention;
  • 2 a circuit diagram of a converter circuit according to a further embodiment of the invention.

Mit Verweis auf die Figuren wird die Erfindung nunmehr detailliert erläutert. 1 zeigt eine Umrichterschaltung 100 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Umrichterschaltung 100 umfasst einen positiven Eingangsanschluss 101, der eine positive Eingangsgleichspannung liefert und einen negativen Eingangsanschluss 102, der eine negative Eingangsspannung liefert. Des Weiteren umfasst die Umrichterschaltung 100 eine erste Schalteinheit 130 und eine zweite Schalteinheit 131, welche parallel zur ersten Schalteinheit 130 angeordnet ist. Die erste Schalteinheit 130 und die zweite Schalteinheit 131 sind jeweils zwischen dem positiven Eingangsanschluss 101, dem negativen Eingangsanschluss 102 und dem Ausgangsanschluss 103 angeordnet. Die erste Schalteinheit 130 und die zweite Schalteinheit 132 umfassen jeweils eine Mehrzahl von Schaltelementen. Über das unterschiedliche Anschalten dieser Schaltelemente kann somit vorteilhafterweise die an den Eingangsanschlüssen bereitgestellt positive und negative Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung umgewandelt werden.The invention will now be explained in detail with reference to the figures. 1 shows a converter circuit 100 according to an advantageous embodiment of the present invention. The converter circuit 100 comprises a positive input terminal 101, which supplies a positive input DC voltage, and a negative input terminal 102, which supplies a negative input voltage. Furthermore, the converter circuit 100 comprises a first switching unit 130 and a second switching unit 131, which is arranged parallel to the first switching unit 130. The first switching unit 130 and the second switching unit 131 are each arranged between the positive input terminal 101, the negative input terminal 102 and the output terminal 103. The first switching unit 130 and the second switching unit 132 each comprise a plurality of switching elements. By switching these switching elements on differently, the positive and negative input DC voltage provided at the input terminals can thus advantageously be converted into an output AC voltage.

Die erste Schalteinheit 130 ist vorteilhafterweise als ein Flying Capacitor (FC)-Umrichter ausgebildet. Dies ermöglicht das Bereitstellen von mindestens drei Spannungslevel am Ausgangsanschluss 103 ohne dass drei Eingangsgleichspannungsanschlüsse benötigt werden.The first switching unit 130 is advantageously designed as a flying capacitor (FC) converter. This enables the provision of at least three voltage levels at the output terminal 103 without the need for three input DC voltage terminals.

Im Folgenden wird nun eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten Schalteinheit 130 erläutert. Dabei umfasst die erste Schalteinheit 130 vorteilhafterweise zwei in Reihe geschaltete Schaltgruppen 140, 141. Die erste positive Schaltgruppe 140 umfasst ein erstes Schaltelement 110, welches in Reihe zu einem zweiten Schaltelemente 111 angeordnet ist. Insbesondere ist das erste Schaltelement 110 zwischen dem Eingangsanschluss 101 und einem ersten Zwischenknoten 104 angeordnet und das zweite Schaltelemente 111 ist zwischen dem ersten Zwischenknoten 104 und dem Ausgangsanschluss 103 angeordnet.An advantageous embodiment of the first switching unit 130 is now explained below. The first switching unit 130 advantageously comprises two switching groups 140, 141 connected in series. The first positive switching group 140 comprises a first switching element 110, which is arranged in series with a second switching element 111. In particular, the first switching element 110 is arranged between the input connection 101 and a first intermediate node 104 and the second switching element 111 is arranged between the first intermediate node 104 and the output connection 103.

Die erste negative Schaltgruppe 141 umfasst ein drittes Schaltelement 112, welches in Reihe mit einem vierten Schaltelement 113 angeordnet ist. Insbesondere, ist das dritte Schaltelement 112 zwischen dem Ausgangsanschluss 103 und einem zweiten Zwischenknoten 106 angeordnet und das vierte Schaltelement 113 ist zwischen dem zweiten Zwischenknoten 106 und dem negativen Eingangsanschluss 102 angeordnet.The first negative switching group 141 includes a third switching element 112 arranged in series with a fourth switching element 113. In particular, the third switching element 112 is arranged between the output terminal 103 and a second intermediate node 106 and the fourth switching element 113 is arranged between the second intermediate node 106 and the negative input terminal 102.

Vorteilhafterweise umfasst die erste Schalteinheit 130 zudem einen ersten Kondensator 120, welcher zwischen dem positiven Eingangsanschluss 101 und dem negativen Eingangsanschluss 102 angeordnet ist und einen zweiten Kondensator 121, welcher zwischen dem ersten Zwischenknoten 104 und dem zweiten Zwischenknoten 106 angeordnet ist.Advantageously, the first switching unit 130 also comprises a first capacitor 120 which is arranged between the positive input terminal 101 and the negative input terminal 102 and a second capacitor 121 which is arranged between the first intermediate node 104 and the second intermediate node 106.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Schalteinheit 131, der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung 100 umfasst ein erstes Parallelschaltelement 114 und ein zweites Parallelschaltelement 115. Dabei ist insbesondere das erste Parallelschaltelement 114 zwischen dem positiven Eingangsanschluss 101 und dem Ausgangsanschluss 103 angeordnet und das zweite Parallelschaltelement 115 ist zwischen dem Ausgangsanschluss 103 und dem negativen Eingangsanschluss 102 angeordnet.The advantageous embodiment of the second switching unit 131 of the converter circuit 100 according to the invention comprises a first parallel switching element 114 and a second parallel switching element 115. In particular, the first parallel switching element 114 is arranged between the positive input terminal 101 and the output terminal 103 and the second parallel switching element 115 is arranged between the output terminal 103 and the negative input terminal 102.

Am Ausgangsanschluss 103 befindet sich bevorzugt eine Induktivität 122. Die Induktivität 122 kann als Statorwicklung eines Motors ausgebildet sein.An inductance 122 is preferably located at the output terminal 103. The inductance 122 can be designed as a stator winding of a motor.

Vorteilhafterweise können das erste Schaltelement 110, und/oder das zweite Schaltelement 111, und/oder das dritte Schaltelement 112, und/oder das vierte Schaltelement 113 einen MOSFET und insbesondere einen SiC-MOSFET oder einen JFET, einen IGBT, einen GaN FET oder einen GaN HEMT umfassen. Bevorzugt umfasst die erste Schalteinheit 130 schnellschaltende Schaltelemente, welche überlastfähig sind und geringe Schaltverluste aufweisen.Advantageously, the first switching element 110, and/or the second switching element 111, and/or the third switching element 112, and/or the fourth switching element 113 can comprise a MOSFET and in particular a SiC-MOSFET or a JFET, an IGBT, a GaN FET or a GaN HEMT. Preferably, the first switching unit 130 comprises fast-switching switching elements which are overload-capable and have low switching losses.

Das erste Parallelschaltelement 114 und/oder das zweite Parallelschaltelement 115 umfassen vorteilhafterweise ein IGBT, ein GTO, ein MCT oder ein Si-MOSFET, bzw. ein SiC-MOSFET. Vorteilhafterweise müssen die Parallelschaltelement 114, 115 nicht hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit oder Schaltverlusten optimiert sein und können somit kostengünstiger dimensioniert werden.The first parallel switching element 114 and/or the second parallel switching element 115 advantageously comprise an IGBT, a GTO, an MCT or a Si-MOSFET, or a SiC-MOSFET. Advantageously, the parallel switching elements 114, 115 do not have to be optimized with regard to switching speed or switching losses and can thus be dimensioned more cost-effectively.

Nachfolgend wird das Schalten der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung 100 näher beschrieben.The switching of the converter circuit 100 according to the invention is described in more detail below.

Wie zuvor erläutert wandelt die erfindungsgemäße Umrichterschaltung 100 eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung um. Dabei wird abwechselnd die positive Eingangsspannung, bereitgestellt am positiven Eingangsanschluss 101, und die negative Eingangsspannung, bereitgestellt am negativen Eingangsanschluss 102, zum Ausgangsanschluss 103 durchgeschaltet. Beispielhaft wird nachfolgend das Bereitstellen einer positiven Halbwelle am Ausgangsanschluss 103 beschrieben.As previously explained, the converter circuit 100 according to the invention converts a direct current input voltage into an alternating current output voltage. The positive input voltage, provided at the positive input terminal 101, and the negative input voltage, provided at the negative input terminal 102, are alternately switched through to the output terminal 103. The provision of a positive half-wave at the output terminal 103 is described below as an example.

Zunächst wird die erste positive Schaltgruppe 140, insbesondere das erste Schaltelement 110 und das zweite Schaltelement 111 angeschaltet. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig oder kurze Zeit später das erste Parallelschaltelement 114 eingeschaltet. Das erste Parallelschaltelement 114 schaltet insbesondere langsamer ein als die Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140, sodass die Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 die Schaltverluste übernehmen. Während das erste und das zweite Schaltelement 110, 111 eingeschaltet sind, übernimmt das erste Parallelschaltelement 114 die statischen Verluste, da der Strom bevorzugt nicht über zwei in Reihe geschalteten Schaltelemente fließt. Solange das erste Parallelschaltelement 114 eingeschaltet ist, führt dieses Schaltelement den Großteil des Stroms. Somit müssen vorteilhafterweise die Schaltelemente 110, 111 der ersten Schalteinheit 130 nicht Verlust optimiert, hinsichtlich statischer Verluste sein.First, the first positive switching group 140, in particular the first switching element 110 and the second switching element 111, is switched on. Advantageously, the first parallel switching element 114 is switched on at the same time or shortly thereafter. The first parallel switching element 114 switches on in particular more slowly than the switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140, so that the switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140 take on the switching losses. While the first and second switching elements 110, 111 are switched on, the first parallel switching element 114 takes on the static losses, since the current preferably does not flow via two switching elements connected in series. As long as the first parallel switching element 114 is switched on, this switching element carries the majority of the current. Thus, advantageously, the switching elements 110, 111 of the first switching unit 130 do not have to be loss-optimized with regard to static losses.

Nachfolgend wird zunächst das erste Parallelschaltelement 114 ausgeschaltet, und das erste und zweite Schaltelemente 110, 111 führen nun den Strom. Sobald das erste Parallelschaltelement 114 ausgeschaltet ist und der Strom vollständig über die Schaltgruppe 140 fließt, wird auch eines der beiden Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 ausgeschaltet. Somit werden auch beim Ausschalten die Schaltverluste bevorzugt wieder auf die Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 übergeben. Die Wahl welches der beiden Schaltelemente 110, 111 ausgeschaltet wird, ist abhängig vom Ladezustand des zweiten Kondensators 121, dem sogenannten Flying Capacitor.Subsequently, the first parallel switching element 114 is switched off first, and the first and second switching elements 110, 111 now carry the current. As soon as the first parallel switching element 114 is switched off and the current flows completely through the switching group 140, one of the two switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140 is also switched off. Thus, when switched off, the switching losses are preferably transferred back to the switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140. The choice of which of the two switching elements 110, 111 is switched off depends on the charge state of the second capacitor 121, the so-called flying capacitor.

Beträgt die Ladung des zweiten Kondensators 121 weniger als die Hälfte der halben Eingangsspannung wird das zweite Schaltelement 111 ausgeschaltet. Der Strom wird somit vom positiven Eingangsanschluss 101 über das erste Schaltelement 110, den zweiten Kondensator 121 und die Bodydiode des dritten Schaltelementes 112 zum Ausgangsanschluss 103 geführt. Dabei wird der zweite Kondensator 121 geladen und am Ausgang wird die halbe Eingangsspannung bereitgestellt.If the charge of the second capacitor 121 is less than half of the input voltage, the second switching element 111 is switched off. The current is thus led from the positive input terminal 101 via the first switching element 110, the second capacitor 121 and the body diode of the third switching element 112 to the output terminal 103. The second capacitor 121 is charged and half the input voltage is provided at the output.

Beträgt die Ladung des zweiten Kondensators 121 mehr als die Hälfte der halben Eingangsspannung, so wird das erste Schaltelement 110 ausgeschaltet. Der Strom fließt damit vom positiven Eingangsanschluss 101 über den ersten Kondensator 120 und die Bodydiode des vierten Schaltelements 113 zum zweiten Kondensator 121. Der zweite Kondensator 121 entlädt sich und am Ausgangsanschluss 103 wird über das zweite Schaltelement 111 wieder die halbe Eingangsspannung bereitgestellt.If the charge of the second capacitor 121 is more than half of the input voltage, the first switching element 110 is switched off. The current thus flows from the positive input terminal 101 via the first capacitor 120 and the body diode of the fourth switching element 113 to the second capacitor 121. The second capacitor 121 discharges and half the input voltage is again provided at the output terminal 103 via the second switching element 111.

Nachdem eines der beiden Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 ausgeschaltet wurde, wird dasselbe wieder angeschaltet. Somit sind beide Schaltelemente der ersten positiven Schaltgruppe 140 wieder eingeschaltet. Damit wird vorteilhafterweise auch wieder das erste Parallelschaltelement 114 eingeschaltet. Wobei auch bei diesem Schaltvorgang, die Schaltverluste auf die Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 übertragen werden.After one of the two switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140 has been switched off, it is switched on again. Both switching elements of the first positive switching group 140 are thus switched on again. This advantageously also switches the first parallel switching element 114 on again. During this switching process, the switching losses are also transferred to the switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140.

Anschließend wird wieder eines der beiden Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 ausgeschaltet, wobei das Abschalten eines der Schaltelemente immer abwechselnd erfolgt. Somit wird im Wechsel mit dem Zustand in dem beide Schaltelemente 110, 111 angeschaltet sind, immer abwechselnd eines der beiden Schaltelemente 110, 111 ausgeschaltet.Then one of the two switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140 is switched off again, with the switching off of one of the switching elements always taking place alternately. Thus, one of the two switching elements 110, 111 is always switched off alternately, alternating with the state in which both switching elements 110, 111 are switched on.

Das erste Parallelschaltelement 114 ist dabei bevorzugt nur dann angeschaltet, wenn beide Schaltelemente 110, 111 der erste positiven Schaltgruppe 140 angeschaltet sind. Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung die Schaltverluste von den Schaltelementen der ersten Schalteinheit 130 übernommen werden, müssen die Schaltelemente der zweiten Schalteinheit 131 keine Hochleistungsschaltelemente, wie SiC-MOSFETs sein und können langsamer Schalten. Dies ermöglicht geringere Bauteilkosten. Es ist allerdings auch möglich, dass das erste Parallelschaltelement 114, ausgeschaltet bleibt und immer nur abwechselnd eines der beiden Schaltelemente 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 ausgeschaltet wird. Bei geringen Leistungen, bzw. Spannungen am Ausgangsanschluss 103 würde dann der Strom von den Schaltelementen 110, 111 der ersten positiven Schaltgruppe 140 geführt werden.The first parallel switching element 114 is preferably only switched on when both switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140 are switched on. Because the switching losses in the converter circuit according to the invention are taken over by the switching elements of the first switching unit 130, the switching elements of the second switching unit 131 do not have to be high-performance switching elements such as SiC MOSFETs and can switch more slowly. This enables lower component costs. However, it is also possible for the first parallel switching element 114 to remain switched off and only one of the two switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140 to be switched off alternately. At low powers or voltages at the output connection 103, the current would then be carried by the switching elements 110, 111 of the first positive switching group 140.

Das Verfahren zum Bereitstellen einer negativen Halbwelle am Ausgangsanschluss 103 erfolgt analog. Dabei werden die Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 und das zweite Parallelschaltelement 115 angeschaltet, sodass ein negativer Strom am Ausgangsanschluss 103 bereitgestellt wird. Zunächst werden das dritte Schaltelement 112 und das vierte Schaltelement 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 eingeschaltet. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig oder kurze Zeit später das zweite Parallelschaltelement 115 eingeschaltet. Das zweite Parallelschaltelement 115 schaltet insbesondere langsamer ein als die Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141, sodass die Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 die Schaltverluste übernehmen. Das zweite Parallelschaltelemente 115 ist dabei bevorzugt nur angeschaltet, wenn das dritte und das vierte Schaltelement 112, 113 angeschaltet sind und führt dabei den Großteil des Stroms. Anschließend wird zunächst das zweite Parallelschaltelement 115 ausgeschaltet, wodurch der Strom von den Schaltelementen 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 geführt wird.The method for providing a negative half-wave at the output terminal 103 is analogous. The switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141 and the second parallel switching element 115 are switched on so that a negative current is provided at the output terminal 103. First, the third switching element 112 and the fourth switching element 113 of the first negative switching group 141 are switched on. Advantageously, the second parallel switching element 115 is switched on at the same time or shortly afterwards. The second parallel switching element 115 switches on more slowly than the switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141, so that the switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141 take on the switching losses. The second parallel switching element 115 is preferably only switched on when the third and fourth switching elements 112, 113 are switched on and in doing so the majority of the current. The second parallel switching element 115 is then switched off, whereby the current is conducted by the switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141.

Anschließend wird eines der beiden Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 ausgeschaltet. Die Wahl ist dabei wieder abhängig vom Ladezustand des zweiten Kondensators 121. Das ausgeschaltete dritte Schaltelemente 112 oder vierte Schaltelement 113 wird anschließend wieder eingeschaltet, sodass beide Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 wieder eingeschaltet sind. Bevorzugt wird das zweite Parallelschaltelement 115 nur in diesem Zustand wieder eingeschaltet, wodurch die Schaltelemente 112, 113 wieder die Schaltverluste übernehmen.Then one of the two switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141 is switched off. The choice again depends on the charge state of the second capacitor 121. The switched off third switching element 112 or fourth switching element 113 is then switched on again so that both switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141 are switched on again. Preferably, the second parallel switching element 115 is only switched on again in this state, whereby the switching elements 112, 113 again take on the switching losses.

Je nachdem welches Schaltelement 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 zuvor ausgeschaltet wird, wird in einem nachfolgenden Schritt das jeweils andere Schaltelement 112, 113 ausgeschaltet. Der Wechsel des Ausschaltens eines der Schaltelemente 112, 113 erfolgt im Wechsel mit dem Zustand in dem beide Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 und das zweite Parallelschaltelement 115 eingeschaltet sind. Es ist allerdings auch möglich, dass das zweite Parallelschaltelement 115 ausgeschaltet bleibt und immer nur abwechselnd eines der beiden Schaltelemente 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 ausgeschaltet wird. Bei geringen Leistungen, bzw. Spannungen am Ausgangsanschluss 103 würde dann der Strom von den Schaltelementen 112, 113 der ersten negativen Schaltgruppe 141 geführt werden.Depending on which switching element 112, 113 of the first negative switching group 141 is switched off beforehand, the other switching element 112, 113 is switched off in a subsequent step. The switching off of one of the switching elements 112, 113 alternates with the state in which both switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141 and the second parallel switching element 115 are switched on. However, it is also possible for the second parallel switching element 115 to remain switched off and only one of the two switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141 to be switched off alternately. At low power levels or voltages at the output connection 103, the current would then be carried by the switching elements 112, 113 of the first negative switching group 141.

Aus der Beschreibung des vorteilhaften Schaltens der erfindungsgemäße Umrichterschaltung 100 wird ersichtlich, dass bei Volllastbetrieb der Schaltung der Strom von dem ersten oder dem zweiten Parallelschaltelement 114, 115 geführt wird. In einem Teillastbereich der Schaltung in dem beispielsweise nicht die volle Leistung am Ausgang benötigt wird, wird allerdings vorteilhafterweise der Strom über die jeweiligen Schaltelemente der ersten positiven oder ersten negativen Schaltgruppe 140, 141 geführt. Diese umfassen vorteilhafterweise Hochleistungsschaltelemente, wie beispielsweise SiC-MOSFETs, welche für eine kurze Zeitspanne überlastfähig sind, und somit auch während des Ein- und Ausschaltens der Parallelschaltelemente 114, 115 die Leistung übernehmen können. Allerdings müssen die Schaltelemente der erste positiven und negativen Schaltgruppe 140, 141 nicht Verlust optimiert für den Volllastbetrieb sein, da statische Verluste von den Parallelschaltelementen 114, 115 übernommen werden.From the description of the advantageous switching of the converter circuit 100 according to the invention, it is clear that when the circuit is operating at full load, the current is carried by the first or the second parallel switching element 114, 115. In a partial load range of the circuit in which, for example, the full power is not required at the output, the current is advantageously carried via the respective switching elements of the first positive or first negative switching group 140, 141. These advantageously comprise high-performance switching elements, such as SiC MOSFETs, which can be overloaded for a short period of time and can therefore also take over the power while the parallel switching elements 114, 115 are switched on and off. However, the switching elements of the first positive and negative switching groups 140, 141 do not have to be loss-optimized for full load operation, since static losses are taken over by the parallel switching elements 114, 115.

Die beschriebene erfindungsgemäße Umrichterschaltung ermöglicht somit, dass der Leistungsbereich der Schaltung dadurch erweitert werden kann, dass in einem Volllastbetrieb der Schaltung die Parallelschaltelemente hinzugeschaltet werden können. Die erfindungsgemäße Lösung kann über einen großen Leistungsbereich volle Effizienz gewähren.The converter circuit according to the invention described thus makes it possible to expand the power range of the circuit by connecting the parallel switching elements when the circuit is operating at full load. The solution according to the invention can ensure full efficiency over a large power range.

Es ist auch eine erfindungsgemäße Lösung, die zuvor beschriebene erste Schalteinheit 130 zu erweitern. Dies ist detailliert in 2 gezeigt. Dabei wurde vorteilhafterweise der 3-Level FC-Umrichter zu einem 4-Level FC-Umrichter erweitert. Die positiven Effekte der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 1, gelten selbstverständlich auch für die Umrichterschaltung gemäß 2.It is also a solution according to the invention to extend the previously described first switching unit 130. This is described in detail in 2 The 3-level FC converter was advantageously expanded to a 4-level FC converter. The positive effects of the circuit according to the invention according to 1 , of course also apply to the converter circuit according to 2 .

Wie in 2 dargestellt, umfasst die Umrichterschaltung 200 weiterhin einen positiven Eingangsanschluss 201, der eine positive Gleichspannung bereitstellt, und einen negativen Eingangsanschluss 202, der eine negative Gleichspannung bereitstellt. Die Ausgangswechselspannung wird an dem Ausgangsanschluss 203 abgegriffen. Zudem umfasst die Umrichterschaltung eine erste Schalteinheit 230 und eine zweite Schalteinheit 231.As in 2 As shown, the converter circuit 200 further comprises a positive input terminal 201, which provides a positive direct voltage, and a negative input terminal 202, which provides a negative direct voltage. The output alternating voltage is tapped at the output terminal 203. In addition, the converter circuit comprises a first switching unit 230 and a second switching unit 231.

Die erste Schalteinheit 230 umfasst eine zweite positive Schaltgruppe 250 und eine dazu in Reihe geschaltete zweite negative Schaltgruppe 251. Die zweite positive Schaltgruppe 250 umfasst neben der ersten positiven Schaltgruppe 240 ein zusätzliches fünftes Schaltelement 216. Dies ist in Reihe mit der ersten positiven Schaltgruppe 240 angeordnet. Insbesondere ist das fünfte Schaltelement 216 zwischen dem positiven Eingangsanschluss 201 und einem dritten Zwischenknoten 207 angeordnet und die erste positive Schaltgruppe 240 ist zwischen dem dritten Zwischenknoten 207 und dem Ausgangsanschluss 203 angeordnet. Die erste positive Schaltgruppe 240 umfasst ein erstes Schaltelement 210 und ein in Reihe dazu geschaltetes zweites Schaltelement 211. Das erste und das zweite Schaltelement 210, 211 sind über einen ersten Zwischenknoten 204 miteinander verbunden.The first switching unit 230 comprises a second positive switching group 250 and a second negative switching group 251 connected in series therewith. The second positive switching group 250 comprises, in addition to the first positive switching group 240, an additional fifth switching element 216. This is arranged in series with the first positive switching group 240. In particular, the fifth switching element 216 is arranged between the positive input terminal 201 and a third intermediate node 207 and the first positive switching group 240 is arranged between the third intermediate node 207 and the output terminal 203. The first positive switching group 240 comprises a first switching element 210 and a second switching element 211 connected in series therewith. The first and second switching elements 210, 211 are connected to one another via a first intermediate node 204.

Die zweite negative Schaltgruppe 251 umfasst die erste negative Schaltgruppe 241 und ein sechstes Schaltelement 217. Insbesondere umfasst die erste negative Schaltgruppe 241 ein drittes Schaltelement 212, welches zwischen dem Ausgangsknoten 203 und einem zweiten Zwischenknoten 206 angeordnet ist, und ein viertes Schaltelement213, welches zwischen dem zweiten Zwischenknoten 206 und einem vierten Zwischenknoten 208 angeordnet ist. Das sechste Schaltelement 217 ist in Reihe mit der ersten negativen Schaltgruppe 241, insbesondere zwischen dem vierten Zwischenknoten 208 und dem negativen Eingangsanschluss 202, angeordnet.The second negative switching group 251 comprises the first negative switching group 241 and a sixth switching element 217. In particular, the first negative switching group 241 comprises a third switching element 212, which is arranged between the output node 203 and a second intermediate node 206, and a fourth switching element 213, which is arranged between the second intermediate node 206 and a fourth intermediate node 208. The sixth switching element 217 is in series with the first negative switching group 241, in particular between the fourth intermediate node 208 and the negative input terminal 202.

Des Weiteren umfasst die erste Schalteinheit 230 einen ersten Kondensator 220, welcher zwischen dem positiven Eingangsanschluss 201 und dem negativen Eingangsanschluss 202 angeordnet ist. Ein zweiter Kondensator 221 ist zwischen dem ersten Zwischenknoten 204 und dem zweiten Zwischenknoten 206 angeordnet und ein dritter Kondensator 223 ist zwischen dem dritten Zwischenknoten 207 und dem vierten Zwischenknoten 208 angeordnet.Furthermore, the first switching unit 230 comprises a first capacitor 220 which is arranged between the positive input terminal 201 and the negative input terminal 202. A second capacitor 221 is arranged between the first intermediate node 204 and the second intermediate node 206 and a third capacitor 223 is arranged between the third intermediate node 207 and the fourth intermediate node 208.

Weitere Komponenten der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung 200 sind eine zweite Schalteinheit 231 und ein Induktivität 222, welche am Ausgangsanschluss 203 angeordnet ist.Further components of the converter circuit 200 according to the invention are a second switching unit 231 and an inductance 222, which is arranged at the output terminal 203.

Die zweite Schalteinheit 231 ist zwischen dem positiven Eingangsanschluss 201, dem negativen Eingangsanschluss 202 und dem Ausgangsanschluss 203 angeordnet. Die zweite Schalteinheit 231 umfasst ein erstes Parallelschaltelement 214, welches zwischen dem positiven Eingangsanschluss 201 und dem Ausgangsanschluss 203 angeordnet ist, und ein zweites Parallelschaltelement 215, welches zwischen dem Ausgangsanschluss 203 und dem negativen Eingangsanschluss 202 angeordnet ist.The second switching unit 231 is arranged between the positive input terminal 201, the negative input terminal 202 and the output terminal 203. The second switching unit 231 comprises a first parallel switching element 214, which is arranged between the positive input terminal 201 and the output terminal 203, and a second parallel switching element 215, which is arranged between the output terminal 203 and the negative input terminal 202.

Vorteilhafterweise können das erste Schaltelement 210, und/oder das zweite Schaltelement 211, und/oder das dritte Schaltelement 212, und/oder das vierte Schaltelement 213, und/oder das fünfte Schaltelement 216, und/oder das sechste Schaltelement 217 einen MOSFET und insbesondere einen SiC-MOSFET oder einen JFET, einen IGBT, einen GaNFET oder einen GaN HEMT umfassen. Bevorzugt umfasst die erste Schalteinheit 230 schnellschaltende Schaltelemente, welche auch überlastfähig sind. Vorteilhafterweise müssen die Schaltelemente der ersten Schalteinheit aber nicht hinsichtlich statischer Verluste optimiert sein.Advantageously, the first switching element 210, and/or the second switching element 211, and/or the third switching element 212, and/or the fourth switching element 213, and/or the fifth switching element 216, and/or the sixth switching element 217 can comprise a MOSFET and in particular a SiC-MOSFET or a JFET, an IGBT, a GaNFET or a GaN HEMT. Preferably, the first switching unit 230 comprises fast-switching switching elements which are also capable of overloading. Advantageously, however, the switching elements of the first switching unit do not have to be optimized with regard to static losses.

Das erste Parallelschaltelement 214 und/oder das zweite Parallelschaltelement 215 umfassen vorteilhafterweise ein IGBT, ein GTO, ein MCT oder ein Si-MOSFET, bzw. ein SiC-MOSFET.The first parallel switching element 214 and/or the second parallel switching element 215 advantageously comprise an IGBT, a GTO, an MCT or a Si-MOSFET, or a SiC-MOSFET.

Das Schalten der Umrichterschaltung 200 wird nachfolgend beschrieben.The switching of the converter circuit 200 is described below.

Dabei erfolgt die Funktionsweise analog zur Umrichterschaltung 100 wobei zu beachten ist, dass insbesondere die Funktionsweise des FC-Umrichters der ersten Schalteinheit 230 auf der Funktionsweise eines gängigen 4-Level FC-Umrichters beruht.The functionality is analogous to the converter circuit 100, whereby it should be noted that in particular the functionality of the FC converter of the first switching unit 230 is based on the functionality of a common 4-level FC converter.

Das erste Parallelschaltelement 214 wird bevorzugt nur eingeschaltet, wenn alle Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 angeschaltet sind. Analog wird das zweite Parallelschaltelement 215 bevorzugt nur eingeschaltet, wenn alle Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 eingeschaltet sind.The first parallel switching element 214 is preferably only switched on when all switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 are switched on. Analogously, the second parallel switching element 215 is preferably only switched on when all switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 are switched on.

Um eine positive Spannung am Ausgangsanschluss 203 bereitzustellen, werden die Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten oberen Schaltgruppe 251 eingeschaltet. Bevorzugt wird anschließend oder gleichzeitig das erste Parallelschaltelement 214 eingeschaltet. Bevorzugt schaltet das erste Parallelschaltelement 214 langsamer als die Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten oberen Schaltgruppe 251, sodass die Schaltverluste auf die Schaltelemente 210, 211, 216 übergehen. Eine positive Spannung wird nun vom positiven Eingangsanschluss 201 zum Ausgangsanschluss 203 größtenteils über das erste Parallelschaltelement 214 geführt.In order to provide a positive voltage at the output terminal 203, the switching elements 210, 211, 216 of the second upper switching group 251 are switched on. The first parallel switching element 214 is preferably switched on subsequently or at the same time. The first parallel switching element 214 preferably switches more slowly than the switching elements 210, 211, 216 of the second upper switching group 251, so that the switching losses are transferred to the switching elements 210, 211, 216. A positive voltage is now conducted from the positive input terminal 201 to the output terminal 203 largely via the first parallel switching element 214.

Anschließend wird das erste Parallelschaltelement 214 ausgeschaltet und die Schaltelemente 210, 211, 216 führen den Strom. Sobald das erste Parallelschaltelement 214 ausgeschaltet ist und der Strom vollständig über die Schaltgruppe 250 fließt, wird eines der Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 ausgeschaltet. Somit werden auch beim Ausschalten die Schaltverluste bevorzugt wieder auf die Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 übergeben. Die Wahl welches Schaltelement 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 ausgeschaltet wird, ist abhängig vom Ladezustand des zweiten Kondensators 221 und des dritten Kondensators 223.The first parallel switching element 214 is then switched off and the switching elements 210, 211, 216 carry the current. As soon as the first parallel switching element 214 is switched off and the current flows completely through the switching group 250, one of the switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 is switched off. Thus, when switching off, the switching losses are preferably transferred back to the switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250. The choice of which switching element 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 is switched off depends on the charge state of the second capacitor 221 and the third capacitor 223.

Das ausgeschaltete Schaltelement 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 wird anschließend wieder eingeschaltet, sodass alle Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 wieder angeschaltet sind. In diesem Zustand wird auch das erste Parallelschaltelement 214 wieder dazu geschaltet, um den Großteil des Stroms und auch die statischen Verluste zu übernehmen. Anschließend wird immer im Wechsel mit dem Zustand in dem alle Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 und das erste Parallelschaltelement 214 angeschaltet sind, abwechselnd immer eines oder zwei der Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 ausgeschaltet.The switched off switching element 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 is then switched on again so that all switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 are switched on again. In this state, the first parallel switching element 214 is also switched on again to take over the majority of the current and also the static losses. Then, always alternating with the state in which all switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 and the first parallel switching element 214 are switched on, one or two of the switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 are switched off alternately.

Die sich ergebenden Freilaufpfade über die Bodydioden der Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 sind aus der Funktionsweise der gängigen 4-Level FC Umrichter bekannt.The resulting freewheeling paths via the body diodes of the switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 are shown in the Functionality of the common 4-level FC converters is known.

Es ist allerdings auch möglich, dass das erste Parallelschaltelement 214 durchgängig ausgeschaltet bleibt und immer nur abwechselnd eines der Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 ausgeschaltet wird. Bei geringen Leistungen, bzw. Spannungen am Ausgangsanschluss 203 würde der Strom dann von den Schaltelementen 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 geführt werden.However, it is also possible for the first parallel switching element 214 to remain switched off continuously and for only one of the switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 to be switched off alternately. At low powers or voltages at the output connection 203, the current would then be carried by the switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250.

Analog kann eine negative Halbwelle am Ausgangsanschluss 203 bereitgestellt werden. Dabei werden die Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 angeschaltet. Bevorzugt wird anschließend oder gleichzeitig das zweite Parallelschaltelement 215 angeschaltet. Vorbei vorteilhafterweise dieses Parallelschaltelement 215 langsamer schaltet, sodass die Schaltverluste auf die Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 übertragen werden. Im Betrieb wird der Großteil des Stroms über das zweite Parallelschaltelement 215 geführt.Analogously, a negative half-wave can be provided at the output connection 203. The switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 are switched on. Preferably, the second parallel switching element 215 is switched on subsequently or at the same time. Advantageously, this parallel switching element 215 switches more slowly, so that the switching losses are transferred to the switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251. During operation, the majority of the current is conducted via the second parallel switching element 215.

Anschließend wird das zweite Parallelschaltelement 215 ausgeschaltet, wobei auch die dabei entstehenden Schaltverluste auf die Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 übertragen werden. Bevorzugt wird dann eines der Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 ausgeschaltet, wobei die Wahl des Schaltelements wieder abhängig von den Ladezuständen des zweiten und des dritten Kondensators 221, 223 ist. Das ausgeschaltete Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 wird wieder eingeschaltet, wobei vorteilhafterweise dann auch das zweite Parallelschaltelement 215 wieder eingeschaltet wird.The second parallel switching element 215 is then switched off, with the switching losses that arise being transferred to the switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251. Preferably, one of the switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 is then switched off, with the choice of switching element again being dependent on the charge states of the second and third capacitors 221, 223. The switched off switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 are switched on again, with the second parallel switching element 215 then advantageously also being switched on again.

Der Wechsel zwischen dem Zustand in dem alle Schaltelemente 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 und das zweite Parallelschaltelement 215 eingeschaltet sind, mit dem Zustand in dem das zweite Parallelschaltelement 215 und mindestens ein Schaltelement 212, 213, 217 der zweiten negativen Schaltgruppe 251 ausgeschaltet sind, erfolgt nach dem gängigen Schalten eines 4-Level FC-Umrichters. Die dabei entstehenden Freilaufpfade über die Bodydioden der Schaltelemente 210, 211, 216 der zweiten positiven Schaltgruppe 250 erfolgen analog.The change between the state in which all switching elements 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 and the second parallel switching element 215 are switched on, and the state in which the second parallel switching element 215 and at least one switching element 212, 213, 217 of the second negative switching group 251 are switched off, takes place according to the usual switching of a 4-level FC converter. The resulting freewheeling paths via the body diodes of the switching elements 210, 211, 216 of the second positive switching group 250 take place in an analogous manner.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die parallele zweite Schalteinheit angeschaltet, wenn die volle Leistung am Ausgang benötigt wird. Demnach sind das erste und das zweite Parallelschaltelement 214, 215 bevorzugt derart dimensioniert, dass sie die Volllast tragen. Vorteilhafterweise müssen die Parallelschaltelemente 214, 215 aber nicht bezüglich Schaltverlusten optimiert sein. Dies ist vor Allem bei Anwendungen bei denen hohe Leistungen benötigt werden von Vorteil, da in gängigen Schaltungen die Schaltelemente sowohl für hohe Leistungen dimensioniert sein müssen, als auch gleichzeitig geringe Schaltverluste aufweisen sollen.According to the present invention, the parallel second switching unit is switched on when the full power is required at the output. Accordingly, the first and second parallel switching elements 214, 215 are preferably dimensioned such that they carry the full load. Advantageously, however, the parallel switching elements 214, 215 do not have to be optimized with regard to switching losses. This is particularly advantageous in applications where high power is required, since in common circuits the switching elements must be dimensioned for high power and at the same time have low switching losses.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Umrichterschaltung 100, 200 derart optimiert, dass über einen großen Leistungsbereich volle Effizienz gewährt wird. Bevorzugt sind die Schaltelemente der ersten Schalteinheit 130, 230 schnellschaltende Schaltelemente, welche hinsichtlich der Schaltverluste optimiert sind und bei geringeren Lasten am Ausgang den Strom führen. Die Schaltelemente der ersten Schalteinheit 130, 230 sind bevorzugt überlastfähig und übernehmen beim Ein- und Ausschalten der Umrichterschaltung kurzzeitig die Leistung. Da diese hinsichtlich Schaltverlusten optimiert sind, können die Schaltverluste der Umrichterschaltung geringgehalten werden.Advantageously, the converter circuit 100, 200 according to the invention is optimized in such a way that full efficiency is ensured over a large power range. The switching elements of the first switching unit 130, 230 are preferably fast-switching switching elements which are optimized with regard to switching losses and carry the current at lower loads at the output. The switching elements of the first switching unit 130, 230 are preferably capable of overloading and take over the power for a short time when the converter circuit is switched on and off. Since they are optimized with regard to switching losses, the switching losses of the converter circuit can be kept low.

Im Volllastbetrieb werden die jeweiligen Schaltelemente der zweiten Schalteinheit 131, 231 zusätzlich angeschaltet. Diese müssen nicht hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Schaltverlusten optimiert sein, sondern halten bevorzugt große Spannungen aus. Damit sinken die Anforderungen und damit die Kosten der zweiten Schalteinheit 131, 231.In full load operation, the respective switching elements of the second switching unit 131, 231 are also switched on. These do not have to be optimized in terms of switching speed and switching losses, but preferably withstand high voltages. This reduces the requirements and thus the costs of the second switching unit 131, 231.

Eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der Umrichterschaltung 100, 200 ist es, die Schaltelemente der ersten Schalteinheit 130, 230 als GaN FET auszugestalten. Derartige Schaltelemente gehen bei Überlastung nicht in Sättigung. Somit können bevorzugt besonders klein dimensionierte und kostengünstige Schaltelemente in die Schaltung eingebaut werden.A particularly cost-effective design of the converter circuit 100, 200 is to design the switching elements of the first switching unit 130, 230 as GaN FETs. Such switching elements do not saturate when overloaded. This means that particularly small-sized and cost-effective switching elements can preferably be built into the circuit.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

100, 200100, 200
Umrichterschaltungconverter circuit
101, 201101, 201
Positiver EingangsanschlussPositive input terminal
102, 202102, 202
Negativer EingangsanschlussNegative input terminal
103, 203103, 203
Ausgangsanschlussoutput connection
104, 204104, 204
Erster ZwischenknotenFirst intermediate node
106, 206106, 206
Zweiter ZwischenknotenSecond intermediate node
207207
Dritter ZwischenknotenThird intermediate node
208208
Vierter ZwischenknotenFourth intermediate node
110, 210110, 210
Erstes SchaltelementFirst switching element
111, 211111, 211
Zweites SchaltelementSecond switching element
112, 212112, 212
Drittes SchaltelementThird switching element
113, 213113, 213
Viertes SchaltelementFourth switching element
114, 214114, 214
Erstes ParallelschaltelementFirst parallel switching element
115, 215115, 215
Zweites ParallelschaltelementSecond parallel switching element
216216
Fünftes SchaltelementFifth switching element
217217
Sechstes SchaltelementSixth switching element
120, 220120, 220
Erster KondensatorFirst capacitor
121, 221121, 221
Zweiter KondensatorSecond capacitor
122, 222122, 222
Induktivitätinductance
223223
Dritter KondensatorThird capacitor
130, 230130, 230
Erste SchalteinheitFirst switching unit
131, 231131, 231
Zweite SchalteinheitSecond switching unit
140, 240140, 240
Erste positive SchaltgruppeFirst positive switching group
141, 241141, 241
Erste negative SchaltgruppeFirst negative switching group
250250
Zweite positive SchaltgruppeSecond positive switching group
251251
Zweite negative SchaltgruppeSecond negative switching group

Claims (12)

Umrichterschaltung zum Umwandeln einer über einen positiven Eingangsanschluss (101) und einen negativen Eingangsanschluss (102) als eine positive und negative Spannung zugeführten Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung an einem Ausgangsanschluss (103), wobei die Umrichterschaltung (100) umfasst: eine erste Schalteinheit (130), welche zwischen dem positiven Eingangsanschluss (101), dem negativen Eingangsanschluss (102) und dem Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist; eine zweite Schalteinheit (131), welche parallel zur ersten Schalteinheit (130) zwischen dem positiven Eingangsanschluss (101), dem negativen Eingangsanschluss (102) und dem Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist; wobei die erste Schalteinheit (130) einen Flying Capacitor, FC, Umrichter umfasst.Converter circuit for converting an input direct voltage supplied via a positive input terminal (101) and a negative input terminal (102) as a positive and negative voltage into an output alternating voltage at an output terminal (103), wherein the converter circuit (100) comprises: a first switching unit (130) which is arranged between the positive input terminal (101), the negative input terminal (102) and the output terminal (103); a second switching unit (131) which is arranged parallel to the first switching unit (130) between the positive input terminal (101), the negative input terminal (102) and the output terminal (103); wherein the first switching unit (130) comprises a flying capacitor, FC, converter. Umrichterschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Schalteinheit (131) ein erstes Parallelschaltelement (114), welches zwischen dem positiven Eingangsanschluss (101) und dem Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist; und ein zweites Parallelschaltelement (115), welches zwischen dem negativen Eingangsanschluss (102) und dem Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist, umfasst.Converter circuit according to claim 1 , wherein the second switching unit (131) comprises a first parallel switching element (114) which is arranged between the positive input terminal (101) and the output terminal (103); and a second parallel switching element (115) which is arranged between the negative input terminal (102) and the output terminal (103). Umrichterschaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend: eine Induktivität (122), welche am Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist.Converter circuit according to one of the preceding claims, further comprising: an inductance (122) arranged at the output terminal (103). Umrichterschaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Schalteinheit (130) umfasst: eine erste positive Schaltgruppe (140), welche zwischen dem positiven Eingangsanschluss (101) und dem Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist; und eine erste negative Schaltgruppe (141), welche zwischen dem Ausgangsanschluss (103) und dem negativen Eingangsanschluss (102) angeordnet ist; wobei die erste positive Schaltgruppe (140) ein erstes Schaltelement (110), welches zwischen dem positiven Eingangsanschluss (101) und einem ersten Zwischenknoten (104) angeordnet ist und ein zweites Schaltelement (111), welches zwischen dem ersten Zwischenknoten (104) und dem Ausgangsanschluss (103) angeordnet ist, umfasst wobei die erste negative Schaltgruppe (141) ein drittes Schaltelement (112), welches zwischen dem Ausgangsanschluss (103) und einem zweiten Zwischenknoten (106) angeordnet ist und ein viertes Schaltelement (113), welches zwischen dem zweiten Zwischenknoten (106) und dem negativen Eingangsanschluss (102) angeordnet ist, umfasst; einen ersten Kondensator, welcher zwischen dem positiven Eingangsanschluss (101) und dem negativen Eingangsanschluss (102) angeordnet ist; und einen zweiten Kondensator (121), welcher zwischen dem ersten Zwischenknoten (104) und dem zweiten Zwischenknoten (106) angeordnet ist.Converter circuit according to one of the preceding claims, wherein the first switching unit (130) comprises: a first positive switching group (140) which is arranged between the positive input terminal (101) and the output terminal (103); and a first negative switching group (141) which is arranged between the output terminal (103) and the negative input terminal (102); wherein the first positive switching group (140) comprises a first switching element (110) which is arranged between the positive input terminal (101) and a first intermediate node (104) and a second switching element (111) which is arranged between the first intermediate node (104) and the output terminal (103); wherein the first negative switching group (141) comprises a third switching element (112) which is arranged between the output terminal (103) and a second intermediate node (106) and a fourth switching element (113) which is arranged between the second intermediate node (106) and the negative input terminal (102); a first capacitor which is arranged between the positive input terminal (101) and the negative input terminal (102); and a second capacitor (121) which is arranged between the first intermediate node (104) and the second intermediate node (106). Umrichterschaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Schaltelement (110) und/oder das zweite Schaltelement (111) und/oder das dritte Schaltelement (112) und/oder das vierte Schaltelement (113) ein Siliziumkarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, SiC-MOSFET, umfassen oder wobei das erste Schaltelement (110) und/oder das zweite Schaltelement (111) und/oder das dritte Schaltelement (112) und/oder das vierte Schaltelement (113) ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, JFET, umfassen oder wobei das erste Schaltelement (110) und/oder das zweite Schaltelement (111) und/oder das dritte Schaltelement (112) und/oder das vierte Schaltelement (113) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, umfassen oder wobei das erste Schaltelement (110) und/oder das zweite Schaltelement (111) und/oder das dritte Schaltelement (112) und/oder das vierte Schaltelement (113) ein Galiumnitrid Feldeffekttransistor, GaN FET, umfassen oder wobei das erste Schaltelement (110) und/oder das zweite Schaltelement (111) und/oder das dritte Schaltelement (112) und/oder das vierte Schaltelement (113) ein Galiumnitridtransistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit, GaN HEMT, umfassen.Converter circuit according to one of the preceding claims, wherein the first switching element (110) and/or the second switching element (111) and/or the third switching element (112) and/or the fourth switching element (113) comprise a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor, SiC-MOSFET, or wherein the first switching element (110) and/or the second switching element (111) and/or the third switching element (112) and/or the fourth switching element (113) comprise a junction field effect transistor, JFET, or wherein the first switching element (110) and/or the second switching element (111) and/or the third switching element (112) and/or the fourth switching element (113) comprise an insulated gate bipolar transistor, IGBT, or wherein the first switching element (110) and/or the second switching element (111) and/or the third switching element (112) and/or the fourth switching element (113) comprise a gallium nitride field effect transistor, GaN FET, or wherein the first switching element (110) and/or the second switching element (111) and/or the third switching element (112) and/or the fourth switching element (113) comprise a gallium nitride transistor with high electron mobility, GaN HEMT. Umrichterschaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umrichterschaltung (200) die erste Schalteinheit (230) umfasst, wobei die erste Schalteinheit (230) umfasst: einen dritten Kondensator (223), welcher zwischen dem dritten Zwischenknoten (207) und dem vierten Zwischenknoten (208) angeordnet ist; eine zweite positive Schaltgruppe (250), welche ein fünftes Schaltelement (216) und die erste positive Schaltgruppe (240) umfasst, und eine zweite negative Schaltgruppe (251), welche ein sechstes Schaltelement (217) und die erste negative Schaltgruppe (241) umfasst, wobei das fünfte Schaltelement (216) in Reihe mit der ersten positiven Schaltgruppe (240) geschaltet ist und mit dem positiven Eingangsanschluss (201) und über einen dritten Zwischenknoten (207) mit dem ersten Schaltelement (210) der ersten positiven Schaltgruppe (240) verbunden ist; wobei das sechste Schaltelement (217) in Reihe mit der ersten negativen Schaltgruppe (241) geschaltet ist und mit dem negativen Eingangsanschluss (202) und über einen vierten Zwischenknoten (208) mit dem vierten Schaltelement (213) der ersten negativen Schaltgruppe (241) verbunden ist.Converter circuit according to one of the preceding claims, wherein the converter circuit (200) comprises the first switching unit (230), wherein the first switching unit (230) comprises: a third capacitor (223) arranged between the third intermediate node (207) and the fourth intermediate node (208); a second positive switching group (250) comprising a fifth switching element (216) and the first positive switching group (240), and a second negative switching group (251) comprising a sixth switching element (217) and the first negative switching group (241), wherein the fifth switching element (216) is connected in series with the first positive switching group (240) and is connected to the positive input terminal (201) and via a third intermediate node (207) to the first switching element (210) of the first positive switching group (240); wherein the sixth switching element (217) is connected in series with the first negative switching group (241) and is connected to the negative input terminal (202) and via a fourth intermediate node (208) to the fourth switching element (213) of the first negative switching group (241). Umrichterschaltung gemäß Anspruch 6, wobei das fünfte Schaltelement (216) und/oder das sechste Schaltelement (217) ein Siliziumkarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, SiC-MOSFET, umfassen oder wobei das fünfte Schaltelement (216) und/oder das sechste Schaltelement (217) ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, JFET, umfassen oder wobei das fünfte Schaltelement (216) und/oder das sechste Schaltelement (217) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, umfassen oder wobei das fünfte Schaltelement (216) und/oder das sechste Schaltelement (217) ein Galiumnitrid Feldeffekttransistor, GaN FET, umfassen oder wobei das fünfte Schaltelement (216) und/oder das sechste Schaltelement (217) ein Galiumnitridtransistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit, GaN HEMT, umfassen.Converter circuit according to claim 6 , wherein the fifth switching element (216) and/or the sixth switching element (217) comprise a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor, SiC-MOSFET, or wherein the fifth switching element (216) and/or the sixth switching element (217) comprise a junction field effect transistor, JFET, or wherein the fifth switching element (216) and/or the sixth switching element (217) comprise an insulated gate bipolar transistor, IGBT, or wherein the fifth switching element (216) and/or the sixth switching element (217) comprise a gallium nitride field effect transistor, GaN FET, or wherein the fifth switching element (216) and/or the sixth switching element (217) comprise a gallium nitride transistor with high electron mobility, GaN HEMT. Umrichterschaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Parallelschaltelement (114, 214) und/oder das zweite Parallelschaltelement (115, 215) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, umfassen oder wobei das erste Parallelschaltelement (114, 214) und/oder das zweite Parallelschaltelement (115, 215) ein Gate Turn-OFF Thyristor, GTO, umfassen oder wobei das erste Parallelschaltelement (114, 214) und/oder das zweite Parallelschaltelement (115, 215) ein MOS-controlled Thyristor, MCT, umfassen oder wobei das erste Parallelschaltelement (114, 214) und/oder das zweite Parallelschaltelement (115, 215) ein Silizium-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Si-MOSFET, umfassen oder wobei das erste Parallelschaltelement (114, 214) und/oder das zweite Parallelschaltelement (115, 215) ein Siliziumkarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, SiC-MOSFET, umfassen.Converter circuit according to one of the preceding claims, wherein the first parallel switching element (114, 214) and/or the second parallel switching element (115, 215) comprise a bipolar transistor with an insulated gate electrode, IGBT, or wherein the first parallel switching element (114, 214) and/or the second parallel switching element (115, 215) comprise a gate turn-off thyristor, GTO, or wherein the first parallel switching element (114, 214) and/or the second parallel switching element (115, 215) comprise a MOS-controlled thyristor, MCT, or wherein the first parallel switching element (114, 214) and/or the second parallel switching element (115, 215) comprise a silicon metal oxide semiconductor field effect transistor, Si-MOSFET, or wherein the first parallel switching element (114, 214) and/or the second parallel switching element (115, 215) comprises a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor, SiC-MOSFET. Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung nach Anspruch 4, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer positiven Halbwelle am Ausgangsanschluss (103) umfasst: a. Anschalten der ersten positiven Schaltgruppe (140) sowie des ersten Parallelschaltelements (114); b. Ausschalten des ersten Parallelschaltelements (114); c. Ausschalten eines der Schaltelemente (110, 111) der ersten positiven Schaltgruppe (140) d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements (110, 111) er ersten positiven Schaltgruppe (140), sowie Anschalten des ersten Parallelschaltelements (114).Method for controlling a converter circuit according to claim 4 , which comprises the following steps for providing a positive half-wave at the output terminal (103): a. Switching on the first positive switching group (140) and the first parallel switching element (114); b. Switching off the first parallel switching element (114); c. Switching off one of the switching elements (110, 111) of the first positive switching group (140); d. Switching on the switching element (110, 111) of the first positive switching group (140) switched off in step c, and switching on the first parallel switching element (114). Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung nach Anspruch 4, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer negativen Halbwelle am Ausgangsanschluss (103) umfasst: a. Anschalten der ersten negativen Schaltgruppe (141) sowie des zweiten Parallelschaltelements (115); b. Ausschalten des zweiten Parallelschaltelements (115); c. Ausschalten eines der Schaltelemente (112, 113) der ersten negativen Schaltgruppe (141); d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements (112, 113) der ersten negativen Schaltgruppe (141), sowie Anschalten des zweiten Parallelschaltelements (115).Method for controlling a converter circuit according to claim 4 , which comprises the following steps for providing a negative half-wave at the output terminal (103): a. Switching on the first negative switching group (141) and the second parallel switching element (115); b. Switching off the second parallel switching element (115); c. Switching off one of the switching elements (112, 113) of the first negative switching group (141); d. Switching on the switching element (112, 113) of the first negative switching group (141) switched off in step c, and switching on the second parallel switching element (115). Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung nach Anspruch 6, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer positiven Halbwelle am Ausgangsanschluss (203) umfasst: a. Anschalten der zweiten positiven Schaltgruppe (250), sowie des ersten Parallelschaltelements (214); b. Ausschalten des ersten Parallelschaltelements (214); c. Ausschalten eines der Schaltelemente (210, 211, 216) der zweiten positiven Schaltgruppe (250); d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelements (210, 211, 216) der zweiten positiven Schaltgruppe (250), sowie Anschalten des ersten Parallelschaltelements (214).Method for controlling a converter circuit according to claim 6 , which comprises the following steps for providing a positive half-wave at the output terminal (203): a. Switching on the second positive switching group (250), as well as the first parallel switching element (214); b. Switching off the first parallel switching element (214); c. Switching off one of the switching elements (210, 211, 216) of the second positive switching group (250); d. Switching on the switching element (210, 211, 216) of the second positive switching group (250) switched off in step c, as well as switching on the first parallel switching element (214). Verfahren zum Ansteuern einer Umrichterschaltung nach Anspruch 6, welches die folgenden Schritte zum Bereitstellen einer negativen Halbwelle am Ausgangsanschluss (203) umfasst: a. Anschalten der zweiten unteren Schaltgruppe (251), sowie des zweiten Parallelschaltelements (215); b. Ausschalten des zweiten Parallelschaltelements (215); c. Ausschalten eines der Schaltelemente (212, 213, 217) der zweiten negativen Schaltgruppe (251); d. Anschalten des in Schritt c ausgeschalteten Schaltelemente (212, 213, 217) der zweiten negativen Schaltgruppe (251), sowie Anschalten des zweiten Parallelschaltelements (215).Method for controlling a converter circuit according to claim 6 , which comprises the following steps for providing a negative half-wave at the output terminal (203): a. switching on the second lower switching group (251), as well as the second parallel switching element (215); b. switching off the second parallel switching element (215); c. Switching off one of the switching elements (212, 213, 217) of the second negative switching group (251); d. Switching on the switching element (212, 213, 217) of the second negative switching group (251) switched off in step c, and switching on the second parallel switching element (215).
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