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WO2016012465A1 - Schaltungsanordnung für einen npc mehrpunktwechselrichter mit entlastungsnetzwerk - Google Patents

Schaltungsanordnung für einen npc mehrpunktwechselrichter mit entlastungsnetzwerk Download PDF

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WO2016012465A1
WO2016012465A1 PCT/EP2015/066680 EP2015066680W WO2016012465A1 WO 2016012465 A1 WO2016012465 A1 WO 2016012465A1 EP 2015066680 W EP2015066680 W EP 2015066680W WO 2016012465 A1 WO2016012465 A1 WO 2016012465A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
capacitor
input
discharge
output terminal
circuit arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/066680
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andrzej Mondzik
Adam PENCZEK
Marek Rylko
Robert Stala
Milosz SZAREK
Slawomir Szot
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.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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
Priority claimed from DE102014110490.0A external-priority patent/DE102014110490B4/de
Application filed by SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of WO2016012465A1 publication Critical patent/WO2016012465A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
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    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for a multipoint inverter with a discharge network. More particularly, the invention relates to a circuit arrangement having the features of the preamble of independent claim 1.
  • a multipoint inverter is understood to mean in particular a three-phase inverter in which an output connection via which an output alternating current is output is alternately also connected to a neutral electrical potential in addition to a positive electrical potential and a negative electrical potential in order to form the alternating output current.
  • the multipoint inverter with the relief network can also be a five-point inverter or even a seven-point inverter.
  • NPC Neutral Point Clamped
  • a three-point inverter called NPC is available from Akira Nabae et al., A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, no. 5, September / October 1981, pages 518 to 523.
  • four power switches are connected in series between input terminals for a DC input voltage.
  • the center of this series connection leads to an output terminal, via which an output alternating current is output.
  • the intermediate points of the series connection on both sides of the center are each connected via reverse-biased diodes to a center tap of a DC input voltage applied to the input terminals.
  • the outer power switches connected at one end to the input terminals are connected at their other end directly to the output terminal, while the inner power switches are connected between the Center tap of the DC input voltage and the output terminal are connected in series or in parallel, that with one inner power switch, the current flow in one and with the other inner power switch, the current flow in the other direction between the center tap and the output terminal can be switched off.
  • a switching device which can be switched separately in both directions is realized between the center tap and the output terminal.
  • the schematic of a BSNPC inverter is basically the same as that described above for an N PC inverter.
  • ARCP Advanced Resonant Commutation Pole
  • a throttle between the center tap of the DC input voltage and the output terminal is connected in series with the two inner circuit breakers.
  • a current flowing through the throttle is detected. Only when a zero current is measured during this detection, the respectively clocked inner circuit breaker is opened. The occurrence of the zero current is ensured by a resonant circuit in which the inductor is arranged as a resonance inductance, and which extends over the center tap to link capacitors of an input side DC link of the ARCP inverter.
  • a parallel-connected capacitor is provided for switching relief.
  • the relief network is formed of at least one coil, two capacitors and a series circuit of four poled in the same direction diodes, of which the two outer diodes are each connected directly to the input terminals for the positive and negative pole of a DC input voltage.
  • the midpoint between the two inner diodes is connected on the one hand via the coil with a center tap of the DC input voltage and on the other hand with a central bridge branch of the three-phase inverter.
  • the two capacitors are each one on the other hand connected to an intermediate point between one of the inner and one of the outer diodes and on the other hand to the output terminal. Together with the coil, the capacitors each form a resonant circuit.
  • This resonant circuit is used to charge the respective capacitor to the DC input voltage when the outer circuit breaker opposite it is opened. When closing this external circuit breaker discharges the previously charged capacitor and thus takes over the current flowing through the circuit breaker current and thus provides a switching discharge for this circuit breaker. For complete discharge of the capacitor another, across the output terminal across the throttle formed resonant circuit is used.
  • the pulses of complementary clocking one of the outer circuit breakers with one of the inner circuit breakers may also be mutually exclusive overlap.
  • any current from the center tap to the output port forcibly flows through the throttle. Accordingly, this choke must be dimensioned for the maximum current of this current.
  • the multipoint inverter circuit arrangement has a positive pole input terminal and a negative input DC terminal input terminal, a DC center voltage center voltage tap center, an output terminal for output AC output, two outer power switches each having one connected to the two input terminals, two inner power switches, which are each connected on the one hand directly or via a diode to the center tap and on the other hand directly or via a diode to the output terminal, and a discharge network for the outer power switch on.
  • the relief network comprises at least one capacitor, wherein for each of the capacitors, a charging path between the output terminal and the center tap, in which the respective capacitor is connected in series with a throttle.
  • each of the input terminals also extends a discharge path for one of the capacitors, said discharge path branches from the output terminal seen behind the respective capacitor and before the throttle in a branch of the respective charging path and wherein between the branch and the input terminal a unidirectional Switching element is arranged in this discharge path and thus not in the Aufladepfad, which is aligned with respect to the pole of the input DC voltage at that of the input terminals to which the discharge path is connected in the reverse direction.
  • a switching device is connected in series with the capacitor and the choke, which is actively activatable for each forward direction of each of the unidirectional switching elements in all discharge paths connected to the respective charging path to temporarily allow a unidirectional current in one direction, which is the opposite of the respective forward direction seen from the output terminal.
  • a unidirectional current in the respective direction z. B. also be prevented to prevent unwanted charging of the capacitor, or also to limit a desired charging of the capacitor.
  • the inner circuit breakers are connected directly or via a diode to the center tap or the output terminal means that they are permanently electrically conductive with the center tap or the output terminal for each direct current or at least for a direct current of a predetermined by the forward direction of the respective diode direction are connected.
  • This does not exclude that in the respective compound additionally an inductive tives or resistive component is arranged. With the diode even more diodes of the same forward direction can be connected in parallel or in series.
  • a divided DC voltage intermediate circuit is usually arranged, whose center forms the center tap for the voltage center of the DC input voltage.
  • the divided DC voltage intermediate circuit can be composed of two or more capacitors.
  • circuit arrangement according to the invention can be arranged in each of the charging paths, a separate throttle from the output terminal on the one hand behind the branch of the discharge path and thus not in the discharge path and on the other hand before the connection of the inner circuit breaker with the center tap. None of these separate chokes in each of the charging paths will then be in communication between the inner power switches and the center tap, and none of the separate chokes must therefore carry the current flowing between the center tap and the output port via the inner power switches. Accordingly, it must be designed only for the current flowing through the charging path.
  • the throttle assigned to it separately has basically the same function as the one throttle of the circuit arrangement according to DE 10 2010 008 426 B4.
  • the separate throttle is not involved.
  • the discharge of the respective capacitor is neither via a resonant circuit in which the separate throttle is arranged, nor is a current from the capacitor to the center tap attenuated by the separate throttle. This must be taken into account in the pulsed control of the middle circuit breakers.
  • the actively controllable switching device present in each charging path can comprise for each forward direction of each of the unidirectional switching elements in all discharge paths connected to the respective charging path a further non-actively activatable unidirectional switching element, ie a diode, and an actively activatable switching element.
  • the non-actively controllable unidirectional switching element must not be at the same time in the associated discharge path. This also applies to a one-piece switching device, for example in the form of an actively controllable unidirectional switching element or more generally for the part of the actively controllable switching device, which dictates the unidirectionality of the unidirectional streams selectively permitted by it.
  • any other part of the actively activatable switching device can also be located where the charging path and the discharge path coincide.
  • the actively controllable switching element can also be arranged between the output terminal and the branch of the discharge path of the Aufladepfad. In that case, however, it must be a bidirectional switching element that is closed at the time of the switching discharge to be provided with the respective capacitor, as long as it also shuts off a current flow in the discharge direction of the capacitor in the opened state.
  • the actively controllable switching element means "bidirectional" that it allows a flow of current in both directions, but this can not necessarily switch off in both directions.
  • the actively controllable bidirectional switching element may be a transistor having an anti-parallel diode, whose forward direction is then oriented opposite to the forward direction of the diode, which forms the unidirectional switching element that can not be actively activated.
  • the antiparallel diode may, for example, be a body diode of the transistor.
  • the non-actively controllable unidirectional switching element and the actively controllable switching element of the switching device of the circuit arrangement according to the invention can be connected in series with the interposition of the capacitor and / or the throttle in the Aufladepfad. They can also be arranged on the same side of the condenser and / or the throttle.
  • each discharge path can be connected directly to the respective input connection.
  • Each charging path and thus also each discharge path is preferably connected directly to the output terminal in the circuit arrangement according to the invention in order to realize its charging and also its discharging for switching discharge independently of the switching position of the inner circuit breaker.
  • each charging path may be directly or through the connection of the inner power switches with the center tap to the center tap.
  • a common throttle for all charging paths in the connection of the inner circuit breaker may be arranged with the center tap.
  • an additional auxiliary choke may be provided in the connection of the inner circuit breaker to the center tap to attenuate currents which may flow from the respective capacitor serving for switching discharge but not fully discharged, when the inner circuit breaker clocked in complement to the switch-relieved outer circuit breaker is closed.
  • the auxiliary choke can be arranged not only in the region of the connection of the inner circuit breaker with the center tap, run on the all charging paths, but also outside this area.
  • auxiliary choke may also be arranged in the connection of the inner circuit breakers to the output terminal, then from the inner circuit breakers before the connection of the charging paths and discharge paths to the output terminal, or - in series with inner circuit breakers - between the inner circuit breakers.
  • the inductance of each separate inductor in each charging path can also be at least twice, five times or ten times as large as an inductance of this auxiliary inductor.
  • the auxiliary throttle can be designed as an air throttle.
  • the relief network has two capacitors, each one of the associated external circuit breaker and for each of which a charging path and a discharge path are available.
  • the on-direction of the one switching element in the discharge path and the direction of the unidirectional current through the switching device in the charging path for each capacitor are opposite to each other from the output exclusion.
  • the unidirectional switching elements are reverse-biased with respect to the input voltage pole at that of the input terminals to which the discharge path is connected.
  • the unidirectional switching elements of the circuit arrangement according to the invention thus largely correspond to the outer diodes of the known from DE 10 2010 08 426 B4 circuit arrangement, while the local inner diodes are replaced in the circuit arrangement according to the invention by actively controllable switching devices to parts also elsewhere in the respective Charging path can be arranged.
  • the discharge path branches off behind the respective condenser and upstream of the throttle in a diverting from the charging path for the respective condenser, viewed from the output terminal, and wherein between the branch and the input terminal, another unidirectional switching element is arranged in the discharge path, which is in the reverse direction with respect to the pole of the input DC voltage at that of the input terminals to which the discharge path is connected,
  • the unidirectional switching element in each of the charging paths has a forward direction opposite to the forward direction of the further unidirectional switching element in the discharge path connected to the respective charging path from the output terminal, and
  • the relieving network has a capacitor for which a bidirectional charging path is present from which discharge paths branch off to both input terminals.
  • the switching device in the bidirectional charging path is actively controllable to temporarily allow a unidirectional current in one or the other direction.
  • a center tap for a voltage center of the DC input voltage, an output terminal for outputting an AC output current
  • two external circuit breakers one connected to one of the two input terminals
  • two inner circuit breakers each of which on the one hand directly or via a diode with the middle labgriff and on the other hand are connected directly or via a diode to the output terminal
  • a discharge circuit for the external circuit breakers comprising a capacitor
  • the switching means has two passage directions and is actively drivable in each of the two passage directions to temporarily allow a unidirectional flow in the respective passage direction, and wherein a discharge path for the condenser runs between the output port and each of the input ports;
  • discharge path branches off behind the condenser and upstream of the throttle in a branch from the bidirectional charging path, viewed from the output terminal, and
  • a unidirectional switching element is arranged in the discharge path, which is aligned in the reverse direction with respect to the pole of the input DC voltage at that of the input terminals to which the discharge path is connected
  • the switching device can have two actively activatable switching elements which are each arranged in one of two unidirectionally current-carrying antiparallel partial paths of the charging path.
  • the directions of the unidirectional current flow through the sub-paths can each be predetermined by a non-actively controllable unidirectional switching element.
  • the two partial paths of the bidirectional charging path can intersect.
  • the non-actively controllable unidirectional switching element in one and the actively activatable switching element in the other sub-path as well as after the crossing the actively controllable switching element in the to arrange one and the unidirectional switching element which can not be actively activated in the other partial path.
  • This corresponds to a series connection of two actively activatable switching elements with antiparallel diodes, such as, for example, MOSFETs with body diodes, the diodes of the diodes facing away from one another as seen from the output terminal.
  • the circuit arrangement according to the invention can be applied to a multiplicity of three-point and multipoint inverters. These include N PC Inverters, BSNPC Inverters, ARCP and S3L Inverters.
  • a control is provided for timing the circuit breaker and also each actively controllable switching device of the circuit arrangement according to the invention.
  • This control may drive the switching means in the charging path from which the discharge path leads to the one input terminal within a period of time over which it shuts the outer power switch in pulses connected to the other input terminal.
  • the controller controls the switching means in the period so as to allow a unidirectional current in the opposite direction to the forward direction of the unidirectional switching element in the discharge path leading to the one input terminal.
  • the capacitor which is provided for the charging path, as a switching relief.
  • the control of the circuit arrangement according to the invention controls the actively controllable switching device only within a sub-period of the period over which it clocks the respective outer circuit breaker, ie in pulses closes.
  • This partial period is characterized in that an amount of an instantaneous value of the output alternating current output via the output connection complies with a lower limit value and that the instantaneous value of the output alternating current and an instantaneous value of the output alternating voltage have the same sign.
  • the limit value is to be dimensioned such that the condenser serving for switching discharge is discharged at least substantially completely at each discharge process, and within a short time. This time must as Dead time between the pulses remain in which the outer circuit breaker and the complementary clocked inner circuit breaker are closed.
  • the control of the circuit arrangement according to the invention can control the actively controllable switching device not only once per half cycle of the output AC output current, but also in pulses having the same frequency as the pulses in which it closes the respective circuit breaker. These pulses are preferably completely within the pulses in which the controller closes the outer circuit breaker. Ideally, the pulses for which the actively actuable switching device is driven are synchronized with the pulses in which the control closes the outer circuit breaker. The width of these pulses, for which the actively controllable switching device is activated, can also be used to influence the degree of charging of the switch which relieves the load on the external circuit breaker. The width of the pulses, for which the actively controllable switching device is driven, but can also be constant.
  • a circuit arrangement for a multiphase multipoint inverter has for each phase an output terminal, two external power switches, one of which is connected to one of the two input terminals, two internal circuit breakers and a discharge network for the outer circuit breakers with at least one capacitor and a charging path for each of the capacitors.
  • the charging paths for all capacitors which are provided for switching discharge for those of the circuit breakers, which are connected to the same of the two input terminals, each lead via a common throttle, or even lead all charging paths via a single common throttle, directly to the center tap connected is.
  • the multiphase multipoint inverter has only one or two reactors shared by all relief networks of the different phases.
  • the common throttle over which the charging paths lead, but can also be provided as an auxiliary throttle, d. H. in addition to separate chokes in all the individual charging paths or to two common chokes of all the charging paths for each of the capacitors provided for switching discharge for those of the circuit breakers connected to the same of the two input terminals.
  • Another circuit arrangement for a multiphase multipoint inverter has for each phase an output terminal, two external circuit breakers, each of which is connected to one of the two input terminals, and two inner power switches and a discharge circuit for the outer power switch with a capacitor and a bidirectional charging path for the capacitor.
  • the outer and the inner circuit breakers are connected in the manner of a BSNPC inverter, wherein the inner circuit breakers comprise a series circuit of two actively activatable switching elements, each of which a non-actively controllable unidirectional switching element is connected in anti-parallel.
  • the switching device in each Aufladepfad comprises a series circuit of two active controllable switching elements, each of which a non-actively controllable unidirectional switching element is connected in anti-parallel.
  • each bidirectional charging path of the discharge network runs for one phase via one of the two actively activatable switching elements of the inner circuit breaker another phase to the center tap, this actively controllable switching element is also one of the actively controllable switching elements of the switching device.
  • each bidirectional charging path has only one additional actively activatable switching element with antiparallel-switched non-actively activatable unidirectional switching element, and it uses an actively controllable switching element with antiparallel switched non-actively controllable unidirectional switching element of the inner circuit breaker another phase.
  • This is possible at least in those timing methods in which the inner power switches of the other phases are inactive in each case when the actively activatable switching elements are to be actuated in the bidirectional charging path of the relief network for the one phase.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to the invention in a first embodiment based on a BSNPC inverter.
  • FIG. 2 illustrates the driving of actively activatable unidirectional switching elements of the circuit arrangement according to FIG. 1 in an embodiment with a phase angle of zero between the output AC output voltage and the output AC voltage.
  • FIG. 3 illustrates the activation of the actively activatable unidirectional switching elements of the circuit arrangement according to FIG. 1 in an embodiment with an alternating output voltage lagging the AC output voltage.
  • 4 shows the circuit arrangement according to the invention in a second embodiment based on an N PC inverter.
  • 5 shows the circuit arrangement according to the invention in a further embodiment based on a BSNPC inverter.
  • Fig. 6 shows the circuit arrangement according to the invention in still another
  • Embodiment based on a BSNPC inverter Embodiment based on a BSNPC inverter.
  • Fig. 7 shows the circuit arrangement according to the invention in yet another embodiment based on a three-phase BSNPC inverter.
  • FIG. 8 shows the circuit arrangement according to the invention in yet a further embodiment, likewise based on a three-phase BSNPC inverter.
  • FIG 9 shows the circuit arrangement according to the invention in yet a further embodiment, based on a 3-phase BSNPC inverter.
  • Fig. 10 shows the circuit arrangement according to the invention in a further embodiment, based on a single-phase BSNPC inverter, wherein a discharge network has only one capacitor.
  • FIG. 11 shows the circuit arrangement according to the invention in an embodiment modified from FIG. 10, likewise based on a single-phase BSNPC inverter.
  • FIG. 12 shows the circuit arrangement according to the invention in a further embodiment, based on a single-phase N PC inverter, wherein a relieving network also has only one capacitor here.
  • FIG. 13 shows the circuit arrangement according to the invention in a further embodiment, based on a three-phase BSNPC inverter, wherein each one of the three phases provided relief network has only one capacitor.
  • FIG. 14 shows the circuit arrangement according to the invention in a modification with respect to FIG. 13 with only one throttle for all three discharge networks.
  • Fig. 16 shows the circuit arrangement according to the invention in a modification with respect to the embodiment of FIG. 15 with only a single throttle for all three phases.
  • FIG. 17 shows the circuit arrangement according to the invention in yet another embodiment, based on a three-phase BSNPC inverter with only one capacitor per discharge network for one of the three phases and a reduced total number of switching elements to be actively controlled;
  • Fig. 18 shows the circuit arrangement according to the invention in yet another embodiment, based on a three-phase BSNPC inverter with only one capacitor per discharge network for each one of the three phases with analogous to Fig. 17 reduced total number of actively to be controlled switching elements and only a single throttle for all three phases.
  • the circuit arrangement 1 shown in FIG. 1 is based on a BSNPC inverter. It has two input terminals 1 1 and 21 for a positive and a negative pole of a DC input voltage u in .
  • the DC input voltage u in is applied via a DC voltage intermediate circuit 2 with two DC link capacitors 12 and 22 and a center tap 3.
  • Between the circuit breakers 13 and 23 is an output terminal 4, via which an output alternating current i load is output.
  • the output terminal 4 is connected to the center tap 3 via series-connected internal power switches 14 and 24.
  • the power switches 13, 14, 23 and 24 are each formed here as IGBTs with antiparallel diodes 5.
  • the anti-parallel diodes 5 of the outer power switches 13 and 23 are the input DC voltage u aligned in the reverse direction with respect to.
  • the anti-parallel diodes 5 of the inner power switches 14 and 24 have mutually opposing reverse directions.
  • the power switches 13, 14, 23 and 24 are driven in the circuit 1 as well as in a conventional BSNPC inverter.
  • a relief network 6 is provided, the two capacitors 15 and 25, two throttles 16 and 26, two switching devices 17, 27 and two unidirectional switching elements 18, 28 has.
  • one of the capacitors 15 and 25 is connected in series with one of the reactors 16 and 26 and one of the switching devices 17 and 27 in a charging path 19 or 29.
  • This Aufladepfad 19 and 29 is connected to a capacitor end with the output terminal 4 and a throttle end with a connection 38 between the middle labgriff 3 and the series circuit of the inner circuit breaker 14 and 24 connected. From each of the charging paths 19 and 29 branches off between the respective capacitor 15 and 25 and the respective throttle 16 and 26, a discharge path 20 and 30 in a branch 35 from. From the output terminal 4 to the branches 35, the discharge paths 20 and 30 are identical to the charging paths 19 and 29. Beyond the branches 35, the discharge paths 20 and 30 are connected to the input terminals 21 and 11, respectively, via the unidirectional switching elements 18 and 28. The unidirectional switching elements 18 and 28 are here not actively controllable switching elements, specifically to diodes 7.
  • the switching devices 17 and 27 are actively controlled and formed here of series circuits of body diodes 8 having MOSFETs 9 with diodes 10 having a direction of a current pretend that can flow when driving the switching devices 17, 27. Seen from the output terminal 4 via the charging paths 19 and 29 and the discharge paths 20 and 30, the forward directions of the diodes 7 and 10 are opposite to each other. Between the input terminals 1 1 and 21, all diodes 7 and 10 are connected in series, with their center here on the connection 38 falls and their intermediate points on each side of the center on the branches 35 and wherein all diodes 7 and 10 with respect to the input DC voltage u in are aligned in the reverse direction.
  • the capacitor 15 is provided for switching discharge of the outer circuit breaker 13 and the capacitor 25 for switching discharge of the outer circuit breaker 23.
  • the charging and discharging of the capacitor 15 will be described as an example.
  • the charging and discharging of the capacitor 25 takes place accordingly.
  • the capacitor 15 with the inductor 16 forms a series resonant circuit in which the current flowing through the charging path 19 until charging the capacitor 15 to u 2 during a first quarter of a resonant period also energizes the inductor 16, which then energizes it during a second Quarter of the resonance period of the series resonant circuit with further charging of the capacitor 15 to u in again gives.
  • the resonant oscillation is subsequently terminated by the diode 10 in the series resonant circuit, so that the capacitor 15 can not discharge under renewed energization of the inductor 16. The discharge of the capacitor 15 takes place rather then, when the power switch 13 is opened, so that the current / '13 can no longer flow.
  • the capacitor 15 By the capacitor 15 through its discharge the output AC / '
  • This voltage y i3 is the sum of the DC input voltage u in and the voltage Ui 5 dropping across the capacitor 15. Since the capacitor 15 has been charged to u in , the voltage y i3 across the power switch 13 is therefore initially zero and does not rise until the voltage ui 5 of the capacitor 15 drops below u in . In this way, a switching discharge is realized by de-energized switching of the circuit breaker 13.
  • the actively controllable switching device 27 is driven accordingly.
  • the respective other actively activatable switching device 27 or 17 ie by keeping open the respective MOSFET 9, so that even in the forward direction of the respective diode 10 no current can flow, it is ensured during the part-time periods 31 and 32 that the previously charged capacitor 15 or 25 when opening the respective circuit breaker to be relieved 13 and 23 is not partially discharged via the other capacitor 25 and 15 respectively.
  • Such an undesirably charged capacitor 25 or 15 would be as short circuited during the subsequent driving of the complementary to the outer circuit breaker 13 or 23 clocked inner circuit breaker 24 , thereby as in the case of discharge not yet completely discharged capacitor 15 and 25.
  • FIG. 3 illustrates that at one of the alternating output voltage u out, the trailing alternating current / '
  • FIG. 3 shows that it is also possible not to permanently actuate the switching devices 17 and 27 for the entire subregions 31 and 32, but only for pulses which are synchronized with the pulses for which the respective external power switches 13 and 23 when the bar is closed.
  • the Pulse, with which the switching means 17 and 27 are driven at least as long as half the resonance period of the series resonant circuit of the capacitor 15 and 25 and the throttle 16 and 26 by shorter pulses than half the resonance period of the series resonant circuit, the charging of the respective Capacitors 15 and 25 are also limited to less than Uin to its discharge even at low output AC / '
  • the actual output AC voltage Uout that is actually output is not shown, which is a pulse-width-modulated square-wave signal. Rather, it is the desired output AC voltage u out , ie a specification for the pulse width modulation in the control of the outer power switches 13 and 23, which is in phase with the fundamental wave of the voltage at the output terminal 4.
  • Fig. 4 shows a circuit arrangement according to the invention, which starts from an NPC inverter, in which the outer power switches 13 and 23 and the inner power switches 14 and 24 are connected in series, wherein the center of the series circuit forms the output terminal 4.
  • diodes 34 which are U aligned with respect to the input DC voltage in reverse direction to the center tap 3.
  • these diodes 34 are also the inner breaker 14 and 24 on the one hand connected to the center tap 3, while on the other hand are connected directly to the output terminal 4.
  • the relief network 6 is here basically designed in the same way as in FIG. 1, even if the actively activatable switching devices 17 and 27 are shown here only schematically.
  • auxiliary throttle 39 is provided in the connection 38 between the inner circuit breakers 14 and 24 and the center tap 3.
  • the auxiliary choke 39 may also be provided between the inner circuit breakers 14 and 24 or between the inner circuit breakers 14 and 24 and the output terminal 4, but then from the inner circuit breakers 14 and 24 seen before the common connection of the charging paths 19, 29 and discharge paths 20, 30 to the output terminal 4.
  • the auxiliary inductor 39 is so small that they even if they are in the series resonant circuit with the respective capacitor 15 or 25 and the respective Throttle 16 or 26 is located, whose resonance inductance does not significantly affect.
  • the embodiment of the circuit arrangement 1 according to the invention shown in Fig. 6 differs from that according to FIG.
  • FIG. 7 illustrates a circuit arrangement 1 according to the invention for a three-phase BSNPC inverter, the structure of each phase corresponding to FIG.
  • the actively activatable switching devices 17 and 27 are only shown schematically here. They can also be realized differently than shown in FIG. 1, as is also the case for all other embodiments of the circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement according to FIG. 7 has three output connections 4, at which it outputs one phase each of the three-phase output alternating current.
  • 8 illustrates a circuit arrangement 1 according to the invention for a further three-phase BSNPC inverter, the structure corresponding to FIG. 7, except that all charging paths 19 lead via a common throttle 16 and lead all charging paths 29 via a common throttle 26.
  • the chokes 16 and 26 are shared by the relief networks 6 for all three phases. If only one of the actively activatable switching devices 17, 27 in the charging path 19, 29 is closed at all times, there is nevertheless no mutual interference in the resonant charging of the individual capacitors 15 and 25.
  • FIG. 9 illustrates a circuit arrangement 1 according to the invention for a further three-phase BSNPC inverter, the structure corresponding to FIG. 7, except that all the charging paths 19, 29 lead via a common choke 16.
  • the throttle 16 is arranged here in the connections 38 between the middle labgriff 3 and the respective inner circuit breakers 14 and 24 for the individual phases. This location of the throttle 16 basically corresponds to that of a throttle in the case of the circuit arrangement known from DE 10 2010 008 426 B4. Notwithstanding DE 10 2010 008 426 B4, however, an actively controllable switching device 17 or 27 is arranged in the inventive circuit arrangement 1 in each of the charging paths 19 and 29 in order to selectively activate the charging paths unidirectionally, and in the embodiment shown here only the one Throttle 16 for all three phases available.
  • FIG. 10 shows an embodiment of the circuit arrangement 1 according to the invention based on a single-phase BSNPC inverter, in which the relief network 6 has only a single capacitor 45, which is charged via a bidirectional charging path 49 with different polarity and of which in the junction 35 the two Discharge paths 20 and 30 to the two input terminals 1 1 and 21 branch off.
  • a throttle 46 which is located between the branch 35 and the center tap 3, and an actively controllable switching device 41 is provided, which is connected in series with the throttle 46.
  • the switching device 41 is actively controllable to selectively pass either a current with opposite direction with respect to the forward direction of the diode 7 in the discharge path 20 or a current with opposite direction with respect to the forward direction of the diode 7 in the discharge path 30, through which Capacitor 45 is charged with one or the other polarity. It includes the Partial paths of the bidirectional charging path 49 for the two unidirectional currents of opposite direction each extend through an actively controllable switching element 50 of the one and the body diode 8 of the other MOSFETs 9, the direction of the electricity. A resulting from the series connection of the MOSFETs cross-connection between the actively controllable switching elements 50 and the body diodes 8 is the function of the switching device 41 to allow unidirectional current in only one direction, not contrary.
  • the sequence of the throttle 46 is interchanged with the switching device 41 between the branch 35 and the center tap 3, which is not decisive for the function of the circuit arrangement 1. It is also not decisive for the function that in FIG. 10 the two charging paths 19 and 29 separated in FIG. 1 are combined to form the bidirectional charging path 49, in which only one capacitor 45, a throttle 46 and a combined switching device 41 are arranged are. The two capacitors 15 and 25 of FIG. 1 are never used simultaneously for switching discharge. This finding is used in accordance with FIG.
  • FIG. 11 shows a modification of the circuit arrangement 1 according to FIG. 10, in which the switching device 41 is formed by two antiparallel-connected thyristors 37. When each one of the two thyristors is driven, the switching device 41 allows a unidirectional current in the forward direction of the controlled thyristor through the charging path 49.
  • the basic function of the circuit arrangement 1 according to FIG. 11 is the same as that of the embodiment of the circuit arrangement 1 according to FIG. 10.
  • the embodiment of the circuit arrangement 1 according to FIG. 12 is based on a single-phase N PC inverter. Otherwise, it is constructed analogously to FIG. 10.
  • the throttles 16 and 26 are combined to form the throttle 46
  • the switching devices 17 and 27 are connected to the switching device 41
  • the capacitors 15 and 25 are combined to form the capacitor 45 which is used alternately for switching the external power switches 13 and 13 23 serves.
  • the throttle 46 lying in FIGS. 10 to 12 in each case only in the bidirectional charging path 49 and not in the connection 38 of the center tap 3 with the internal power switches 14 and 24 can be combined with an auxiliary throttle 39 arranged in this connection 38, as shown in FIG or a throttle 46 may be displaced into this connection 38 as in an S3L inverter (see Fig. 16, bottom).
  • Fig. 13 shows a circuit arrangement according to the invention based on a three-phase BSNPC inverter.
  • a relief network 6 according to FIG. 10 is provided for each of the three phases in addition to the external circuit breakers 13 and 23 and the internal circuit breakers 14 and 24.
  • the circuit arrangement 1 according to FIG. 14 is likewise based on a three-phase BSNPC inverter, wherein each phase, including the relief network 6, is fundamentally constructed as in FIG. 1 1.
  • the sequence of the choke 46 and the active is controllable switching device 41 in the form of anti-parallel thyristors 37 between the respective junction 35 and the middle labgriff 3 reversed.
  • only a single common throttle 46 is provided for all three relief networks 6, but not in the connections 38 of the center tap 3 with the inner circuit breakers 14 and 24, but only in the branching therefrom bidirectional Aufladepfaden 49th
  • the circuit arrangement 1 according to FIG. 15 is likewise based on a three-phase BSNPC inverter.
  • the discharge networks 6 for the individual phases are basically the same as in FIG. 10, except that the order of the respective throttle 46 and the actively activatable switching device 41 is reversed and the throttle 46 in the respective connection 38 of the center tap 3 with the inner circuit breakers 14, 24 lies.
  • the chokes 46 of the three discharge networks 6 for all three phases are compared with FIG. 15 by a single common choke 46 between the center tap 3 and the branching of the connections 38 to the internal circuit breakers 14, 24 of the individual phases replaced.
  • the use of only one common throttle 46 in the circuit arrangements 1 according to FIGS. 14 and 16 is possible because this throttle 46 is needed at any time only for the resonant charging of one of the capacitors 45.
  • the circuit arrangement 1 according to FIG. 17 is to be regarded as a variant of the circuit arrangement 1 according to FIG. 13.
  • one of the two series-connected MOSFETs 9 of the actively activatable switching device 41 is formed in each bidirectional charging path 49 of the discharge network 6 for one phase by one of the two MOSFETs 9, which together form the inner power switches 14 and 24 of a different phase.
  • the MOSFET 9, which forms the actively controllable switching element 50 of one of the inner circuit breaker 24 of a different phase as a second MOSFET 9 in the bidirectional charging path 49 of the discharge network 6 for the one phase.

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Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) für einen Mehrpunktwechselrichter weist einen Eingangsanschluss (11) für einen positiven Pol und einen Eingangsanschluss (21) für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung (U in), einen Mittelabgriff (3) für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung (U in), einen Ausgangsanschluss (4) zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms (iload), zwei äußere Leistungsschalter (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (11, 21 ) verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter (14, 24), die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Mittelabgriff (3) und andererseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Ausgangsanschluss (4) verbunden sind, und ein Entlastungsnetzwerk (6) auf. Das Entlastungsnetzwerk (6) umfasst mindestens einen Kondensator (15, 25), wobei für jeden der Kondensatoren (15, 25) des Entlastungsnetzwerks (6) ein Aufladepfad (19, 29) zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und dem Mittelabgriff (3) verläuft, in dem der jeweilige Kondensator (15, 25) mit einer Drossel (16, 26) in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und jedem der Eingangsanschlüsse (11, 21) verläuft ein Entladepfad (20, 30) für einen der Kondensatoren (15, 25), wobei der Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator (15, 25) und vor der Drossel (16, 26) in einer Abzweigung (35) von dem jeweiligen Aufladepfad (19, 29) abzweigt und wobei zwischen der Abzweigung (35) und dem Eingangsanschluss (21, 11) ein unidirektionales Schaltelement (18, 28) in dem Entladepfad (20, 30) angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung (U in) an demjenigen der Eingangsanschlüsse (11, 21), mit dem der Entladepfad (20, 30) verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet ist. In jedem der Aufladepfade (19, 29) ist eine Schalteinrichtung (17, 27) mit dem Kondensator (15, 25) und der Drossel (16, 26,) in Reihe geschaltet, die für jede Durchlassrichtung jedes der unidirektionalen Schaltelemente (18, 19) in allen an den jeweiligen Aufladepfad (19, 29, 49) angeschlossenen Entladepfaden (20, 30) aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in einer Richtung zuzulassen, die der jeweiligen Durchlassrichtung von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen entgegengesetzt ist.

Description

SCHALTUNGSANORDNUNG FÜR EINEN NPC MEHRPUNKTWECHSELRICHTER MIT
ENTLASTUNGSNETZWERK
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit einem Entlastungsnetzwerk. Genauer bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Unter einem Mehrpunktwechselrichter wird hier insbesondere ein Dreipunktwechselrichter verstanden, bei dem ein Ausgangsanschluss, über den ein Ausgangswechselstrom ausgegeben wird, neben einem positiven elektrischen Potential und einem negativen elektrischen Potential wechselweise auch mit einem neutralen elektrischen Potential verbunden wird, um den Ausgangswechselstrom zu formen. Bei dem Mehrpunktwechselrichter mit dem Entlastungsnetzwerk kann es sich auch um einen Fünfpunktwechselrichter oder gar einen Siebenpunktwechselrichter handeln.
STAND DER TECHNIK
Ein als NPC (Neutral Point Clamped) bezeichneter Dreipunktwechselrichter ist aus Akira Nabae et al., A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, No. 5, September/October 1981 , Seiten 518 bis 523 bekannt. Hier sind zwischen Eingangsanschlüsse für eine Eingangsgleichspannung vier Leistungsschalter in Reihe geschaltet. Der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung führt zu einem Ausgangsanschluss, über den ein Ausgangswechselstrom ausgegeben wird. Die Zwischenpunkte der Reihenschaltung auf beiden Seiten des Mittelpunkts sind jeweils über in Sperrrichtung ausgerichtete Dioden mit einem Mittelabgriff einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsgleichspannung verbunden. Zur Formung eines an dem Ausgangsanschluss ausgegebenen Ausgangswechselstroms wird während jeder Halbwelle einer an dem Ausgangsanschluss anliegenden Ausgangswechselspannung einer der an einen der Eingangsanschlüsse angeschlossenen äußeren Schalter der Reihenschaltung komplementär zu dem auf der anderen Seite des Ausgangs- anschlusses liegenden inneren Leistungsschalter getaktet. Der auf derselben Seite des Ausgangsanschlusses liegende innere Schalter ist dabei dauerhaft geschlossen und der auf der anderen Seite des Ausgangsanschlusses liegende äußere Schalter dauerhaft geöffnet. Es sind verschiedene Varianten des NPC Dreipunktwechselrichters entwickelt worden. Hierzu zählt der sogenannte BSNPC (Bidirectional Switch Neutral Point Clamped)-Wechselrichter, siehe A. Nabae et al.: A New Neutral-Point Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 1A-17, No. 5, Septem ber/October 1981 , Fig. 10. Bei dem BSNPC- Wechselrichter sind die äußeren Leistungsschalter, die mit ihrem einen Ende mit den Eingangsanschlüssen verbunden sind, mit ihrem anderen Ende direkt auch mit dem Ausgangsanschluss verbunden, während die inneren Leistungsschalter zwischen dem Mittelabgriff der Eingangsgleichspannung und dem Ausgangsanschluss so in Reihe oder parallel geschaltet sind, dass mit dem einen inneren Leistungsschalter der Stromfluss in der einen und mit dem anderen inneren Leistungsschalter der Stromfluss in der anderen Richtung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss abgeschaltet werden kann. So wird eine in beiden Richtungen separat schaltbare Schaltungsvorrichtung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss realisiert. Das Schaltschema bei einem BSNPC-Wechselrichter entspricht grundsätzlich demjenigen, das oben für einen N PC-Wechselrichter beschrieben wurde.
Eine als ARCP (Auxiliary Resonant Commutation Pole)-Wechselrichter bekannte Variante des BSNPC-Wechselrichters ist aus der US 2004/0246756 A1 bekannt. Hier ist mit den beiden inneren Leistungsschaltern eine Drossel zwischen dem Mittelabgriff der Eingangsgleichspannung und dem Ausgangsanschluss in Reihe geschaltet. Zudem wird ein durch die Drossel fließender Strom erfasst. Erst wenn bei dieser Erfassung ein Nullstrom gemessen wird, wird der jeweils getaktete innere Leistungsschalter geöffnet. Das Auftreten des Nullstroms wird durch einen Resonanzkreis sichergestellt, in dem die Drossel als Resonanzinduktivität angeordnet ist, und der sich über den Mittelabgriff zu Zwischenkreiskondensatoren eines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises des ARCP-Wechselrichters erstreckt. Für die äußeren Leistungsschalter des bekannten ARCP-Wechselrichters ist zur Schaltentlastung jeweils ein parallel geschalteter Kondensator vorgesehen.
Aus der DE 10 2010 008 426 B4 ist eine Schaltungsanordnung für einen Dreipunktwechselrichter mit einem Entlastungsnetzwerk bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Das Entlastungsnetzwerk ist aus wenigstens einer Spule, zwei Kondensatoren und einer Reihenschaltung aus vier in gleicher Richtung gepolten Dioden gebildet, von denen die beiden äußeren Dioden jeweils direkt mit den Eingangsanschlüssen für den positiven und den negativen Pol einer Eingangsgleichspannung verbunden sind. Der Mittelpunkt zwischen den beiden inneren Dioden ist einerseits über die Spule mit einem Mittelabgriff der Eingangsgleichspannung und andererseits mit einem mittleren Brückenzweig des Dreipunktwechselrichters verbunden. Die beiden Kondensatoren sind jeweils einer- seits mit einem Zwischenpunkt zwischen einer der inneren und einer der äußeren Dioden und andererseits mit dem Ausgangsanschluss verbunden. Zusammen mit der Spule bilden die Kondensatoren jeweils einen Resonanzkreis aus. Dieser Resonanzkreis wird zum Laden des jeweiligen Kondensators auf die Eingangsgleichspannung genutzt, wenn der ihm gegenüber- liegende äußere Leistungsschalter geöffnet ist. Beim Schließen dieses äußeren Leistungsschalters entlädt sich der zuvor geladene Kondensator und übernimmt damit den bis dahin durch den Leistungsschalter fließenden Strom und stellt so eine Schaltentlastung für diesen Leistungsschalter bereit. Zur vollständigen Entladung des Kondensators wird ein anderer, über den Ausgangsanschluss hinweg mit der Drossel gebildeter Resonanzkreis genutzt. Bei diesem bekannten, auch als S3L (Soft Switching Three Level)-Wechselrichter bezeichneten Mehrpunktwechselrichter können die Pulse beim komplementären Takten eines der äußeren Leistungsschalter mit einem der inneren Leistungsschalter anders als bei anderen NPC-Wechselrichtern, die eine Totzeit zwischen diesen Pulsen erfordern, einander auch überlappen. Allerdings fließt jeder Strom von dem Mittelabgriff zu dem Ausgangsanschluss zwangsweise durch die Drossel. Entsprechend muss diese Drossel für die maximale Stromstärke dieses Stroms dimensioniert sein.
Ein solches Entlastungsnetzwerk in Verbindung mit einer Halbbrückenschaltung für Wechselrichter ist auch aus der DE 42 19 644 A1 bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter mit Entlastungsnetzwerk aufzuzeigen, der zusätzliche Funktionalitäten aufweist, durch die er z. B. zur besonders kostengünstigen Ausbildung eines mehrphasigen Mehrpunktwechselrichters geeignet ist.
LÖSUNG Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter weist einen Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einen Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung, einen Mittelabgriff für einen Spannungsmittelpunkt der Ein- gangsgleichspannung, einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms, zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter, die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode mit dem Mittelabgriff und andererseits direkt oder über eine Diode mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind, und ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungs- Schalter auf. Das Entlastungsnetzwerk umfasst mindestens einen Kondensator, wobei für jeden der Kondensatoren ein Aufladepfad zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Mittelabgriff verläuft, in dem der jeweilige Kondensator mit einer Drossel in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Ausgangsanschluss und jedem der Eingangsanschlüsse verläuft zudem ein Entladepfad für einen der Kondensatoren, wobei dieser Entladepfad von dem Ausgangsanschluss aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator und vor der Drossel in einer Abzweigung von dem jeweiligen Aufladepfad abzweigt und wobei zwischen der Abzweigung und dem Eingangsanschluss ein unidirektionales Schaltelement in diesem Entladepfad und damit nicht in dem Aufladepfad angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung an demjenigen der Eingangsanschlüsse, mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Sperrrichtung aus- gerichtet ist. Weiterhin ist in jedem der Aufladepfade eine Schalteinrichtung mit dem Kondensator und der Drossel in Reihe geschaltet, die für jede Durchlassrichtung jedes der unidirektio- nalen Schaltelemente in allen an den jeweiligen Aufladepfad angeschlossenen Entladepfaden aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in einer Richtung zuzulassen, die der jeweiligen Durchlassrichtung von dem Ausgangsanschluss aus gesehen ent- gegengesetzt ist. Mit Hilfe dieser aktiven Ansteuerbarkeit kann ein unidirektionaler Strom in der jeweiligen Richtung z. B. auch verhindert werden, um ein unerwünschtes Aufladen des Kondensators zu unterbinden, oder auch, um ein gewünschtes Aufladen des Kondensators zu begrenzen.
Dass die inneren Leistungsschalter direkt oder über eine Diode mit dem Mittelabgriff bzw. dem Ausgangsanschluss verbunden sind, bedeutet, dass sie für jeden Gleichstrom oder zumindest für einen Gleichstrom einer durch die Durchlassrichtung der jeweiligen Diode vorgegebenen Richtung permanent elektrisch leitend mit dem Mittelabgriff bzw. dem Ausgangsanschluss verbunden sind. Dies schließt nicht aus, dass in der jeweiligen Verbindung zusätzlich ein induk- tives oder resistives Bauteil angeordnet ist. Mit der Diode können auch noch weitere Dioden gleicher Durchlassrichtung parallel oder in Reihe geschaltet sein.
Zwischen den Eingangsanschlüssen für die Eingangsgleichspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in der Regel einen geteilter Gleichspannungszwischenkreis ange- ordnet sein, dessen Mittelpunkt den Mittelabgriff für den Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung bildet. Der geteilte Gleichspannungszwischenkreis kann aus zwei oder mehr Kondensatoren aufgebaut sein.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann in jedem der Aufladepfade eine separate Drossel von dem Ausgangsanschluss aus gesehen einerseits hinter der Abzweigung des Entladepfads und damit nicht in dem Entladepfad und andererseits vor der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff angeordnet sein. Keine dieser separaten Drosseln in jedem der Aufladepfade liegt dann in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff, und keine der separaten Drosseln muss daher den zwischen dem Mittelabgriff und dem Ausgangsanschluss über die inneren Leistungsschalter fließenden Strom führen. Entsprechend muss sie nur für den über den Aufladepfad fließenden Strom ausgelegt werden.
Beim Aufladen des jeweiligen Kondensators hat die ihm separat zugeordnete Drossel grundsätzlich dieselbe Funktion wie die eine Drossel der Schaltungsanordnung gemäß der DE 10 2010 008 426 B4. Am Entladen des jeweiligen Kondensators bei der Schaltentlastung ist die separate Drossel jedoch nicht beteiligt. Die Entladung des jeweiligen Kondensators erfolgt weder über einen Resonanzkreis, in dem die separate Drossel angeordnet ist, noch wird ein Strom von dem Kondensator zu dem Mittelabgriff durch die separate Drossel gedämpft. Dies ist bei der getakteten Ansteuerung der mittleren Leistungsschalter zu berücksichtigen.
Verglichen mit dem Aufwand für die große Drossel der aus der DE 10 2010 008 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung ist der Aufwand für jede separate Drossel dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nur klein. Dieser Vorteil bei der Herstellung eines Mehrpunktwechselrichters mit Entlastungsnetzwerk in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung geht auch nicht dadurch verloren, dass bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die in jedem Aufladepfad vorgesehene Schalteinrichtung aktiv ansteuer- bar ist. Mit Hilfe dieser aktiven Ansteuerbarkeit kann auch ein in grundsätzlich passender Richtung zum Laden des Kondensators fließender unidirektionaler Strom verhindert werden, um ein unerwünschtes Aufladen des Kondensators zu unterbinden. Konkret kann die in jedem Aufladepfad vorhandene aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung für jede Durchlassrichtung jedes der unidirektionalen Schaltelemente in allen an den jeweiligen Aufladepfad angeschlossenen Entladepfaden ein weiteres nicht aktiv ansteuerbares unidirektio- nales Schaltelement, d. h. eine Diode, und ein aktiv ansteuerbares Schaltelement umfassen. Das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement darf dabei nicht zugleich in dem zugehörigen Entladepfad liegen. Das gilt auch für eine einteilige Schalteinrichtung, bspw. in Form eines aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelements oder allgemeiner für den Teil der aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung, der die Unidirektionalität der von ihr selektiv zugelassenen unidirektionalen Ströme vorgibt. Wenn nur ein Entladepfad von dem Aufladepfad abzweigt, kann jeder andere Teil der aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung auch dort angeordnet sein, wo der Aufladepfad und der Entladepfad zusammenfallen. So kann das aktiv ansteuerbare Schaltelement auch zwischen dem Ausgangsanschluss und der Abzweigung des Entladepfads von dem Aufladepfad angeordnet sein. Dann muss es sich jedoch um ein bidirektionales Schaltelement handeln, das zum Zeitpunkt der mit dem jeweiligen Kondensator bereitzustellen- den Schaltentlastung geschlossen wird, sofern es im geöffneten Zustand auch einen Stromfluss in der Entladerichtung des Kondensators abschaltet.
Bei dem aktiv ansteuerbaren Schaltelement bedeutet "bidirektional", dass es einen Stromfluss in beiden Richtungen ermöglicht, diesen aber nicht unbedingt auch in beiden Richtungen abschalten kann. Konkret kann es sich bei dem aktiv ansteuerbaren bidirektionalen Schalt- element um einen Transistor mit einer antiparallelen Diode handeln, deren Durchlassrichtung dann entgegengesetzt zu der Durchlassrichtung der Diode ausgerichtet ist, die das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement ausbildet. Die antiparallele Diode kann beispielsweise eine Bodydiode des Transistors sein.
Das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement und das aktiv ansteuerbare Schalt- element der Schalteinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können unter Zwischenordnung des Kondensators und/oder der Drossel in dem Aufladepfad in Reihe geschaltet sein. Sie können ebenso auf derselben Seite des Kondensators und/oder der Drossel angeordnet sein.
Das in jedem Entladepfad zwischen dem Eingangsanschluss und der Verzweigung von dem jeweiligen Aufladepfad vorgesehene unidirektionale Schaltelement ist vorzugsweise ein passives unidirektionales Schaltelement, d. h. eine Diode. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann jeder Entladepfad direkt an den jeweiligen Eingangsanschluss angeschlossen sein. Jeder Aufladepfad und damit auch jeder Entladepfad ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorzugsweise direkt an den Aus- gangsanschluss angeschlossen, um sein Aufladen und auch sein Entladen zur Schaltentlastung unabhängig von der Schaltstellung der inneren Leistungsschalter zu realisieren.
An seinem anderen Ende kann jeder Aufladepfad direkt oder über die Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff zu dem Mittelabgriff verlaufen. Dabei kann eine gemeinsame Drossel für alle Aufladepfade in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff angeordnet sein. Wenn in jedem der Aufladepfade eine separate Drossel vor- handen ist, kann in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff eine zusätzliche Hilfsdrossel vorgesehen sein, um Ströme zu dämpfen, die von dem jeweils zur Schaltentlastung dienenden, aber nicht vollständig entladenen Kondensator fließen können, wenn der komplementär zu dem schaltentlasteten äußeren Leistungsschalter getaktete innere Leistungsschalter geschlossen wird. Die Hilfsdrossel kann dabei nicht nur in dem Bereich der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Mittelabgriff angeordnet sein, über den auch alle Aufladepfade verlaufen, sondern auch außerhalb dieses Bereichs. Zudem kann die Hilfsdrossel auch in der Verbindung der inneren Leistungsschalter mit dem Ausgangsanschluss, dann von den inneren Leistungsschaltern aus gesehen vor dem Anschluss der Aufladepfade und Entladepfade an den Ausgangsanschluss, oder - bei in Reihe geschalteten inneren Leistungsschaltern - zwischen den inneren Leistungsschaltern angeordnet sein. Selbst mit einer solchen zusätzlichen Hilfsdrossel ist der Aufwand für alle Drosseln der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit separaten Drosseln in beiden Aufladepfaden klein gegenüber dem Aufwand für die große Drossel der aus der DE 10 2010 008 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Induktivität jeder separaten Drossel in jedem Aufladepfad typischerweise mindestens so groß ist wie eine Induktivität dieser Hilfsdrossel. Die Induktivität jeder separaten Drossel in jedem Aufladepfad kann auch mindestens doppelt, fünfmal oder zehnmal so groß sein wie eine Induktivität dieser Hilfsdrossel. Je kleiner die relative Induktivität der Hilfsdrossel ist, desto weniger wirkt sie sich auf die Gesamtinduktivität in jedem Aufladepfad und damit auf den Resonanzkreis aus, der von dem jeweiligen Kondensator und der zugehörigen separaten Drossel gebildet wird, selbst dann, wenn die Hilfsdrossel ebenfalls in dem Aufladepfad angeordnet ist. Konkret kann die Hilfsdrossel als Luftdrossel ausgeführt sein.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter weist das Entlastungsnetzwerk zwei Kondensatoren auf, die jeweils einem der äußeren Leistungsschalter zugeordnet sind und für die jeweils ein Aufladepfad und ein Entladepfad vorhanden sind. In diesem Fall sind die Durchlassrichtung des einen Schaltelements in dem Entladepfad und die Richtung des unidirektionalen Stroms durch die Schalteinrichtung in dem Aufladepfad für jeden Kondensator von dem Ausgangsausschluss aus gesehen einander entgegengerichtet. Die unidirektionalen Schaltelemente sind bezogen auf den Pol der Eingangsspannung an demjenigen der Eingangsanschlüsse, mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet. Die unidirektionalen Schaltelemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entsprechen damit weitgehend den äußeren Dioden der aus der DE 10 2010 08 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung, während die dortigen inneren Dioden bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch aktiv ansteuerbare Schalteinrichtungen ersetzt sind, die zu Teilen auch an anderer Stelle in dem jeweiligen Aufladepfad angeordnet sein können.
Die wesentlichen Merkmale dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter lassen sich auch wie folgt zusammenfassen. Sie umfasst
einen Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einen Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung, mit einem Mittelabgriff für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung,
einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms,
- zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist,
zwei innere Leistungsschalter, die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode mit dem Mittelabgriff und andererseits direkt oder über eine Diode mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind, und
- ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungsschalter, das zwei Kondensatoren umfasst,
wobei für jeden der Kondensatoren
ein Aufladepfad zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Mittelabgriff verläuft, in dem der jeweilige Kondensator mit einem unidirektionalen Schalt- element und einer Drossel in Reihe geschaltet ist, und
ein Entladepfad zwischen dem Ausgangsanschluss und einem der Eingangsanschlüsse verläuft,
wobei der Entladepfad von dem Ausgangsanschluss aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator und vor der Drossel in einer Abzwei- gung von dem Aufladepfad für den jeweiligen Kondensator abzweigt und wobei zwischen der Abzweigung und dem Eingangsanschluss ein weiteres unidirektionales Schaltelement in dem Entladepfad angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung an demjenigen der Eingangsanschlüsse, mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet ist,
wobei das unidirektionale Schaltelement in jedem der Aufladepfade eine Durchlassrichtung aufweist, die der Durchlassrichtung des weiteren unidirektionalen Schaltelements in dem an den jeweiligen Aufladepfad angeschlossenen Entladepfad von dem Ausgangsanschluss aus gesehen entgegengesetzt ist, und
- dass das unidirektionale Schaltelement in jedem der Aufladepfade aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in seiner Durchlassrichtung zuzulassen
Auch wenn dies nicht unter die Patentansprüche fällt, ist es bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch möglich, statt der aktiv ansteuerbaren Schalt- einrichtungen separate Drosseln in den beiden Aufladepfaden und die oben beschriebene Hilfsdrossel zu verwenden, um die beiden Aufladepfade zu entkoppeln.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter weist das Entlastungsnetzwerk einen Kondensator auf, für den ein bidirektionaler Aufladepfad vorhanden ist, von dem Entladepfade zu beiden Eingangs- anschlüssen abzweigen. Die Schalteinrichtung in dem bidirektionalen Aufladepfad ist aktiv ansteuerbar, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in der einen oder der anderen Richtung zuzulassen.
Die wesentlichen Merkmale dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Mehrpunktwechselrichter lassen sich auch wie folgt zusammenfassen. Sie umfasst
einen Eingangsanschluss für einen positiven Pol und einen Eingangsanschluss für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung,
einen Mittelabgriff für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung, einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms,
- zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter, die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode mit dem Mitte labgriff und andererseits direkt oder über eine Diode mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind, und
ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungsschalter, das einen Kondensator umfasst,
wobei für den Kondensator ein bidirektionaler Aufladepfad zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Mitte labgriff verläuft, in dem der Kondensator in dem bidirektionalen Aufladepfad mit einer Schalteinrichtung und einer Drossel in Reihe geschaltet ist,
wobei die Schalteinrichtung zwei Durchlassrichtungen aufweist und in jeder der beiden Durchlassrichtungen aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in der jeweiligen Durchlassrichtung zuzulassen, und wobei zwischen dem Ausgangsanschluss und jedem der Eingangsanschlüsse ein Entladepfad für den Kondensator verläuft,
wobei der Entladepfad von dem Ausgangsanschluss aus gesehen hinter dem Kondensator und vor der Drossel in einer Abzweigung von dem bidirektionalen Aufladepfad abzweigt und
wobei zwischen der Abzweigung und dem Eingangsanschluss ein uni- direktionales Schaltelement in dem Entladepfad angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung an demjenigen der Eingangsanschlüsse, mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet ist
Die Schalteinrichtung kann bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zwei aktiv ansteuerbare Schaltelemente aufweisen, die jeweils in einem von zwei unidirektional stromdurchflossenen antiparallelen Teilpfaden des Aufladepfads angeordnet sind. Die Richtungen des unidirektionalen Stromflusses durch die Teilpfade können jeweils durch ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement vorgegeben werden. Die beiden Teilpfade des bidirektionalen Aufladepfads können sich kreuzen. Wenn die Teilpfade im Bereich ihrer Kreuzung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, ist von dem Ausgangsanschluss aus gesehen vor der Kreuzung das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement in dem einen und das aktiv ansteuerbare Schaltelement in dem anderen Teilpfad sowie nach der Kreuzung das aktiv ansteuerbare Schaltelement in dem einen und das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement in dem anderen Teilpfad anzuordnen. Dies entspricht dann einer Reihenschaltung von zwei aktiv ansteuerbaren Schaltelementen mit antiparallelen Dioden, wie beispielsweise von MOSFETs mit Bodydioden, wobei die Durchlassrichtungen der Dioden von dem Ausgangsanschluss aus gesehen einander entgegengerichtet sind. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auf eine Vielzahl von Dreipunkt- und Mehrpunktwechselrichtern angewandt werden. Hierzu zählen N PC-Wechselrichter, BSNPC-Wech- selrichter, ARCP- und S3L-Wechselrichter.
Zur Taktung der Leistungsschalter und auch jeder aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine Steuerung vorgesehen. Wenn im Folgenden beschrieben wird, welche Aktionen diese Steuerung ausführen kann, so impliziert dies insbesondere, dass die Steuerung in geeigneter Weise zur Ausführung eben dieser Aktionen eingerichtet ist. Diese Steuerung kann die Schalteinrichtung in dem Aufladepfad, von dem der Entladepfad zu dem einen Eingangsanschluss führt, innerhalb eines Zeitraums ansteuern, über den hinweg sie den äußeren Leistungsschalter in Pulsen schließt, der mit dem anderen Eingangsanschluss verbunden ist. Dabei steuert die Steuerung die Schalteinrichtung in dem Zeitraum so an, dass sie einen unidirektionalen Strom in entgegengesetzter Richtung zu der Durchlassrichtung des unidirektionalen Schaltelements in dem Entladepfad, der zu dem einen Eingangsanschluss führt, zulässt. Für diesen in Pulsen geschlossenen äußeren Leistungs- Schalter dient der Kondensator, für den der Aufladepfad vorgesehen ist, als Schaltentlastung. Sofern ein anderer Kondensator des Entlastungsnetzwerks als Schaltentlastung für den anderen äußeren Leistungsschalter vorgesehen ist, sollte dieser, solange der andere äußere Leistungsschalter nicht getaktet wird, auch nicht aufgeladen werden, um insbesondere keine unerwünschten Entladeströme hervorzurufen. Daher hält die Steuerung die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung in deren Aufladepfad solange geöffnet, wie der andere äußere Leistungsschalter nicht getaktet wird. Ebenso sollte dann wenn nur ein Kondensator in einem bidirektionalen Aufladepfad angeordnet ist, dieser Kondensator während des Taktens des einen äußeren Schalters auch immer nur in der einen Richtung aufgeladen, d. h. die in dem bidirektionalen Aufladepfad angeordnete Schalteinrichtung auch nur einen unidirektionalen Strom zum Auf- laden des Kondensators in einer Richtung zulassen.
Vorzugsweise steuert die Steuerung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung nur innerhalb eines Teilzeitraums des Zeitraums an, über den hinweg sie den jeweiligen äußeren Leistungsschalter taktet, d. h. in Pulsen schließt. Dieser Teilzeitraum zeichnet sich dadurch aus, dass ein Betrag eines Momentanwerts des über den Ausgangsanschluss ausgegebenen Ausgangswechselstroms einen unteren Grenzwert einhält und dass der Momentanwerts des Ausgangswechselstroms und ein Momentanwert der Ausgangswechselspannung gleiche Vorzeichen aufweisen. Der Grenzwert ist so zu bemessen, dass der zur Schaltentlastung dienende Kondensator bei jedem Entlastungsvorgang zumindest im Wesentlichen vollständig entladen wird, und zwar binnen kurzer Zeit. Diese Zeit muss als Totzeit zwischen den Pulsen verbleiben, in denen der äußere Leistungsschalter und der dazu komplementär getaktete innere Leistungsschalter geschlossen werden.
Die Steuerung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung nicht nur einmal pro Halbwelle des ausgegebenen Ausgangswechselstroms, sondern auch in Pulsen ansteuern, die dieselbe Frequenz aufweisen wie die Pulse, in denen sie den jeweiligen Leistungsschalter schließt. Dabei liegen diese Pulse vorzugsweise vollständig innerhalb der Pulse, in denen die Steuerung den äußeren Leistungsschalter schließt. Idealerweise werden die Pulse, für die die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung angesteuert wird, mit den Pulsen, in denen die Steuerung den äußeren Leistungsschalter schließt, synchronisiert. Durch die Breite dieser Pulse, für die die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung angesteuert wird, kann auch Einfluss auf das Maß der Aufladung des den äußeren Leistungsschalter schaltentlastenden Kondensators genommen werden. Die Breite der Pulse, für die die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung angesteuert wird, kann aber auch konstant sein.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen mehrphasigen Mehrpunktwechsel- richter weist für jede Phase einen Ausgangsanschluss, zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist, zwei innere Leistungsschalter und ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungsschalter mit mindestens einem Kondensator und einem Aufladepfad für jeden der Kondensatoren auf. Dabei können die Aufladepfade für alle Kondensatoren, die zur Schaltentlastung für diejenigen der Leistungsschalter vorgesehen sind, die mit demselben der beiden Eingangsanschlüsse verbunden sind, über jeweils eine gemeinsame Drossel führen, oder auch alle Aufladepfade über eine einzige gemeinsame Drossel führen, die direkt mit dem Mittelabgriff verbunden ist. Dann weist der mehrphasige Mehrpunktwechselrichter nur eine oder zwei Drosseln auf, die von allen Entlastungsnetzwerken der verschiedenen Phasen gemeinsam genutzt werden. Dabei kommt es zumindest dann zu keinen wechselseitigen Störungen beim Aufladen der einzelnen Kondensatoren, wenn von den aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen in den Aufladepfaden zu jedem Zeitpunkt nur eine angesteuert wird. Die gemeinsame Drossel, über die die Aufladepfade führen, kann aber auch als Hilfsdrossel vorgesehen sein, d. h. zusätzlich zu separaten Drosseln in allen einzelnen Aufladepfaden oder zu zwei gemeinsamen Drosseln aller Aufladepfade für jeweils alle Kondensatoren, die zur Schaltentlastung für diejenigen der Leistungsschalter vorgesehen sind, die mit demselben der beiden Eingangsanschlüsse verbunden sind.
Eine andere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen mehrphasigen Mehrpunktwechselrichter weist für jede Phase einen Ausgangsanschluss, zwei äußere Leistungsschalter, von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse verbunden ist, und zwei innere Leistungsschalter sowie ein Entlastungsnetzwerk für die äußeren Leistungsschalter mit einem Kondensator und einem bidirektionalen Aufladepfad für den Kondensator auf. Die äußeren und die inneren Leistungsschalter sind dabei nach Art eines BSNPC-Wechselrichters verschaltet, wobei die inneren Leistungsschalter eine Reihenschaltung aus zwei aktiv ansteuerbaren Schaltelementen umfassen, denen jeweils ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement antiparallel geschaltet ist. In entsprechender Weise umfasst die Schalteinrichtung in jedem Aufladepfad eine Reihenschaltung aus zwei aktiv ansteuerbaren Schaltelementen, denen jeweils ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement antiparallel geschaltet ist. Dabei verläuft jeder bidirektionale Aufladepfad des Entlastungsnetzwerks für eine Phase über eines der beiden aktiv ansteuerbaren Schaltelemente der inneren Leistungsschalter einer anderen Phase zu dem Mittelabgriff, wobei dieses aktiv ansteuerbare Schaltelement zugleich eines der aktiv ansteuerbaren Schaltelemente der Schalteinrichtung ist. Anders gesagt weist jeder bidirektionale Aufladepfad nur ein zusätzliches aktiv ansteuerbares Schaltelement mit antiparallel geschaltetem nicht aktiv ansteuerbarem unidirektionalem Schaltelement auf, und er nutzt ein aktiv ansteuerbares Schaltelement mit antiparallel geschaltetem nicht aktiv ansteuerbarem unidirektionalem Schaltelement der inneren Leistungsschalter einer anderen Phase. Dies ist zumindest bei solchen Taktverfahren möglich, bei denen die inneren Leistungsschalter der anderen Phasen jeweils dann inaktiv sind, wenn die aktiv ansteuerbaren Schalt- elemente in dem bidirektionalen Aufladepfad des Entlastungsnetzwerks für die eine Phase zu betätigen sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere der relativen Anordnung und den Wirkverbindungen mehrerer Bauteile - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Um- fangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungs- beispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer ersten Ausführungsform basierend auf einem BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 2 illustriert die Ansteuerung von aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelementen der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in einer Ausführungsform mit einem Phasenwinkel von null zwischen ausgegebenem Ausgangswechselstrom und Ausgangswechselspannung.
Fig. 3 illustriert die Ansteuerung der aktiv ansteuerbaren unidirektionalen Schaltelemente der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in einer Ausführungsform mit einem der Ausgangswechselspannung nacheilenden Ausgangswechselstrom. Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform basierend auf einem N PC-Wechselrichter. Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform basierend auf einem BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren
Ausführungsform basierend auf einem BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 7 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 8 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform, ebenfalls basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 9 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem 3-phasigen BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 10 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem einphasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei ein Entlastungsnetzwerk nur einen Kondensator aufweist.
Fig. 11 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer gegenüber Fig. 10 abgewandelten Ausführungsform, ebenfalls basierend auf einem einphasigen BSNPC-Wechselrichter.
Fig. 12 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem einphasigen N PC-Wechselrichter, wobei ein Entlastungsnetzwerk auch hier nur einen Kondensator aufweist.
Fig. 13 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei jedes, für jeweils eine der drei Phasen vorgesehene Entlastungsnetzwerk nur einen Kondensator aufweist.
Fig. 14 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer Abwandlung gegenüber Fig. 13 mit nur einer Drossel für alle drei Entlastungsnetzwerke. zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei jedes, für jeweils eine der drei Phasen vorgesehene Entlastungsnetzwerk nur einen Kondensator aufweist. Fig. 16 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer Abwandlung gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 15 mit nur einer einzigen Drossel für alle drei Phasen.
Fig. 17 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter mit nur einem Kondensator je Entlastungsnetzwerk für jeweils eine der drei Phasen und reduzierter Gesamtanzahl aktiv anzusteuernder Schaltelemente; und
Fig. 18 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in noch einer weiteren Ausführungsform, basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter mit nur einem Kondensator je Entlastungsnetzwerk für jeweils eine der drei Phasen mit analog zu Fig. 17 reduzierter Gesamtanzahl der aktiv anzusteuernden Schaltelemente und nur einer einzigen Drossel für alle drei Phasen.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 basiert auf einem BSNPC-Wechselrichter. Sie weist zwei Eingangsanschlüsse 1 1 und 21 für einen positiven und einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung uin auf. Die Eingangsgleichspannung uin liegt über einem Gleichspannungszwischenkreis 2 mit zwei Zwischenkreiskondensatoren 12 und 22 und einem Mittelabgriff 3 an. Zwischen die Eingangsanschlüsse 1 1 und 21 sind zwei äußere Leistungsschalter 13 und 23 in Reihe geschaltet. Zwischen den Leistungsschaltern 13 und 23 liegt ein Ausgangs- anschluss 4, über den ein Ausgangswechselstrom iload ausgegeben wird. Der Ausgangs- anschluss 4 ist über miteinander in Reihe geschaltete innere Leistungsschalter 14 und 24 mit dem Mittelabgriff 3 verbunden. Die Leistungsschalter 13, 14, 23 und 24 sind hier jeweils als IGBTs mit antiparallelen Dioden 5 ausgebildet. Die antiparallelen Dioden 5 der äußeren Leistungsschalter 13 und 23 sind dabei bezüglich der Eingangsgleichspannung uin in Sperrrichtung ausgerichtet. Die antiparallelen Dioden 5 der inneren Leistungsschalter 14 und 24 weisen einander entgegengerichtete Sperrrichtungen auf. Die Leistungsschalter 13, 14, 23 und 24 werden in der Schaltungsanordnung 1 genauso angesteuert wie bei einem herkömmlichen BSNPC-Wechselrichter. Zur Schaltentlastung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23 ist ein Entlastungsnetzwerk 6 vorgesehen, das zwei Kondensatoren 15 und 25, zwei Drosseln 16 und 26, zwei Schalteinrichtungen 17, 27 und zwei unidirektionale Schaltelemente 18, 28 aufweist. Dabei ist jeweils einer der Kondensatoren 15 und 25 mit einer der Drosseln 16 und 26 und einer der Schalteinrichtungen 17 und 27 in einem Aufladepfad 19 bzw. 29 in Reihe geschaltet. Dieser Aufladepfad 19 bzw. 29 ist mit einem kondensatorseitigen Ende mit dem Ausgangsanschluss 4 und mit einem drosselseitigen Ende mit einer Verbindung 38 zwischen dem Mitte labgriff 3 und der Reihenschaltung der inneren Leistungsschalter 14 und 24 verbunden. Von jedem der Aufladepfade 19 und 29 zweigt zwischen dem jeweiligen Kondensator 15 bzw. 25 und der jeweiligen Drossel 16 bzw. 26 ein Entladepfad 20 bzw. 30 in einer Abzweigung 35 ab. Von dem Ausgangsanschluss 4 bis zu den Abzweigungen 35 sind die Entladepfade 20 und 30 identisch mit den Aufladepfaden 19 und 29. Jenseits der Abzweigungen 35 sind die Entladepfade 20 und 30 über die unidirektionalen Schaltelemente 18 und 28 an die Eingangsanschlüsse 21 bzw. 1 1 angeschlossen. Bei den unidirektionalen Schaltelementen 18 und 28 handelt es sich hier um nicht aktiv ansteuerbare Schaltelemente, konkret um Dioden 7. Die Schalteinrichtungen 17 und 27 sind aktiv ansteuerbar und hier aus Reihenschaltungen von Bodydioden 8 aufweisenden MOSFETs 9 mit Dioden 10 ausgebildet, die eine Richtung eines Stroms vorgeben, der beim Ansteuern der Schalt- einrichtungen 17, 27 fließen kann. Von dem Ausgangsanschluss 4 über die Aufladepfade 19 und 29 und die Entladepfade 20 und 30 aus gesehen, sind die Durchlassrichtungen der Dioden 7 und 10 einander entgegengerichtet. Zwischen den Eingangsanschlüssen 1 1 und 21 sind alle Dioden 7 und 10 in Reihe geschaltet, wobei ihr Mittelpunkt hier auf die Verbindung 38 fällt und ihre Zwischenpunkte auf jeder Seite des Mittelpunkts auf die Abzweigungen 35 und wobei alle Dioden 7 und 10 bezüglich der Eingangsgleichspannung uin in Sperrrichtung ausgerichtet sind.
In dem Entlastungsnetzwerk 6 ist der Kondensator 15 zur Schaltentlastung des äußeren Leistungsschalters 13 und der Kondensator 25 zur Schaltentlastung des äußeren Leistungsschalters 23 vorgesehen. Im Folgenden wird als Beispiel das Aufladen und Entladen des Kondensators 15 beschrieben. Das Aufladen und Entladen des Kondensators 25 erfolgt ent- sprechend. Bei geschlossenem Leistungsschalter 13 und zugleich geschlossenem MOSFET 9 der Schalteinrichtung 17 fließt ein Strom /' 13 durch den Leistungsschalter 13 nicht nur als an dem Ausgangsanschluss 4 ausgegebener Ausgangswechselstrom /'|0ad zu einer angeschlossenen, hier aber nicht dargestellten Last, sondern vorübergehend zum Teil auch durch den Aufladepfad 19 zu dem Kondensator 15 und von dort über die Schalteinrichtung 17 und durch die Drossel 16 zu dem Mittelabgriff 3. Dass hier vorübergehend ein Strom fließen muss, ergibt sich daraus, dass die über dem Zwischenkreiskondensator 12 abfallende halbe Eingangsgleichspannung u 2 über der Masche, die sich durch den Leistungsschalter 13 und über den Aufladepfad 19 zu dem Mittelabgriff 3 erstreckt, vollständig abfallen muss. Tatsächlich wird der Kondensator 15 aber nicht nur auf die halbe Eingangsgleichspannung u 2 aufgeladen, weil die Drossel 16 den anfangs durch sie fließenden Strom weiter aufrechterhält, bis eine Aufladung des Kondensators auf die volle Eingangsgleichspannung uin erreicht ist. Eine nachfolgende Entladung des Kondensators 15 wird durch die in dem Aufladepfad 19 liegende Diode 10 verhindert.
Anders gesagt bildet der Kondensator 15 mit der Drossel 16 einen Serienresonanzkreis, in dem der durch den Aufladepfad 19 bis zum Aufladen des Kondensators 15 auf u 2 während eines ersten Viertels einer Resonanzperiode fließende Strom auch die Drossel 16 energetisiert, die ihre Energie anschließend während eines zweiten Viertels der Resonanzperiode des Serienresonanzkreises unter weiterer Aufladung des Kondensators 15 auf uin wieder abgibt. Durch die Diode 10 in dem Serienresonanzkreis wird die Resonanzschwingung jedoch anschließend beendet, so dass sich der Kondensator 15 nicht unter neuerlicher Energetisierung der Drossel 16 entladen kann. Die Entladung des Kondensators 15 erfolgt vielmehr dann, wenn der Leistungsschalter 13 geöffnet wird, so dass der Strom /' 13 nicht mehr fließen kann. Indem der Kondensator 15 durch seine Entladung den Ausgangswechselstrom /'|0ad übernimmt, wobei die Diode 7 in seinem Entladepfad 20 leitend wird, verhindert er ein schlagartiges Ansteigen der über dem Leistungsschalter 13 abfallenden Spannung yi3. Diese Spannung yi3 ist die Summe der Eingangsgleichspannung uin und der über dem Kondensator 15 abfallenden Spannung Ui5. Da der Kondensator 15 auf uin aufgeladen wurde, ist die Spannung yi3 über dem Leistungsschalter 13 daher Anfangs null und steigt erst mit der unter uin fallenden Spannung Ui5 des Kondensators 15 an. Auf diese Weise wird eine Schaltentlastung durch spannungsloses Schalten des Leistungsschalters 13 realisiert.
Damit der Kondensator 15 anschließend die Funktion des BSNPC-Wechselrichters nicht stört, muss er sich bei der Schaltentlastung möglichst vollständig entladen. Einer unerwünschten Aufladung in falscher Richtung steht die antiparallele Diode 5 des Leistungsschalters 23 entgegen. Eine vollständige Entladung des Kondensators 15 bei der Schaltentlastung des Leistungs- Schalters 13 wird erreicht, wenn zum Zeitpunkt des Öffnens des Leistungsschalters 13 zumindest ein Ausgangswechselstrom /'|0ad fließt, der von dem Kondensator 15 übernommen wird und diesen entlädt. In Fig. 2 sind für einen Phasenwinkel null zwischen einer Ausgangswechselspannung uoutan dem Ausgangsanschluss 4 gemäß Fig. 1 und dem Ausgangswechselstrom /'|0ad Teilzeiträume 31 und 32 eingezeichnet, in denen der Betrag eines Momentanwerts des Ausgangswechselstroms /|0ad einen Grenzwert imin überschreitet. Hierbei handelt es sich um Teilzeiträume 31 und 32 der beiden Halbwellen der Ausgangswechselspannung uout, über die hinweg jeweils einer der Leistungsschalter 13, 23 getaktet wird, und zwar der Leistungsschalter 13 bei der positiven Halbwelle und der Leistungsschalter 23 bei der negativen Halbwelle. Über den Teilzeitraum 31 der positiven Halbwelle wird die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 17 gemäß Fig. 1 angesteuert, um einen unidirektionalen Strom in der Durchlassrichtung der Diode 10 zuzulassen. Über den Teilzeitraum 32 der negativen Halbwelle wird entsprechend die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 27 angesteuert. Durch das Nichtansteuern der jeweils anderen aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung 27 bzw. 17, d. h. durch das Offenhalten des jeweiligen MOSFETs 9, so dass auch in der Durchlassrichtung der jeweiligen Diode 10 kein Strom fließen kann, wird während der Teilzeiträume 31 und 32 sichergestellt, dass sich der zuvor aufgeladene Kondensator 15 oder 25 beim Öffnen des jeweils zu entlastenden Leistungsschalters 13 bzw. 23 nicht teilweise auch über den anderen Kondensator 25 bzw. 15 entlädt. Ein derart unerwünscht aufgeladener Kondensator 25 bzw. 15 würde beim anschließenden Ansteuern des komplementär zu dem äußeren Leistungsschalter 13 oder 23 getakteten inneren Leistungsschalters 24 bzw.14 ebenso kurzgeschlossen wie ein bei der Schaltentlastung noch nicht vollständig entladener Kondensator 15 bzw. 25. Eine nicht angesteuerte Schalteinrichtung 17 oder 27 in dem jeweiligen Aufladepfad 19 bzw. 29 verhindert das unerwünschte Aufladen des in dem Aufladepfad angeordneten Kondensators 15 bzw. 25. Fig. 3 illustriert, dass bei einem der Ausgangswechselspannung uout nacheilendem Ausgangswechselstrom /'|0ad die Teilzeiträume 31 und 32, in denen die Schalteinrichtungen 17 und 27 angesteuert werden, innerhalb der Halbwellen der Ausgangswechselspannung uout erst beginnen, wenn der Betrag des Momentanwerts des Ausgangswechselstroms |0ad bei jeweils gleichem Vorzeichen der Momentanwerte der Ausgangswechselspannung uout und des Ausgangswechselstroms |0ad den Grenzwert imin überschritten hat. Die Teilzeiträume 31 und 32 enden aber spätestens mit dem Vorzeichenwechsel der Ausgangswechselspannung uout, bei dem beim Takten zwischen den äußeren Leistungshalbleiterschaltern 13 und 23 gewechselt wird. Weiter zeigt Fig. 3 auf, dass es auch möglich ist, die Schalteinrichtungen 17 und 27 nicht für die gesamten Teilbereiche 31 und 32 dauerhaft anzusteuern, sondern nur für Pulse, die mit den Pulsen synchronisiert sind, für die der jeweilige äußere Leistungsschalter 13 und 23 beim Takten geschlossen wird. Durch die relative Lage der Pulse, mit denen die Schalteinrichtungen 17 und 27 angesteuert werden, um den jeweiligen MOSFET 9 zu schließen, innerhalb der Pulse, für die der jeweilige äußere Leistungsschalter 13 bzw. 23 geschlossen wird, kann der Verlauf des durch die jeweilige Schalteinrichtung 17 bzw. 27 zu dem jeweiligen Kondensator 15 bzw. 25 fließenden unidirektionalen Ladestroms beeinflusst werden. Vorzugsweise sind die Pulse, mit denen die Schalteinrichtungen 17 und 27 angesteuert werden, mindestens so lang wie die halbe Resonanzperiode des Serienresonanzkreises aus dem Kondensator 15 bzw. 25 und der Drossel 16 bzw. 26. Durch kürzere Pulse als die halbe Resonanzperiode des Serienresonanzkreises kann die Aufladung des jeweiligen Kondensators 15 bzw. 25 auch auf weniger als Uin begrenzt werden, um seine Entladung auch bei kleinem Ausgangswechselstrom /'|0ad sicherzustellen. Allerdings erfolgt dann keine vollständige Schaltentlastung, d. h. kein vollständig spannungsloses Schalten des jeweiligen Leistungsschalters 13 bzw. 23.
Zu den Fig. 2 und 3 ist noch anzumerken, dass hier nicht die tatsächlich ausgegebene Ausgangswechselspannung Uout dargestellt ist, die ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal ist. Vielmehr handelt es sich um die gewünschte Ausgangswechselspannung uout, d. h. eine Vorgabe für die Pulsweitenmodulation bei der Ansteuerung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23, die mit der Grundwelle der Spannung am Ausgangsanschluss 4 in Phase ist.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die von einem NPC-Wechselrichter ausgeht, bei dem die äußeren Leistungsschalter 13 und 23 und die inneren Leistungsschalter 14 und 24 in Reihe geschaltet sind, wobei der Mittelpunkt der Reihenschaltung den Ausgangsanschluss 4 bildet. Dabei führen von Zwischenpunkten 33 zwischen den äußeren Leistungsschaltern 13 und 23 und den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 Dioden 34, die in Bezug auf die Eingangsgleichspannung uin in Sperrrichtung ausgerichtet sind, zu dem Mittelabgriff 3. Über diese Dioden 34 sind auch hier die inneren Leistungsschalter 14 und 24 einerseits an den Mittelabgriff 3 angeschlossen, während sie andererseits direkt an den Ausgangsanschluss 4 angeschlossen sind. Das Entlastungsnetzwerk 6 ist hier grundsätzlich genauso ausgebildet wie in Fig. 1 , auch wenn die aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17 und 27 hier nur schematisch wiedergegeben sind. Dabei ist es unerheblich, dass die Reihenfolge der aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17 und 27 einerseits und der Drosseln 16 und 26 andererseits in den Aufladepfaden 19 und 29 gegenüber Fig. 1 vertauscht ist. Hierdurch ergibt sich keine grundsätzliche Änderung der Funktion des Entlastungsnetzwerks 6 für die Schaltentlastung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23. Die Leistungsschalter 13, 14, 23 und 24 werden in der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 4 genauso angesteuert wie bei einem herkömmlichen NPC-Wechselrichter. Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 basiert wieder auf einem BSNPC-Wechselrichter. Dabei sind die folgenden Variationsmöglichkeiten gegenüber Fig. 1 illustriert, die auch unabhängig voneinander umgesetzt werden können. Statt die inneren Schaltelemente 14 und 24 aus in Reihe geschalteten Transistoren mit antiparallelen Dioden 5 auszubilden, wobei die antiparallele Diode 5 des einen Transistors jeweils für einen unidirektionalen Stromfluss durch den anderen Transistor sorgt, sind hier zwei in Umkehrrichtung blockierende Transistoren 36, d. h. direkt unidirektional ausgebildete Schaltelemente, parallel geschaltet. Weiterhin sind die aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17 und 27, die beim Ansteuern einen unidirektionalen Strom durchlassen, jeweils als Thyristoren ausgebildet, die ebenfalls ohne zusätzliche Dioden 10 wie in Fig. 1 auskommen. Darüber hinaus ist eine Hilfsdrossel 39 in der Verbindung 38 zwischen den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 und dem Mittelabgriff 3 vorgesehen. Mit dieser Hilfsdrossel 39 können Ströme begrenzt werden, die aufgrund des Kurzschließens der gegebenenfalls nicht vollständig entladenen Kondensatoren 15 und 25 zu dem Mittelabgriff 3 fließen.
Grundsätzlich, z. B. bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 , kann die Hilfsdrossel 39 auch zwischen den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 oder zwischen den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 und dem Ausgangsanschluss 4 vorgesehen sein, dann aber von den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 aus gesehen vor dem gemeinsamen Anschluss der Aufladepfade 19, 29 und Entladepfade 20, 30 an den Ausgangsanschluss 4. Darüber hinaus ist die Hilfsdrossel 39 so klein dimensioniert, dass sie auch dann, wenn sie in dem Serienresonanzkreis mit dem jeweiligen Kondensator 15 oder 25 und der jeweiligen Drossel 16 oder 26 liegt, dessen Resonanzinduktivität nicht maßgeblich beeinflusst. Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 weicht von derjenigen gemäß Fig. 1 dadurch ab, dass die aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17 und 27, die beim Ansteuern einen unidirektionalen Strom durchlassen, nicht nur in Dioden 10 und weitere, nicht unidirektional ausgebildete und hier nur schematisch dargestellte aktiv ansteuerbare bidirektionale Schaltelemente 40 aufgeteilt sind, sondern dass diese Teile 10 und 40 sich auch auf unterschiedlichen Seiten der Kondensatoren 15 und 25 befinden. Auch hierdurch wird die Funktion des Entlastungsnetzwerks 6 nicht grundsätzlich verändert.
Fig. 7 illustriert eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 für einen dreiphasigen BSNPC- Wechselrichter, wobei der Aufbau jeder Phase Fig. 1 entspricht. Als einziger Unterschied zu Fig. 1 sind hier die aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17 und 27 jeweils nur schematisch wiedergegeben. Sie können auch anders als in Fig. 1 dargestellt realisiert sein, wie dies auch für alle anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gilt. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 weist drei Ausgangsanschlüsse 4 auf, an denen sie jeweils eine Phase des hier dreiphasigen Ausgangswechselstroms ausgibt. Fig. 8 illustriert eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 für einen weiteren dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei der Aufbau Fig. 7 entspricht, außer, dass alle Aufladepfade 19 über eine gemeinsame Drossel 16 führen und alle Aufladepfade 29 über eine gemeinsame Drossel 26 führen. Das heißt, die Drosseln 16 und 26 werden von den Entlastungsnetzwerken 6 für alle drei Phasen gemeinsam genutzt. Wenn von den aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17, 27 in den Aufladepfaden 19, 29 zu jedem Zeitpunkt nur eines geschlossen ist, kommt es dennoch zu keinen wechselseitigen Störungen beim resonanten Aufladen der einzelnen Kondensatoren 15 und 25.
Fig. 9 illustriert eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 für einen weiteren dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter, wobei der Aufbau Fig. 7 entspricht, außer, dass alle Aufladepfade 19, 29 über eine gemeinsame Drossel 16 führen. Die Drossel 16 ist hier in den Verbindungen 38 zwischen dem Mitte labgriff 3 und den jeweiligen inneren Leistungsschaltern 14 und 24 für die einzelnen Phasen angeordnet. Dieser Ort der Drossel 16 entspricht grundsätzlich demjenigen einer Drossel bei der aus der DE 10 2010 008 426 B4 bekannten Schaltungsanordnung. Abweichend von der DE 10 2010 008 426 B4 ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 in jedem der Aufladepfade 19 und 29 eine aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 17 oder 27 angeordnet, um die Aufladepfade selektiv unidirektional zu aktivieren, und in der hier gezeigten Ausführungsform ist nur die eine Drossel 16 für alle drei Phasen vorhanden. Dabei kommt es auch bei Verwendung nur der einen Drossel 16 zu keinen wechselseitigen Störungen beim resonanten Aufladen der einzelnen Kondensatoren 15 und 25, wenn von den in den Aufladepfaden 19, 29 angeordneten aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtungen 17 oder 27 zu jedem Zeitpunkt nur eine angesteuert wird, um einen unidirektionalen Strom durchzulassen.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 basierend auf einem einphasigen BSNPC-Wechselrichter, bei der das Entlastungsnetzwerk 6 nur einen einzigen Kondensator 45 aufweist, der über einen bidirektionalen Aufladepfad 49 mit unterschiedlicher Polarität aufgeladen wird und von dem in der Abzweigung 35 die beiden Entladepfade 20 und 30 zu den beiden Eingangsanschlüssen 1 1 und 21 abzweigen. Dabei sind in dem bidirektionalen Aufladepfad 49 eine Drossel 46, die zwischen der Abzweigung 35 und dem Mittelabgriff 3 liegt, und eine aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 41 vorgesehen, die mit der Drossel 46 in Reihe geschaltet ist. Die Schalteinrichtung 41 ist aktiv ansteuerbar, um selektiv entweder einen Strom mit in Bezug auf die Durchlassrichtung der Diode 7 in dem Entladepfad 20 entgegengerichteter Richtung oder einen Strom mit in Bezug auf die Durchlassrichtung der Diode 7 in dem Entladepfad 30 entgegengerichteter Richtung durchzulassen, durch den der Kondensator 45 mit der einen oder der anderen Polarität aufgeladen wird. Dabei umfasst die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 41 hier zwei miteinander in Reihe geschaltete MOSFETs 9 mit Bodydioden 8. Teilpfade des bidirektionalen Aufladepfads 49 für die beiden unidirektionalen Ströme entgegengesetzter Richtung verlaufen jeweils durch ein aktiv ansteuerbares Schaltelement 50 des einen und die Bodydiode 8 des anderen MOSFETs 9, die die Richtung des Stroms vorgibt. Eine aus der Reihenschaltung der MOSFETs resultierende Querverbindung zwischen deren aktiv ansteuerbaren Schaltelementen 50 und deren Bodydioden 8 steht der Funktion der Schalteinrichtung 41 , einen unidirektionalen Strom in jeweils nur einer Richtung zuzulassen, nicht entgegen.
Verglichen mit Fig. 1 ist bei der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 10 die Reihenfolge der Drossel 46 mit der Schalteinrichtung 41 zwischen der Abzweigung 35 und dem Mittelabgriff 3 vertauscht, was für die Funktion der Schaltungsanordnung 1 nicht entscheidend ist. Für die Funktion auch nicht entscheidend ist, dass in Fig. 10 die beiden in Fig. 1 getrennten Aufladepfade 19 und 29 zu dem bidirektionalen Aufladepfad 49 zusammengefasst sind, in dem nur der eine Kondensator 45, die eine Drossel 46 und eine kombinierte Schalteinrichtung 41 angeordnet sind. Die beiden Kondensatoren 15 und 25 gemäß Fig. 1 werden nie gleichzeitig zur Schaltentlastung verwendet. Diese Erkenntnis wird gemäß Fig. 10 genutzt, um einen der Kondensatoren und auch eine der Drosseln einzusparen und mit dem bidirektionalen Aufladepfad 49 den verbleibenden Kondensator 45 selektiv mit unidirektionalen Strömen unterschiedlicher Richtung durch die Schalteinrichtung 41 und damit mit unterschiedlicher Polarität aufzuladen, je nachdem, welcher der beiden äußeren Leistungsschalter 13 und 23 beim Schalten zu entlasten ist. Die Aufladung des Kondensators 45 mit unterschiedlicher Polarität wird durch unterschiedliche Ansteuerung der Schalteinrichtung 41 , nämlich durch Schließen des einen oder des anderen Schaltelements 50 realisiert. Durch die Dioden 7 als unidirektionale Schaltelemente 18 und 28 in den Entladepfaden 20 und 30 sind diese auch ohne aktive Ansteuerung immer nur in der aktuell passenden Entladerichtung wirksam, so dass ihre Verbindung an der Abzweigung 35 bei der Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 10 unproblematisch ist.
Fig. 11 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 10, bei der die Schalteinrichtung 41 durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 37 ausgebildet ist. Beim Ansteuern jeweils eines der beiden Thyristoren lässt die Schalteinrichtung 41 einen unidirek- tionalen Strom in der Durchlassrichtung des angesteuerten Thyristors durch den Aufladepfad 49 zu. Die grundsätzliche Funktion der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 1 1 ist dieselbe wie diejenige der Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 10. Die Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 12 basiert auf einem einphasigen N PC-Wechselrichter. Ansonsten ist sie analog zu Fig. 10 aufgebaut. Im Vergleich zu Fig. 4 sind die Drosseln 16 und 26 zu der Drossel 46, die Schalteinrichtungen 17 und 27 zu der Schalteinrichtung 41 und die Kondensatoren 15 und 25 zu dem einen Kondensator 45 zusammen- gefasst, der wechselweise zur Schaltentlastung der äußeren Leistungsschalter 13 und 23 dient.
Die in den Fig. 10 bis 12 jeweils nur in dem bidirektionalen Aufladepfad 49 und nicht in der Verbindung 38 des Mittelabgriffs 3 mit den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 liegende Drossel 46 kann entsprechend Fig. 5 mit einer in dieser Verbindung 38 angeordneten Hilfsdrossel 39 kombiniert sein, oder die eine Drossel 46 kann wie bei einem S3L-Wechselrichter in diese Verbindung 38 verschoben sein (vgl. Fig. 16, unten).
Fig. 13 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung basierend auf einem dreiphasigen BSNPC-Wechselrichter. Hier ist für jede der drei Phasen neben den äußeren Leistungsschaltern 13 und 23 und den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 jeweils ein Entlastungsnetzwerk 6 gemäß Fig. 10 vorgesehen. Die Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 14 basiert ebenfalls auf einem dreiphasigen BSNPC- Wechselrichter, wobei jede Phase einschließlich des Entlastungsnetzwerks 6 grundsätzlich so aufgebaut ist wie in Fig. 1 1. Abweichend von Fig. 1 1 ist aber die Reihenfolge der Drossel 46 und der aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung 41 in Form der antiparallelen Thyristoren 37 zwischen der jeweiligen Abzweigung 35 und dem Mitte labgriff 3 vertauscht. Außerdem ist hier nur eine einzige gemeinsame Drossel 46 für alle drei Entlastungsnetzwerke 6 vorgesehen, die aber nicht in den Verbindungen 38 des Mittelabgriffs 3 mit den inneren Leistungsschaltern 14 und 24 liegt, sondern nur in den davon abzweigenden bidirektionalen Aufladepfaden 49.
Die Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 15 basiert ebenfalls auf einem dreiphasigen BSNPC- Wechselrichter. Dabei sind die Entlastungsnetzwerke 6 für die einzelnen Phasen grundsätzlich so wie in Fig. 10 ausgebildet, außer dass die Reihenfolge der jeweiligen Drossel 46 und der aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung 41 vertauscht ist und die Drossel 46 in der jeweiligen Verbindung 38 des Mittelabgriffs 3 mit den inneren Leistungsschaltern 14, 24 liegt.
Bei der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 16 sind die Drosseln 46 der drei Entlastungsnetzwerke 6 für alle drei Phasen gegenüber Fig. 15 durch eine einzige gemeinsame Drossel 46 zwischen dem Mittelabgriff 3 und der Verzweigung der Verbindungen 38 zu den inneren Leistungsschaltern 14, 24 der einzelnen Phasen ersetzt. Die Verwendung nur einer einzigen gemeinsamen Drossel 46 in den Schaltungsanordnungen 1 gemäß Fig. 14 und 16 ist möglich, weil diese Drossel 46 zu jedem Zeitpunkt nur für das resonante Aufladen eines der Kondensatoren 45 benötigt wird.
Die Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 17 ist als Variante der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 13 anzusehen. Dabei wird einer der beiden in Reihe geschalteten MOSFETs 9 der aktiv ansteuerbaren Schalteinrichtung 41 in jedem bidirektionalen Aufladepfad 49 des Entlastungsnetzwerks 6 für eine Phase durch einen der beiden MOSFETs 9 gebildet, die zusammen die inneren Leistungsschalter 14 und 24 einer anderen Phase bilden. Konkret liegt hier der MOSFET 9, der das aktiv ansteuerbare Schaltelement 50 eines der inneren Leistungsschalter 24 einer anderen Phase bildet, als zweiter MOSFET 9 in dem bidirektionalen Aufladepfad 49 des Entlastungsnetzwerks 6 für die eine Phase. Dies ist möglich, weil dann, wenn die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 41 in dem bidirektionalen Aufladepfad 49 des Entlastungsnetzwerks 6 für die eine Phase angesteuert wird, die inneren Leistungsschalter 14 und 24 der anderen Phase nicht betätigt werden, zumindest soweit die Ansteuerung der inneren Leistungs- Schalter 14 und 24 nach einem üblichen Taktverfahren für BSNPC-Wechselrichter erfolgt. Weiterhin ist es eine Voraussetzung für die Doppelnutzung jeweils eines MOSFETs 9 sowohl für die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 41 in einem der bidirektionalen Aufladepfade 49 des Entlastungsnetzwerks 6 für eine Phase und für die inneren Leistungsschalter 14 und 24 für eine andere Phase, dass die aktiv ansteuerbare Schalteinrichtung 41 und die inneren Leistungsschalter 14 und 24 jeweils durch zwei in Reihe geschaltete MOSFETs 9 mit entgegengesetzter Durchlassrichtung ihrer Bodydioden 5 bzw. 8 ausgebildet sind.
Bei der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 18 sind gegenüber Fig. 17 sämtliche Drosseln 46 aus den bidirektionalen Aufladepfaden 49 der Entlastungsnetzwerke 6 für die einzelnen Phasen analog zu Fig. 16 durch eine einzige gemeinsame Drossel 46 ersetzt. Auf diese Weise wird die Anzahl der Bauteile eines dreiphasigen Wechselrichters gemäß der vorliegenden Erfindung minimiert. BEZUGSZEICHENLISTE Schaltungsanordnung
Gleichspannungszwischenkreis
Mittelabgriff
Ausgangsanschluss
Antiparallele Diode
Entlastungsnetzwerk
Diode
Bodydiode
MOSFET
Diode
Eingangsanschluss
Zwischenkreiskondensator
Leistungsschalter
Leistungsschalter
Kondensator
Drossel
Schalteinrichtung
Schaltelement
Aufladepfad
Entladepfad
Eingangsanschluss
Zwischenkreiskondensator
Leistungsschalter
Leistungsschalter
Kondensator
Drossel
Schalteinrichtung
Schaltelement
Aufladepfad
Entladepfad
Teilbereich
Teilbereich
Zwischenpunkt Diode
Abzweigung Transistor Thyristor Verbindung Hilfsdrossel Schaltelement Schalteinrichtung Kondensator Drossel Aufladepfad Schaltelement

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Schaltungsanordnung (1 ) für einen Mehrpunktwechselrichter,
- mit einem Eingangsanschluss (1 1 ) für einen positiven Pol und einem Eingangsanschluss (21 ) für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung (yin),
- mit einem Mittelabgriff (3) für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung (t in).
- mit einem Ausgangsanschluss (4) zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms (/|0ad), - mit zwei äußeren Leistungsschaltern (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verbunden ist,
- mit zwei inneren Leistungsschaltern (14, 24), die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode (5, 34) mit dem Mittelabgriff (3) und andererseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Ausgangsanschluss (4) verbunden sind, und
- mit einem Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23), das mindestens einen Kondensator (15, 25, 45) umfasst,
- wobei für jeden der Kondensatoren (15, 25, 45) ein Aufladepfad (19, 29, 49) zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und dem Mittelabgriff (3) verläuft, in dem der jeweilige Kondensator (15, 25, 45) mit einer Drossel (16, 26, 46) in Reihe geschaltet ist, und
- wobei zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und jedem der Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) ein Entladepfad (20, 30) für einen der Kondensatoren (15, 25, 45) verläuft,
- wobei der Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator (15, 25, 45) und vor der Drossel (16, 26, 46) in einer Abzweigung (35) von dem jeweiligen Aufladepfad (19, 29, 49) abzweigt und
- wobei zwischen der Abzweigung (35) und dem Eingangsanschluss (21 , 1 1 ) ein unidirektionales Schaltelement (18, 28) in dem Entladepfad (20, 30) angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung (um) an demjenigen der Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ), mit dem der Entladepfad (20, 30) verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet ist, und
- wobei in jedem der Aufladepfade (19, 29, 49) eine Schalteinrichtung (17, 27, 41 ) mit dem Kondensator (15, 25, 45) und der Drossel (16, 26, 46) in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schalteinrichtung (17, 27, 41 ) für jede Durchlassrichtung jedes der unidirektionalen Schaltelemente (18, 28) in allen an den jeweiligen Aufladepfad (19, 29, 49) angeschlossenen Entladepfaden (20, 30) aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in einer Richtung zuzulassen, die der jeweiligen Durchlassrichtung von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen entgegengesetzt ist.
2. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Aufladepfade (19, 29, 49) eine separate Drossel (16, 26, 46) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter der Abzweigung (35) des Entladepfads (20, 30) und vor einem Anschluss des jeweiligen Aufladepfads (19, 29) an eine Verbindung (38) der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Mittelabgriff (3) angeordnet ist.
3. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (17, 27, 41 ) für jede Durchlassrichtung jedes der unidirektionalen Schalt- elemente (18, 19) in allen an den jeweiligen Aufladepfad (19, 29, 49) angeschlossenen Entlade- pfaden (20, 30) ein weiteres nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement und ein aktiv ansteuerbares Schaltelement (40, 50) umfasst.
4. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement und das aktiv ansteuerbare Schaltelement (40, 50) in dem jeweiligen Aufladepfad (19, 29) in Reihe geschaltet sind.
5. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aktiv ansteuerbare unidirektionale Schaltelement und das aktiv ansteuerbare Schaltelement (40, 50) unter Zwischenordnung des Kondensators (15, 25, 45) und/oder der Drossel (16, 26) in dem jeweiligen Aufladepfad (19, 29) in Reihe geschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das unidirektionale Schaltelement (18, 28) in jedem Entladepfad (20, 30) ein nicht aktiv ansteuerbares Schaltelement ist.
7. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Entladepfad (20, 30) direkt an den jeweiligen Eingangsanschluss (21 , 1 1 ) angeschlossen ist und/oder dass jeder Aufladepfad (19, 29, 49) direkt an den Ausgangsanschluss (4) angeschlossen ist.
8. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsdrossel (39) in einer Verbindung (38) der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Mittelabgriff (3) oder
in einer Verbindung der inneren Leistungsschalter (14, 24) mit dem Ausgangsanschluss (4), von den inneren Leistungsschaltern (14, 24) aus gesehen vor dem Anschluss der Aufladepfade (19, 29, 49) und Entladepfade (20, 30) an den Ausgangsanschluss (4) oder
bei in Reihe geschalteten inneren Leistungsschaltern (14, 24), zwischen den inneren Leistungsschaltern (14, 24) angeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 2 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktivität jeder separaten Drossel (16, 26, 46) in jedem Aufladepfad mindestens so groß ist wie eine Induktivität der Hilfsdrossel (39) .
10. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlastungsnetzwerk (6) zwei Kondensatoren (15, 25) aufweist, für die jeweils ein Aufladepfad (19, 29) und ein Entladepfad (20, 30) vorhanden sind.
1 1 . Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlastungsnetzwerk (6) einen Kondensator (45) aufweist, von dessen Aufladepfad (49) Entladepfade (20, 30) zu beiden Eingangsanschlüssen (1 1 , 21 ) abzweigen, wobei die Schalteinrichtung (17, 27) aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in der einen oder der anderen Richtung zuzulassen.
12. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (17, 27) zwei aktiv ansteuerbare Schaltelemente (50) aufweist, die jeweils in einem von zwei unidirektional stromdurchflossen antiparallelen Teilpfaden des Aufladepfads (49) angeordnet sind.
13. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter (13, 14, 23, 24) nach Art
- eines N PC-Wechselrichters,
- eines BSNPC-Wechselrichters,
- eines ARCP-Wechselrichters oder
- eines S3L-Wechslrichters
verschaltet sind.
14. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, die Schalt- einrichtung (17, 27, 41 ) in dem Aufladepfad (19, 29, 49), von dem der Entladepfad (20, 30) zu dem einen Eingangsanschluss (21 , 1 1 ) führt, innerhalb eines Zeitraums anzusteuern, über den hinweg sie den äußeren Leistungsschalter (13, 23) in Pulsen schließt, der mit dem anderen Eingangsanschluss (1 1 , 21 ) verbunden ist, wobei die Steuerung die Schalteinrichtung (17, 27, 41 ) in dem Zeitraum ansteuert, um einen unidirektionalen Strom in entgegengesetzten Richtung zu der Durchlassrichtung des unidirektionalen Schaltelements (18, 28) in dem Entladepfad (20, 30), der zu dem einen Eingangsanschluss (21 , 1 1 ) führt, zuzulassen.
15. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die Schalteinrichtung (17, 27, 41 ) nur innerhalb eines Teilzeitraums (31 , 32) des Zeit- raums ansteuert, wobei in dem Teilzeitraum (31 , 32) ein Betrag eines Momentanwerts des Ausgangswechselstroms (/|0ad) einen unteren Grenzwerts (/min) einhält und wobei der Momentanwert des Ausgangswechselstroms (/|0ad) und ein Momentanwert der Ausgangs- Wechselspannung (uout) gleiche Vorzeichen aufweisen.
16. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die Schalteinrichtung (17, 27, 41 ) in Pulsen ansteuert, die mit den Pulsen, in denen sie den äußeren Leistungsschalter (13, 23) schließt, synchronisiert sind.
17. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, jeweils einen der inneren Leistungsschalter (14, 24) bezogen auf eine Ausgangswechselspannung an dem Ausgangsanschluss halbwellenweise zu schließen und den anderen der inneren Leistungs- Schalter (14, 24) zumindest zeitweise komplementär zu dem jeweils gepulsten äußeren Leistungsschalter (13, 23) in Pulsen zu schließen, wobei Totzeiten zwischen den Pulsen des inneren und des äußeren Leistungsschalters (13, 23) verbleiben, in denen sich der bei geschlossenem äußeren Leistungsschalter (13, 23) aufladende Kondensator (15, 25, 45) des Entlastungsnetzwerks (6) entlädt.
18. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen mehrphasigen Mehrpunktwechselrichter, der für jede Phase
- einen Ausgangsanschluss (4),
- zwei äußere Leistungsschalter (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verbunden ist, - zwei innere Leistungsschalter (14, 24), und
- ein Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23) mit mindestens einem Kondensator (15, 25, 45) und einem Aufladepfad (19, 29, 49) für jeden der Konden- satoren (15, 25, 45)
aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Aufladepfade (19, 29, 49) für alle Konden- satoren (15, 25, 45), die zur Schaltentlastung für diejenigen der Leistungsschalter (13, 23) vor- gesehen sind, die mit demselben der beiden Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verbunden sind, über eine gemeinsame Drossel (16, 26, 46) führen, die direkt mit dem Mittelabgriff (3) verbunden ist.
19. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 1 oder 12 für einen mehrphasigen Mehrpunktwechselrichter, der für jede Phase
- einen Ausgangsanschluss (4),
- zwei äußere Leistungsschalter (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verbunden ist, und zwei innere Leistungsschalter (14, 24), wobei die Leistungsschalter (13, 14, 23, 24) nach Art eines BSN PC-Wechselrichters verschaltet sind, wobei die inneren Leistungsschalter (14, 24) eine Reihenschaltung aus zwei aktiv ansteuer- baren Schaltelementen umfassen, denen jeweils ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement antiparallel geschaltet ist, sowie
- ein Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23) mit einem Kondensator (45) und einem bidirektionalen Aufladepfad (49) für den Kondensator (45) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Schalteinrichtung (41 ) in jedem Aufladepfad (49) eine Reihenschaltung aus zwei aktiv ansteuerbaren Schaltelementen umfasst, denen jeweils ein nicht aktiv ansteuerbares unidirektionales Schaltelement antiparallel geschaltet ist, und
- dass jeder Aufladepfad (49) des Entlastungsnetzwerks (6) für eine Phase über eines der beiden aktiv ansteuerbaren Schaltelemente der inneren Leistungsschalter (14, 24) einer anderen Phase zu dem Mittelabgriff (3) verläuft, wobei dieses aktiv ansteuerbare Schaltelement zugleich eines der aktiv ansteuerbaren Schaltelemente der Schalteinrichtung (41 ) ist.
20. Schaltungsanordnung (1 ) für einen Mehrpunktwechselrichter,
- mit einem Eingangsanschluss (1 1 ) für einen positiven Pol und einem Eingangsanschluss (21 ) für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung (yin),
- mit einem Mittelabgriff (3) für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung (t in).
- mit einem Ausgangsanschluss (4) zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms (/|0ad), - mit zwei äußeren Leistungsschaltern (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verbunden ist,
- mit zwei inneren Leistungsschaltern (14, 24), die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode (5, 34) mit dem Mittelabgriff (3) und andererseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Ausgangsanschluss (4) verbunden sind, und
- mit einem Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23), das zwei Kondensatoren (15, 25) umfasst,
- wobei für jeden der Kondensatoren (15, 25)
- ein Aufladepfad (19, 29) zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und dem Mittelabgriff (3) verläuft, in dem der jeweilige Kondensator (15, 25) mit einem unidirektionalen Schaltelement (17, 27) und einer Drossel (16, 26) in Reihe geschaltet ist, und
- ein Entladepfad (20, 30) zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und einem der Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verläuft,
- wobei der Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter dem jeweiligen Kondensator (15, 25) und vor der Drossel (16, 26) in einer Abzweigung (35) von dem Aufladepfad (19, 29) für den jeweiligen Kondensator (15, 25) abzweigt und
- wobei zwischen der Abzweigung (35) und dem Eingangsanschluss (21 , 1 1 ) ein weiteres unidirektionales Schaltelement (18, 28) in dem Ent- ladepfad (20, 30) angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangs- gleichspannung (um) an demjenigen der Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ), mit dem der Entladepfad verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet ist, und - wobei das unidirektionale Schaltelement (17, 27) in jedem der Aufladepfade (19, 29) eine Durchlassrichtung aufweist, die der Durchlassrichtung des weiteren unidirektio- nalen Schaltelements (18, 19) in dem an den jeweiligen Aufladepfad (19, 29) ange- schlossenen Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen entgegengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, - dass das unidirektionale Schaltelement (17, 27) in jedem der Aufladepfade (19, 29) aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in seiner Durchlassrichtung zuzulassen.
21 . Schaltungsanordnung (1 ) für einen Mehrpunktwechselrichter,
- mit einem Eingangsanschluss (1 1 ) für einen positiven Pol und einem Eingangsanschluss (21 ) für einen negativen Pol einer Eingangsgleichspannung (yin),
- mit einem Mittelabgriff (3) für einen Spannungsmittelpunkt der Eingangsgleichspannung (t in).
- mit einem Ausgangsanschluss (4) zum Ausgeben eines Ausgangswechselstroms (/|0ad), - mit zwei äußeren Leistungsschaltern (13, 23), von denen jeweils einer mit einem der beiden Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) verbunden ist,
- mit zwei inneren Leistungsschaltern (14, 24), die jeweils einerseits direkt oder über eine Diode (5, 34) mit dem Mittelabgriff (3) und andererseits direkt oder über eine Diode (5) mit dem Ausgangsanschluss (4) verbunden sind, und
- mit einem Entlastungsnetzwerk (6) für die äußeren Leistungsschalter (13, 23), das einen Kondensator (45) umfasst,
- wobei für den Kondensator (45) ein bidirektionaler Aufladepfad (49) zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und dem Mittelabgriff (3) verläuft, in dem der Kondensator (45) in dem bidirektionalen Aufladepfad (49) mit einer Schalteinrichtung (41 ) und einer Drossel (46) in Reihe geschaltet ist,
- wobei die Schalteinrichtung (41 ) zwei Durchlassrichtungen aufweist und in jeder der beiden Durchlassrichtungen aktiv ansteuerbar ist, um vorübergehend einen unidirektionalen Strom in der jeweiligen Durchlassrichtung zuzulassen, und - wobei zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und jedem der Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ) ein Entladepfad (20, 30) für den Kondensator (45) verläuft,
- wobei der Entladepfad (20, 30) von dem Ausgangsanschluss (4) aus gesehen hinter dem Kondensator (45) und vor der Drossel (46) in einer Abzwei- gung (35) von dem bidirektionalen Aufladepfad (49) abzweigt und - wobei zwischen der Abzweigung (35) und dem Eingangsanschluss (21 , 1 1 ) ein unidirektionales Schaltelement (18, 28) in dem Entladepfad (20, 30) angeordnet ist, das bezogen auf den Pol der Eingangsgleichspannung (um) an demjenigen der Eingangsanschlüsse (1 1 , 21 ), mit dem der Entladepfad (20, 30) verbunden ist, in Sperrrichtung ausgerichtet ist.
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