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WO2020043689A1 - Adaptervorrichtung zum bidirektionalen betrieb - Google Patents

Adaptervorrichtung zum bidirektionalen betrieb Download PDF

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WO2020043689A1
WO2020043689A1 PCT/EP2019/072766 EP2019072766W WO2020043689A1 WO 2020043689 A1 WO2020043689 A1 WO 2020043689A1 EP 2019072766 W EP2019072766 W EP 2019072766W WO 2020043689 A1 WO2020043689 A1 WO 2020043689A1
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WO
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switching device
connection
switching
bridge
alternating current
Prior art date
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Application number
PCT/EP2019/072766
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Leibl
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Brusa Elektronik AG
Original Assignee
Brusa Elektronik AG
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Publication date
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Priority to CN201980056801.0A priority patent/CN112997396B/zh
Priority to US17/269,184 priority patent/US11532999B2/en
Publication of WO2020043689A1 publication Critical patent/WO2020043689A1/de
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • switching devices may be used for the switching devices of a bridge branch.
  • the omission of a switching device, in particular the non-equipping of a switching device, may be interpreted as a permanently open switching device.
  • the use of a power factor correction device for bidirectional power transmission is specified. So an existing PFC device may like by changing a control program and / or can be retrofitted by means of the provision of a mode setting device for bidirectional operation, as a result of which installation costs can be saved.
  • a refrigerator for example a refrigerator and / or a computer.
  • the power switches normally used for example Si-MOSFETs (silicon metal oxide semiconductor field effect transistor, silicon metal oxide semiconductor field effect transistor), can only be operated “backwards” to a limited extent in order to work as an AC power source.
  • Si-MOSFETs silicon metal oxide semiconductor field effect transistor, silicon metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the type of switching device is selected from the group of types of switching devices.
  • the group of types of switching devices consists of an electronic switch, a bipolar transistor, a silicon carbide MOSFET (SiC-MOSFET), an insulated-gate bipolar transistor (IGBT), an insulated-gate bipolar transistor (IGBT) with an anti-parallel silicon carbide -Diode (SiC diode) and a silicon metal oxide semiconductor field-effect transistor (Si-MOSFET).
  • Minority charge carriers may use - higher turn-off losses, so that switching devices with different turn-off losses are used within a bridge branch.
  • the coils can be configured essentially identically but also differently.
  • the symmetrical provision of the coils in the first AC connection and the second AC connection enables bridgeless operation, ie a rectifier bridge for rectifying the alternating current for conversion into a direct current is not necessary. Taking into account a change in the sign of the alternating current can be carried out by the
  • the coils of the first AC contact and the second AC contact may be magnetically coupled, for example via a ferrite core.
  • the coupling can be the opposite.
  • an additional common-mode filter effect may be appropriate.
  • the mode setting means is arranged to change the direction of a power flow from the
  • the mode setting device is arranged to change the direction of a power flow from the
  • This second control pattern provides that the first switching device and the third switching device are present as a function of the positive potential of one at the AC connection Alternating current are switched so as to permanently connect the bridge point of the corresponding bridge branch belonging to the switching device to the first direct current contact during the associated half-wave, in particular in order to switch through the corresponding switching device. It also sees the second
  • This clock may correspond to the frequency of a PWM signal (pulse width modulated signal) and, in the case of PFC operation or rectifier mode, to adapt the current profile to the voltage profile of the generated alternating current and / or the generated alternating voltage by a direct voltage and / or direct current with a high power factor or PFC value close to 1.
  • PWM signal pulse width modulated signal
  • wired network technology can be used.
  • Program element created which has program code that, when executed by a processor, executes the method for operating an adapter device.
  • a Bridgeless PFC may
  • a step-up converter may correspond to a bridge branch of the adapter device.
  • the step-up converters each have a series connection of a circuit breaker or a second or fourth switching device and a diode.
  • the first connection of the circuit breaker is connected to the negative pole of a DC voltage circuit and / or DC connection.
  • the diode is connected to the cathode at the positive pole of the same DC circuit or intermediate circuit.
  • each of the connection points between the second connection of the circuit breaker and the diode anode is connected via a choke to a connection of a two-pole AC voltage source or the first or second AC contact.
  • An IGBT or a first switching device or a second switching device is connected in parallel to each diode of each of the two step-up converters, which is switched through fully when the inverter is required during the positive half-wave of the associated grid connection, in particular bypasses and / or short-circuits the diode.
  • the step-up converter and / or the bridge point has a MOSFET and an SiC diode
  • the step-up converter and / or the bridge point has a Si-MOSFET and a SiC diode.
  • FIG. 2 shows an adapter device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 4 shows the adapter device in the rectifier mode during the application of a negative half-wave of a sinusoidal AC voltage provided by the network according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 5 shows the adapter device in the inverter mode during the provision of a positive half-wave of a sinusoidal generated alternating voltage according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows the adapter device in the inverter mode during the provision of a negative half-wave of a sinusoidal generated AC voltage according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows an energy supply system with a three-phase structure for an electric vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention. Detailed description of exemplary embodiments
  • AC voltage or "DC current” and “DC voltage” are used equally and essentially the temporal course of the physical quantity
  • DC voltage source imply that both an appropriately shaped current and an appropriately shaped voltage are described.
  • a PFC (Power Factor Correction) circuit is often used together with a passive rectifier or a passive bridge between one
  • AC voltage source for example the public AC network and a DC voltage consumer connected, for example a DC intermediate circuit with capacitor and subsequent inverter with transformer.
  • DC link with the capacitor and subsequent inverter with transformer can be viewed as a “load”.
  • This circuit section which is located between the bridge or the AC voltage source and the load and is referred to as PFC, is usually designed as a step-up converter or boost converter and thus enables current consumption from the network over the entire network period. especially near the zero voltage crossing.
  • the PFC is regulated so that a sinusoidal AC current is drawn from the AC network.
  • a PFC circuit is often only designed for power of one
  • the adapter device 200 for connecting an AC device 210 and a DC device 21 1 has an AC connection 201, one
  • the first bridge branch 203a and the second bridge branch 203b form a full bridge circuit 203.
  • the first bridge point B1 is with a first AC contact 201 a
  • the adapter device 200 can thus be operated as a bidirectional bridge-less PFC (bidirectional bridge-less PFC).
  • bridgeless may refer to one obtain passive rectifier bridge. Switches with majority charge carriers are MOSFET, SiC diodes, which are actually SiC Schottky diodes, and switches with minority charge carriers are IGBTs or conventional Si diodes.
  • IGBTs can be used for the first switching device Sn and the third switching device S21.
  • the inverter mode i.e. the inverter mode
  • the adapter device has two half bridges 203a, 203b, the first one
  • Mains connection is operated as a "clocking" half-bridge 203a and which alternately switches the first switching device Sn and the second switching device S12 on and off in time with a PWM signal.
  • Switching device S22 is operated with a clock whose frequency is higher than the frequency of the alternating current present at the alternating current connection.
  • the arrowhead of arrow 301 which indicates the negative potential, is at the AC contact 201b and thus at the bridge point B2.
  • B2 belongs to the second bridge branch 203b.
  • the fourth switching device S22 is thus switched through for the duration of the negative potential present, so that the bridge point B2 is connected to the negative direct current contact 205b of the direct current connection 205.
  • the second correspondingly connected to the negative direct current contact 205b
  • Switching device S12 of the bridge branch is freely switchable and can therefore be clocked.
  • B1 is assigned to the positive potential of the half-wave 301.
  • the second switching device S12 belonging to the associated first bridge branch 203a is switched through for the duration of the half-wave and with the negative one
  • the switchover between the control patterns of FIGS. 3 and 4 essentially takes into account that the circuit has no passive rectifier bridge, so that the passive rectifier bridge functions by active switching as a function of the polarity of the AC input voltage.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Es wird eine Adaptervorrichtung zum bidirektionalen Netzbetrieb vorgeschlagen.

Description

Adaptervorrichtung zum bidirektionalen Betrieb
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Leistungsübertragung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Adaptervorrichtung zum Verbinden einer
Wechselstromeinrichtung und einer Gleichstromeinrichtung, ein Verfahren zum Betreiben der Adaptervorrichtung, ein Energieversorgungssystem, ein Verkehrsmittel und eine Nutzung einer Power-Factor-Correction (PFC) Vorrichtung zur bidirektionalen
Leistungsübertragung.
Hintergrund der Erfindung
Zum elektrischen Laden eines reinen Elektrofahrzeugs (EV, Electric Vehicle) oder eines Hybridfahrzeugs (PHEV, Plug-in Hybrid-Electric Vehicle), welches mit einer Kombination aus Treibstoff und elektrischer Energie betrieben wird, kann ein System für die induktive Energieübertragung genutzt werden, wenn das Laden kontaktlos erfolgen soll. Es kann aber auch ein kabelgebundenes System zum Einsatz kommen. Beide Systeme haben gemeinsam, dass - insbesondere um beispielsweise Grenzwerte für elektromagnetische Emission einzuhalten - Spannungen und Ströme unterschiedlicher Höhen zum Einsatz kommen.
Leistungsfähige Spannungswandler, die am Wechselstromnetz betrieben werden und am Ausgang eine Gleichspannung erzeugen, müssen eine Reihe von international genormten Vorschriften erfüllen, damit sie den Betrieb anderer Geräte nicht stören und die Qualität der Netzspannung nicht beeinträchtigen. Besonders bei hohen Leistungen im kW-Bereich, wie sie zum Beispiel bei den Ladegeräten für Elektrofahrzeuge erforderlich sind, ist die Forderungen nach einem geringen Oberwellengehalt des Netz-Eingangsstromes ein Designkriterium.
l Im Idealfall verhält sich ein Spannungswandler am Netz wie ein Widerstand, d.h. der vom Netz aufgenommene Strom ist in jedem Augenblick proportional zur Eingangsspannung. Ist diese sinusförmig, was in der Regel der Fall ist, so ist auch der aufgenommene Strom rein sinusförmig und enthält somit keine weiteren Oberwellen.
Allerdings wird im Fall, bei dem die Ladung eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise eines Kondensator, direkt von einem Netzgleichrichter involviert ist, der Strom in kurzen Pulsen aufgenommen und enthält damit viele Oberwellen.
Um dies zu verhindern, wird in der Regel eine PFC-Schaltung (Power-Faktor-Korrektur) zwischen Gleichrichter und Kondensator geschaltet. Bei einer PFC-Schaltung handelt es sich im Wesentlichen um einen Hochsetzsteller, der so gesteuert wird, dass der vom Netz aufgenommene Strom wie die Netzspannung verläuft, also sinusförmig ist und nur eine minimale Phasenverschiebung aufweist.
Für Ladegeräte in Elektro-Fahrzeugen gelten zusätzliche Anforderungen. Sie sollen klein, leicht und robust sein und trotzdem die vom Netz bezogene Energie möglichst ohne Verluste der Batterie zuführen. Eine Potentialtrennung zwischen Netz und Batterie aus Gründen der Sicherheit und elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mag durch Vorschriften vorgegeben sein. Zudem besteht wie bei allen Fahrzeug-Komponenten - insbesondere Automobil-Komponenten - ein sehr hoher Kostendruck.
Aufgrund dieser Bedingungen wird nach Möglichkeiten gesucht, auf die oben erwähnte zusätzliche PFC-Stufe zu verzichten oder diese mit einer zusätzlichen Funktionalität zu versehen.
Die Druckschriften US 9,093,917 B1 und US 9,590,494 B1 beschreiben beispielsweise verschieden sog. Brückenlose PFC Schaltkreise (Bridgeless Power Factor Correction Circuits) Die Druckschrift US 2007/0029987 US zeigt einen Boost-PFC Schaltkreis mit einem Brückengleichrichter.
Es mag als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine effektive Übertragung von Energie zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend wird eine Adaptervorrichtung zum Verbinden einer
Wechselstromeinrichtung und einer Gleichstromeinrichtung, ein Verfahren zum Betreiben der Adaptervorrichtung, ein Energieversorgungssystem, ein Verkehrsmittel und eine Nutzung einer Power-Factor-Correction (PFC) Vorrichtung zur bidirektionalen
Leistungsübertragung angegeben.
Der Gegenstand der Erfindung wird von den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche angegeben. Ausführungsbeispiele und weitere Aspekte der Erfindung werden von den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung angegeben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Adaptervorrichtung zum Verbinden einer Wechselstromeinrichtung und einer Gleichstromeinrichtung angegeben, wobei die Adaptervorrichtung einen Wechselstromanschluss, einen
Gleichstromanschluss, einen ersten Brückenzweig, einen zweiten Brückenzweig und eine Mode-Einstell-Einrichtung aufweist. Der erste Brückenzweig weist eine erste
Schalteinrichtung und eine zweite Schalteinrichtung auf und der zweite Brückenzweig weist eine dritte Schalteinrichtung und eine vierte Schalteinrichtung auf. Die erste
Schalteinrichtung ist mit der zweiten Schalteinrichtung an einem ersten Brückenpunkt in Serie geschaltet und die dritte Schalteinrichtung ist mit der vierten Schalteinrichtung an einem zweiten Brückenpunkt in Serie geschaltet. Außerdem ist der erste Brückenpunkt mit einem ersten Wechselstromkontakt des Wechselstromanschlusses verbunden und der der zweite Brückenpunkt ist mit einem zweiten Wechselstromkontakt des
Wechselstromanschlusses verbunden. In einem Beispiel weist die Verbindung des ersten Brückenpunktes mit dem ersten Wechselstromkontakt eine erste Induktivität auf und die Verbindung des zweiten Brückenpunktes mit dem ersten Wechselstromkontakt weist eine zweite Induktivität auf. Bei der Induktivität mag es sich um eine Leitungsinduktivität und/oder um ein Spule handeln. Der erste Brückenzweig und der zweite Brückenzweig sind an einem ersten Gleichstromkontakt des Gleichstromanschlusses bzw. an einem zweiten Gleichstromkontakt des Gleichstromanschlusses parallelgeschaltet.
Die Mode-Einstell-Einrichtung ist eingerichtet, die Richtung eines Leistungsflusses zwischen Gleichstromanschluss und/oder Wechselstromanschluss vorzugeben. So mag die Mode-Einstell-Einrichtung beispielsweise in einem konventionellen PFC-Mode oder Rectifier Mode schaltbar sein, in dem die Adaptervorrichtung als AC-DC-Wandler (Wechselstrom zu Gleichstrom-Wandler) betrieben wird. Außerdem mag die Mode- Einstell-Einrichtung beispielsweise in einen Rückspeise-Mode oder Inverter Mode schaltbar sein, in dem die Adaptervorrichtung als DC-AC Wandler betrieben wird.
Für die Schalteinrichtungen eines Brückenzweiges mögen unterschiedliche Typen von Schalteinrichtungen eingesetzt werden. Das Weglassen einer Schalteinrichtung, insbesondere das Nicht-Bestücken einer Schalteinrichtung mag als eine permanent geöffnete Schalteinrichtung interpretiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Adaptervorrichtung angegeben. Das Verfahren sieht das Bestimmen einer gewünschten Richtung eines Leistungsflusses zwischen
Gleichstromanschluss und/oder Wechselstromanschluss mittels einer Mode-Einstell- Einrichtung vor. Wenn die gewünschte Leistungsflussrichtung bestimmt ist, kann ein zugeordneter Betriebsmodus oder Mode mittels der Mode-Einstell-Einrichtung eingestellt werden.
Um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Wechselstromanschluss zu dem Gleichstromanschluss vorzugeben erfolgt ein Schalten einer zweiten Schalteinrichtung und einer vierten Schalteinrichtung der Adaptervorrichtung in Abhängigkeit des negativen Potentials eines an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden
Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft, also ohne
zwischenzeitliche Unterbrechung, mit dem zweiten Gleichstromkontakt zu verbinden. Und außerdem erfolgt das Betreiben der zweiten Schalteinrichtung bzw. der vierten
Schalteinrichtung, die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltet ist, mit einem Takt, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
Um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Gleichstromanschluss zu dem
Wechselstromanschluss vorzugeben erfolgt ein Schalten der ersten Schalteinrichtung und der dritten Schalteinrichtung der Adaptervorrichtung in Abhängigkeit des positiven Potentials eines an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden
Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem ersten
Gleichstromkontakt zu verbinden. Und außerdem erfolgt ein Betreiben der zweiten Schalteinrichtung bzw. der vierten Schalteinrichtung, die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltet ist, mit einem Takt, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Energieversorgungssystem, welches eine Wechselstromquelle und/oder eine
Wechselstromsteckdose, zumindest eine erfindungsgemäße Adaptervorrichtung und eine Gleichstromquelle und/oder ein Gleichstromspeicher aufweist. Die Wechselstromquelle und/oder die Wechselstromsteckdose ist mit dem Wechselstromanschluss der
Adaptervorrichtung verbunden und die Gleichstromquelle und/oder der
Gleichstromspeicher mit dem Wechselstromanschluss der Adaptervorrichtung verbunden.
Es mögen als Wechselstromquellen eine und/oder mehrere Phasen eines
Wechselstromnetzes nutzbar sein.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verkehrsmittel beschrieben, welches eine erfindungsgemäße Adaptervorrichtung und/oder ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem aufweist.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Nutzung einer Power- Factor-Correction Vorrichtung zur bidirektionalen Leistungsübertragung angegeben. So mag eine bereits vorhandene PFC Vorrichtung durch Ändern eines Steuerprogramms und/oder mittels des Vorsehens einer Mode-Einstell-Einrichtung für den bidirektionalen Betrieb nachrüstbar sein, wodurch Installationskosten gespart werden können.
Wenn das Bordladegerät eines Elektrofahrzeugs nicht nur Energie vom Netz beziehen soll, sondern im inversen Betrieb auch einen Wechselstrom an eine Last abgeben soll, kann ein bidirektionaler PFC vorgesehen werden, um nicht für jede
Leistungsausbreitungsrichtung eigene Hardware-Bauteile vorsehen zu müssen. Ein bidirektionaler Betrieb kann erwünscht sein, wenn beispielsweise einerseits die Batterie eines Fahrzeuges aus einem Wechselstromnetz geladen werden soll und andererseits die Batterie in einem autarken Betrieb externe Standard-Haushaltsgeräte mit einem üblichen Hausgerätestecker und entsprechender Stromversorgung betreiben soll, wie
beispielsweise einen Kühlschrank und/oder einen Computer.
Für einen bidirektionalen Betrieb können die üblichen verwendeten Leistungsschalter beispielsweise Si-MOSFETs (Silizium Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Silicon Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) nur bedingt„rückwärts“ betrieben werden, um als Wechselstromquelle zu arbeiten. Durch die in den MOSFETS
vorhandenen Body-Dioden können sich aufgrund der hohen Sperrverzögerung dieser Dioden unerwünschte Betriebszustände ergeben, welche zu hohen Verlusten und starken elektromagnetischen Störungen führen, die nicht erwünscht sind.
Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Adaptervorrichtung, zeigt, der Rückwärtsbetrieb möglich ist, ohne die gegenüber Si-MOSFETs wesentlich teureren SiC-MOSFETs (Siliziumkarbid-MOSFETs) auszukommen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht haben. Die erfindungsgemäße Adaptervorrichtung ermöglicht es, dass eine mit Si- MOSFETs aufgebaute PFC Schaltung mit zumindest zwei kostengünstigen IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor) ergänzt werden kann, um die bidirektionale Funktion ohne zusätzliche Nachteile zu erreichen.
Die Mode-Einstell-Einrichtung kann mehrere unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Beispielsweise kann sie als ein physikalischer Schalter, ein elektronischer Schalter und oder als eine Software und/oder als ein Register einer Software vorgesehen sein. Die Richtung des Leistungsflusses kann aber auch an dem Ort einer Belastung als gewünschtes Ziel des Leistungsflusses erkannt werden und entsprechend kann die Flussrichtung der Leistung eingestellt werden. Im Falle eines Netzbetriebs mag eine Eingangsspannung von dem Netz vorgegeben sein. In einem freien Betrieb, in dem die Adaptervorrichtung beispielsweise als AC Quelle (Wechselstromquelle) verwendet werden soll, mag die an dem Wechselstromanschluss anliegende Spannung von der Adaptervorrichtung, beispielsweise mittels der Mode- Einstell-Einrichtung einstellbar sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Mode-Einstell- Einrichtung eingerichtet, die Richtung des Leistungsflusses zwischen
Gleichstromanschluss und/oder Wechselstromanschluss vorzugeben, indem die Mode- Einstell-Einrichtung die erste Schalteinrichtung, die zweite Schalteinrichtung, die dritte Schalteinrichtung und die vierte Schalteinrichtung nach einem vorgebbaren Muster ansteuert. Die Ansteuerung kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Verlaufs einer an dem Wechselstromanschluss anliegenden Stromverlaufs und/oder Spannungsverlaufs vorgenommen werden. Hierzu kann beispielsweise ein Vorzeichen einer sinusförmigen Strom- und/oder Spannungskennlinie ausgewertet werden und die Schalteinrichtungen entsprechend geschaltet werden.
Dieses vorgebbare Ansteuermuster, mag es ermöglichen, dass ein PFC-Schaltkreis bidirektional betrieben werden kann, insbesondere, wenn dieser PFC-Schaltkreis Si- MOSFETS nutzt.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Typ einer Schalteinrichtung aus der Gruppe von Typen von Schalteinrichtungen ausgewählt. Die Gruppe von Typen von Schalteinrichtungen bestehet aus einem elektronischen Schalter, einem Bipolar- Transistor, einem Siliziumkarbid-MOSFET (SiC-MOSFET), einem Insulated-gate bipolar Transistor (IGBT), einem Insulated-gate bipolar Transistor (IGBT) mit antiparallel geschalteter Siliziumkarbid-Diode (SiC-Diode) und einem Silizium- Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor (Si-MOSFET).
Der Einsatz entsprechender Typen von Bauteilen ermöglicht einen preisgünstigen Aufbau einer bidirektional betreibbaren Adaptervorrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich die unterschiedlichen Typen von Schalteinrichtungen innerhalb eines Brückenzweiges durch ihre Abschaltverluste und/oder ihre Schaltgeschwindigkeit und/oder dadurch, dass die Stromleitung durch Minoritätsladungsträger (Bipolartransistor, IGBT) oder Majoritäts- Ladungsträger (MOSFET, SiC-Schottkydiode) erfolgt. SiC-Dioden mögen gegenüber Si- Dioden beispielsweise die Möglichkeit bieten den Vorwärtsstrom durch Einschalten des MOSFETs schlagartig kommutiert zu werden, ohne dass große Störungen und Verluste entstehen, so mag deren Mehrpreis andernorts eingespart werden können, z.B. beim EMV-Filter oder der Kühlung. Gegenüber Si-Dioden mag zum Abschalten der Diode im Wesentlichen keine oder nur eine verschwindend geringe Sperrverzögerungsladung abgebaut werden müssen. Bezogen auf eine Si-Diode mag eine SiC-Diode schneller schalten.
Beispielsweise mag für die erste Schalteinrichtung des ersten Brückenzweiges und die dritte Schalteinrichtung des ersten Brückenzweiges, also für die Schalteinrichtungen eines Brückenzweiges, die mit dem ersten Gleichstromkontakt, beispielsweise einem positiven Kontakt oder -i-Kontakt des Gleichstromanschlusses verbunden sind, ein IGBT mit antiparallel geschalteter SiC-Diode genutzt werden. Für die zweite Schalteinrichtung des ersten Brückenzweiges und die vierte Schalteinrichtung des zweiten Brückenzweiges mag hingegen ein Si-MOSFET genutzt werden. Folglich sind die Schalteinrichtungen eines Brückenzweiges, die mit dem zweiten Gleichstromkontakt verbunden sind, beispielsweise einem negativen Kontakt oder --Kontakt des Gleichstromanschlusses als Si-MOSFETs ausgeführt.
Ein IGBT weist jedoch - unter anderem da die Stromleitung durch Minoritätsladungsträger erfolgt - gegenüber einem Si-MOSFET - welcher zur Stromleitung die
Minoritätsladungsträger nutzen mag - höhere Ausschaltverluste auf, so dass innerhalb eines Brückenzweiges Schalteinrichtungen mit unterschiedlichen Ausschaltverlusten eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der erste
Wechselstromkontakt des Wechselstromanschlusses und/oder der zweite
Wechselstromkontakt des Wechselstromanschlusses eine Spule auf. Die Spule kann in einem Beispiel als Leitungsinduktivität realisiert sein.
Eine Spule in den Wechselstromkontakten bildet mit den beiden zugehörigen
Leistungsschaltern einen Hochsetzsteller und ermöglicht es erst, die Spannung im PFC- Mode auf eine gewünschte Spannung hochzusetzen. Die Spulen können im Wesentlichen identisch aber auch unterschiedlich ausgebildet sein. Das symmetrische Vorsehen der Spulen in dem ersten Wechselstromanschluss und dem zweiten Wechselstromanschluss ermöglicht den Bridgeless-Betrieb, d.h. eine Gleichrichterbrücke für das Gleichrichtern des Wechselstromes zur Wandlung in einen Gleichstrom ist nicht notwendig. Das Berücksichtigen eines Vorzeichenwechsels des Wechselstroms kann durch die
Ansteuerung der Schalteinrichtungen vorgesehen werden.
In einem Beispiel mögen die Spulen des ersten Wechselstromkontakts und des zweiten Wechselstromkontakts magnetisch gekoppelt sein, beispielsweise über einen Ferrit Kern. Die Kopplung kann gleichläufig der gegenläufig sein. Bei Ausführung als Common-mode- Drossel mit hoher Streuinduktivität mag sich eine zusätzliche Common-Mode- Filterwirkung.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Mode-Einstell- Einrichtung eingerichtet, um die Richtung eines Leistungsflusses von dem
Wechselstromanschluss zu dem Gleichstromanschluss vorzugeben und ein erstes Ansteuermuster für die Schalteinrichtungen vorzugeben. Dieses erste Ansteuermuster sieht vor, dass die zweite Schalteinrichtung und die vierte Schalteinrichtung in
Abhängigkeit des negativen Potentials eines an dem Wechselstromanschluss
anliegenden Wechselstromes geschaltet werden, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem zweiten Gleichstromanschluss zu verbinden, insbesondere um die entsprechende Schalteinrichtung durchzuschalten. Außerdem sieht das erste Ansteuermuster vor, dass die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltete zweite Schalteinrichtung bzw. vierte Schalteinrichtung mit einem Takt betreiben wird, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem
Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Mode-Einstell- Einrichtung eingerichtet, um die Richtung eines Leistungsflusses von dem
Gleichstromanschluss zu dem Wechselstromanschluss vorzugeben und ein zweites Ansteuermuster für die Schalteinrichtungen vorzugeben. Dieses zweite Ansteuermuster sieht vor, dass die erste Schalteinrichtung und die dritte Schalteinrichtung in Abhängigkeit des positiven Potentials eines an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes geschaltet werden, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem ersten Gleichstromkontakt zu verbinden, insbesondere um die entsprechende Schalteinrichtung durchzuschalten. Außerdem sieht das zweite
Ansteuermuster vor, dass die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltete zweite Schalteinrichtung bzw. vierte Schalteinrichtung mit einem Takt betreiben wird, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
Dieser Takt mag der Frequenz eines PWM-Signals (Puls Weiten Moduliertes Signal) entsprechen und im Falle des PFC-Betriebs oder Rectifier Mode für die Anpassung des Stromverlaufs and den Spannungsverlauf des generierten Wechselstromes und/oder der generierten Wechselspannung um eine Gleichspannung und/oder Gleichstrom mit einem hohen Power Factor oder PFC Wert von nahe 1 zu erzeugen.
Dieser Takt mag im Inverter-Mode oder Rückspeise Mode dafür sorgen, dass die Gleichspannung und/oder der Gleichstrom in einen möglichst rippel-freien sinusförmigen Wechselstrom und/oder eine entsprechende Wechselspannung gewandelt werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Takt m Wesentlichen unabhängig von der Richtung des Leistungsflusses.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem ein Programmcode gespeichert ist, der, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Betreiben einer Adaptervorrichtung ausführt. Eine Steuereinrichtung oder ein Controller kann solch einen Prozessor nutzen, insbesondere eine Mode-Einstell-Einrichtung.
Als ein computerlesbares Speichermedium mag eine Floppy Disc, eine Festplatte, ein USB (Universal Serial Bus) Speichergerät, ein RAM (Random Access Memory), ein ROM (Read Only Memory) oder ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) genutzt werden. Als Speichermedium kann auch ein ASIC (application-specific integrated Circuit) oder ein FPGA (field-programmable gate array) genutzt werden sowie eine SSD (Solid-State-Drive) Technologie oder ein Flash-basiertes Speichermedium. Ebenso kann als Speichermedium ein Web-Server oder eine Cloud genutzt werden. Als ein computerlesbares Speichermedium mag auch ein Kommunikationsnetz angesehen werden, wie zum Beispiel das Internet, welches das Herunterladen eines Programmcodes zulassen mag. Es kann eine funkbasierte Netzwerktechnologie und/oder eine
kabelgebundene Netzwerktechnologie genutzt werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Programmelement geschaffen, welches Programmcode aufweist, der wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Betreiben einer Adaptervorrichtung ausführt.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung mag eine Bridgeless PFC
Schaltung bereitgestellt werden, welche zwei Hochsetzteller aufweist. Ein Hochsetzsteller mag einem Brückenzweig der Adaptervorrichtung entsprechen. Die Hochsetzsteller weisen jeweils eine Reihenschaltung aus je einem Leistungsschalter oder einer zweiten bzw. vierten Schalteinrichtung und je einer Diode auf. Der Leistungsschalter ist mit seinem ersten Anschluss jeweils mit dem Minuspol eines Gleichspannungskreises und/oder Gleichstromanschlusses verbunden. Die Diode ist jeweils mit der Kathode am Pluspol des selben Gleichstromkreises oder Zwischenkreis verbunden. Außerdem ist jeder der Verbindungspunkte zwischen dem zweiten Anschluss des Leistungsschalters und der Dioden-Anode über je eine Drossel mit je einem Anschluss einer zweipoligen Wechselspannungsquelle oder dem ersten bzw. zweiten Wechselstromkontakt verbunden. Parallel zu jeder Diode eines jeden der beiden Hochsetzsteller ist ein IGBT oder eine erste Schalteinrichtung bzw. eine zweite Schalteinrichtung geschaltet, der/die bei gefordertem Wechselrichterbetrieb während der positiven Halbwelle des zugehörigen Netzanschlusses voll durchgeschaltet wird, insbesondere die Diode überbrückt und/oder kurzschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Hochsetzsteller und/oder der Brückenzeig einen MOSFET und eine SiC-Diode auf, insbesondere weist der Hochsetzsteller und/oder der Brückenzeig einen Si-MOSFET und eine SiC-Diode auf. Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden weitere exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Voll-Brücken PFC Schaltkreis zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Adaptervorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt die Adaptervorrichtung im Rectifier Mode während dem Anliegen einer positiven Halbwelle einer sinusförmigen vom Netz bereitgestellten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt die Adaptervorrichtung im Rectifier Mode während dem Anliegen einer negativen Halbwelle einer sinusförmigen vom Netz bereitgestellten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt die Adaptervorrichtung im Inverter-Mode während dem Bereitstellen einer positiven Halbwelle einer sinusförmigen generierten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt die Adaptervorrichtung im Inverter-Mode während dem Bereitstellen einer negativen Halbwelle einer sinusförmigen generierten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein Energieversorgungssystem mit einem dreiphasigen Aufbau für ein Elektrofahrzeug gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Beschreibung der Fig. 1 bis Fig. 7 werden die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder sich entsprechende Elemente verwendet.
In diesem Text mögen die Begriffe„Kondensator“ und„Kapazität“ sowie„Spule“ oder „Drossel“ und„Induktivität“ gleichbedeutend verwendet werden und sollen, sofern nichts weiter angegeben ist, nicht einschränkend interpretiert werden. Außerdem mögen die Begriffe„Energie“ und„Leistung“ gleichwertig verwendet werden und sollen, sofern nichts weiter angegeben ist, nicht einschränkend interpretiert werden.
Auch mögen, außer es ist explizit genannt, die Begriffe„Wechselstrom“ und
„Wechselspannung“ bzw.„Gleichstrom“ und„Gleichspannung“ gleichwertig benutzt werden und im Wesentlichen den zeitlichen Verlauf der physikalischen Größe
beschreiben. Außer es kommt beispielsweise auf die Phasenlage der jeweiligen Größen an. So mögen beispielsweise die Begriffe„Wechselstromquelle“ und
„Wechselspannungsquelle“ bzw.„Gleichstromquelle“ und
„Gleichspannungsquelle“ implizieren, dass sowohl ein entsprechend geformter Strom wie auch eine entsprechend geformte Spannung beschrieben werden.
Ein PFC (Power Factor Correction) Schaltkreis wird oft zusammen mit einem passiven Gleichrichter oder einer passiven Brücke (bridge) zwischen einer
Wechselspannungsquelle, beispielsweise dem öffentlichen Wechselstromnetz und einem Gleichspannungs-Verbraucher geschaltet, beispielsweise einen DC-Zwischenkreis mit Kondensator und nachfolgendem Wechselrichter mit Transformator. In einer allgemeinen Betrachtung kann der DC-Zwischenkreis mit dem Kondensator und nachfolgendem Wechselrichter mit Transformator als„Last“ betrachtet werden. Dieser zwischen der Brücke bzw. der Wechselspannungsquelle und der Last befindliche, als PFC bezeichnete Schaltungsteil wird in der Regel als Hochsetzsteller oder Boost-Converter ausgeführt und ermöglicht so die Stromaufnahme vom Netz über die gesamte Netzperiode hinweg, insbesondere auch nahe dem Spannungs-Nulldurchgang. Der PFC wird so geregelt, dass vom Wechselstromnetz ein sinusförmiger Wechselstrom bezogen wird.
Der zwischen der passiven Brücke und der Last betriebene PFC Schaltkreis weist einen Leistungsschalter, eine Spule und eine Diode auf. Als aktiver Leistungsschalter kann ein IGBTs oder auch ein MOSFET verwendet werden. IGBTs sind kostengünstiger, doch haben sie größere Schaltverluste als MOSFETs. Zudem kann durch den Einsatz eines größeren MOSFETs der Spannungsverlust über dem geschlossenen Schalter des PFC Schaltkreises theoretisch beliebig verkleinert werden, was mit IGBTs nicht möglich ist. Daher weisen viele PFC Schaltkreise mit hohem Wirkungsgrad MOSFETs als
Leistungsschalter auf.
Ein PFC Schaltkreis ist oftmals nur dafür ausgelegt, Leistung von einer
Wechselspannungsquelle zu einem Gleichspannungsverbraucher zu befördern.
Wenn ein PFC Schaltkreis den umgekehrten Leistungsfluss, d.h. von DC zu AC ermöglichen soll, also von der„Last“ zum„Netz“ muss die Last durch eine
Gleichspannungsquelle ausgetauscht werden, was im Falle einer aufladbaren Batterie einfach möglich ist. Jedoch müssten ferner sämtliche Dioden, die die Richtung des Leistungsflusses von AC nach DC vorgeben, unwirksam gemacht werden, was durch eine Überbrückung mit aktiven Schaltern möglich wäre.
Fig. 1 zeigt einen Full bridge PFC Schaltkreis 100 oder Voll-Brücken PFC Schaltkreis 100 zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung. Dieser weist keine passive Gleichrichterbrücke auf und wird daher aktiv während der positiven Halbwelle und der negativen Halbwelle umgeschaltet. Wegen diesem aktiven Betrieb sind keine Dioden nötig, die überbrückt werden müssten. Daher kann der Full bridge PFC Schaltkreis 100 bidirektional betrieben werden, indem er je nach Stromrichtung als PFC oder als
Wechselrichter arbeitet, was durch entsprechende Ansteuerung der Schalter oder Schalteinrichtungen Mn, MI 2, M21, M22 erfolgt. Bei dem PFC Betrieb oder Rectifier Betrieb wird Leistung von dem Wechselstrom
Anschluss 101 von der AC-Seite über das Spulenpaar L1 , L2 102 und die beiden
Brückenzweige 103a, 103b, welche die Vollbrücke 103 mit den Schalteinrichtungen Mn, MI2, M2-I , M22 bilden, über den Glättüngskondensator 104 an den Gleichstromanschluss 105 zu der DC-Seite übertragen.
Bei dem Wechselrichter Betrieb oder Inverter Betrieb wird Leistung von der DC-Seite 105 zu der AC-Seite übertagen.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung ist unter Verwendung von Si-MOSFETs dann möglich, wenn die wirksamen Induktivitäten L1 , L2 so klein sind, dass der Strom in jeder Halbbrücke 103a, 103b oder jedem Brückenzweig 103a, 103b jeweils beim Schaltvorgang der Schalteinrichtungen Mn, MI 2, M21, M22 so gerichtet ist, dass die Spannung beim Abschalten der jeweiligen als MOSFETs realisierten Schalteinrichtung Mn, MI2, M2I , M22 kommutiert, d.h. der Strom wechselt bei jedem Schaltvorgang einer Schalteinrichtung Mn, MI 2, M2I , M22 das Vorzeichen und fließt unmittelbar vor dem Abschalten von Drain nach Source des entsprechenden MOSFETs Mn, MI2, M2I , M22.
Ansonsten würde der Strom von Source nach Drain durch die interne Diode oder Body- Diode“ (nicht in Fig. 1 dargestellt) des MOSFETs weiter fließen, und es würde eine „Zwangskommutierung“ erfolgen, wenn der gegenüberliegende MOSFET derselben Halbbrücke 103a, 103b eingeschaltet wird. Aufgrund der hohen Sperrverzögerungszeit der Body-Diode würde dieser Vorgang zu hohen Verlusten und starken
elektromagnetischen Störungen führen.
Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, weist der PFC-Schaltkreis 100 lediglich geringe Induktivitäten in den PFC-Drosseln L1 , L2 auf. Diese geringen Induktivitäten führen sowohl beim PFC-betrieb als auch beim Inverter Betrieb zu hohen Stromrippein, weshalb der hochfrequente Wechselstromanteil sehr groß ist, welcher der generierten Wechselspannung am PFC-Eingang 101 überlagert ist. Diese Stromrippel müssten vom eigentlichen Netzeingang 105, also dem Gleichstromanschluss 105, mit aufwändigen Filtern ferngehalten werden, oder durch Anwendung von 2 parallelen PFC-Wandlern, evtl mit gekoppelten Drosseln, die phasenversetzt takten, teilweise kompensiert werden.
Um den schaltungstechnischen Aufwand für den Rückwärtsbetrieb zu reduzieren, wird eine Adaptervorrichtung 200 gemäß Fig. 2 vorgeschlagen.
Die Adaptervorrichtung 200 zum Verbinden einer Wechselstromeinrichtung 210 und einer Gleichstromeinrichtung 21 1 , weist einen Wechselstromanschluss 201 , einen
Gleichstromanschluss 205, einen ersten Brückenzweig 203a, einen zweiten
Brückenzweig 203b und eine Mode-Einstell-Einrichtung 213 auf. Der erste Brückenzweig 203a und der zweite Brückenzeig 203b bilden eine Vollbrückenschaltung 203.
Der erste Brückenzweig 203a weist ferner eine erste Schalteinrichtung Sn und eine zweite Schalteinrichtung S12 auf. Der zweite Brückenzweig 203b weist eine dritte
Schalteinrichtung S21 und eine vierte Schalteinrichtung S22 auf.
Die erste Schalteinrichtung Sn ist mit der zweiten Schalteinrichtung S12 an einem ersten Brückenpunkt B1 in Serie geschaltet und die dritte Schalteinrichtung S21 mit der vierten Schalteinrichtung S22 an einem zweiten Brückenpunkt B2 in Serie geschaltet.
Der erste Brückenpunkt B1 ist mit einem ersten Wechselstromkontakt 201 a des
Wechselstromanschlusses 201 verbunden und der zweite Brückenpunkt B2 ist mit einem zweiten Wechselstromkontakt 201 b des Wechselstromanschlusses verbunden.
Der erste Brückenzweig 203a und der zweite Brückenzweig 203b sind an einem ersten Gleichstromkontakt 205a oder einem ersten Gleichstrombus 205a des
Gleichstromanschlusses 205 bzw. an einem zweiten Gleichstromkontakt 205b oder einem zweiten Gleichstrombus 205b des Gleichstromanschlusses 205 parallelgeschaltet. Die Schalteinrichtungen Sn, S12, S21, S22 sind mit der Mode-Einstell-Einrichtung 213 verbunden und die Mode-Einstell-Einrichtung 213 ist eingerichtet, die Richtung eines Leistungsflusses zwischen Gleichstromanschluss 205 und/oder Wechselstromanschluss 201 vorzugeben.
Als Schalteinrichtungen Sn, S12, S21, S22 eines Brückenzweiges 203a, 203b werden unterschiedliche Typen von Schalteinrichtungen eingesetzt. So unterscheiden sich beispielsweis der Typ der ersten Schalteinrichtung Sn, des ersten Brückenzweiges 203a von dem Typ der zweiten Schalteinrichtung S12 des ersten Brückenzweiges 203a. Ebenso unterscheiden sich beispielsweis der Typ der dritten Schalteinrichtung S12, des zweiten Brückenzweiges 203b von dem Typ der vierten Schalteinrichtung S12 des zweiten
Brückenzweiges 203b.
Antiparallel zu der ersten Schalteinrichtung Sn, kann eine erste Diode 212a vorgesehen sein und antiparallel zu der dritten Schalteinrichtung S21, kann eine zweite Diode 212b vorgesehen sein.
Der Typ der ersten Diode 212a und der zweiten Diode 212b kann eine SiC-Diode sein. Beim Typ der zweiten Schalteinrichtung S12 und der vierten Schalteinrichtung S22 handelt es sich um Si-MOSFETs. Um das Erfordernis der kleinen Induktivitäten für die Spulen L1 , L2 bzw. der hohen Rippelströme zu umgehen, könnten SiC-MOSFETs, deren Body-Diode im Wesentlichen keine Sperrverzögerung aufweist, statt der Si-MOSFETs für die zweite Schalteinrichtung S12 und die vierte Schalteinrichtung S22 verwendet werden. Jedoch sind SiC-MOSFETS deutlich teurer als Si-MOSFETS. Si-MOSFETSweisen im Wesentlichen immer eine Bodydiode auf. Jedoch erlaubt die Adaptervorrichtung 200 oder der PFC 200 aus Fig.2 einen bidirektionalen Betrieb, trotz der Verwendung von konventionellen Si- MOSFETs als zweite Schalteinrichtung S12 und vierte Schalteinrichtung S22. Im
Gegensatz zu dem Preisunterschied zwischen SiC-MOSFETs und Si-MOSFETs fällt der Mehrpreis zwischen SiC-Dioden gegenüber Si-Dioden nicht so groß aus.
Die Adaptervorrichtung 200 kann folglich als bidirektionale brückenlose PFC (bidirectional Bridge-Less PFC) betrieben werden. Hierbei mag sich der Begriff„bridgeless“ auf eine passive Gleichrichterbrücke beziehen. Schalter mit Majoritäts-Ladungsträgern sind MOSFET, SiC-Dioden, welche eigentlich SiC-Schottky-Dioden sind und Schalter mit Minoritäts-Ladungsträgern sind IGBTs bzw. konventionelle Si-Dioden. Durch die
Verwendung der SiC Dioden 212a, 212b lassen sich Umschaltverluste (reverse-recovery losses) von nahezu Null im Schaltfrequenzbereich »100 kHz der Schalteinrichtungen S1 1, S12, S21, S22 in einem Continuous Current Mode (CCM), also bei einer Nichtrückkehr des Stromes auf Null, trotz des Einsatzes von Si-MOSFETs als zweite Schalteinrichtung S12 und vierte Schalteinrichtung S22 erreichen.
Für die erste Schalteinrichtung Sn und die dritte Schalteinrichtung S21 können IGBTs genutzt werden. Durch den Einsatz der IGBTs kann der Inverter Mode, also der
Leistungsfluss von der DC-Seite 205 zur AC-Seite 201 ermöglicht werden. Sollte diese Leistungsflussrichtung gar nicht benötigt werden, können die IGBTs weggelassen oder nicht bestückt werden.
Im Folgenden werden nun verschiedene Phasen einer positiven und negativen Halbwelle eines sinusförmigen Stromverlaufes sowohl im Rectifier Mode als auch im Inverter Mode betrachtet.
Die Adaptervorrichtung weist zwei Halbbrücken 203a, 203b auf, wobei die erste
Schaltvorrichtung Sn und die die dritte Schaltvorrichtung S21 in Fig. 2 jeweils mit dem auf die Orientierung in Fig. 2 bezogenen oberen Kontakt des Gleichstromanschluss 205 verbunden sind. Der obere Kontakt 205a ist der Kontakt, der mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 21 1 verbunden ist. Die ein Brückenzweig 203a, 203b der Brücke 203 ergibt sich als Parallelschaltung aus einem langsam schaltenden IGBT Sn, S21 und einer gegenüber der Schaltgeschwindigkeit des IGBT Sn , S21 schneller schaltenden SiC- Diode 212a, 212b. Bei der dritten und vierten Schalteinrichtung kommen normale Si- MOSFETs zum Einsatz. Die verschiedenen Schalteinrichtungen lassen sich
beispielsweise dadurch unterscheiden, dass Majoritäts-Ladungsträger bzw. Minoritäts- Ladungsträgern zum Ladungstransport genutzt werden. Beim Nutzen von Majoritäts- Ladungsträger entstehen im Wesentlichen keine Abschalt-Verzögerung wobei beim Nutzen von Minoritäts-Ladungsträgern größere Abschaltverzögerung auftreten, die bemerkbar sind. Fig. 3 zeigt die Adaptervorrichtung 200 im PFC-Mode oder Rectifier Mode während dem Anliegen einer positiven Halbwelle einer sinusförmigen vom Netz 210 bereitgestellten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Polarität der AC-Eingangsspannung ist durch den Pfeil 301 eingezeichnet. Die Richtung des AC-Stromes ist mit Strompfeil 302 dargestellt. Außerdem sind die Bauteile, die in dieser Phase von Bedeutung sind durch Rechtecke markiert. Hierbei handelt es sich um die beiden Si-MOSFET Schalteinrichtungen S12, S22 und die SiC-Diode 212a. Das Ansteuermuster für die zweite Schalteinrichtung Si2 und die vierte Schalteinrichtung S22 wird von der Mode-Einstell-Einrichtung 213 (nicht in Fig. 3 dargestellt) in Abhängigkeit von der Spannungsrichtung und Stromrichtung auf der AC Seite 201 eingestellt. Zum
Erkennen der Strom- und Spannungsrichtung nutzt die Mode-Einstell-Einrichtung 213 Sensoren, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind.
Für die Dauer einer Netzsinus-Halbwelle mit positivem Vorzeichen wird mittels der Mode- Einstell-Einrichtung 213 derjenige MOSFET durchgeschaltet, dessen Brückenpunkt B2 über die Drossel L2 mit dem Netzeingang 201 b verbunden ist, der gerade die negative Halbwelle der Sinusspannung durchläuft. In anderen Worten, dessen Brückenpunkt mit dem negativen Potenzial der Halbwelle verbunden ist. Die andere Halbbrücke 203a, deren Brückenpunkt B1 über die zweite Drossel L1 mit dem momentan positiven
Netzanschluss verbunden ist, wird als„taktende“ Halbbrücke 203a betrieben und welche im Takt eines PWM Signals abwechselnd die erste Schalteinrichtung Sn und die zweite Schalteinrichtung S12 ein und ausschaltet.
Zum Ansteuern kann beispielsweise eine Spannung von etwa 15V gegenüber der MOSFET Source bzw. dem IGBT Emitter genutzt werden. Der Takt mag sich in einem Beispiel auf die PWM-Frequenz von 100kHz oder mehr beziehen, mit einer Zykluszeit von 10ps oder weniger. Dem gegenüber mag in einem Beispiel die etwa tausend Mal längere Zeit des Einschaltens während einer 10 ms dauernden Netzsinus-Halbwelle als„voll durchgeschaltet“ betrachtet werden. Die IGBTs ermöglichen den Stromfluss von der Gleichstromquelle 21 1 zur Wechselstrom Quelle 210 und werden im„Rectifier-Mode“ nicht verwendet, deaktiviert bzw. nicht eingeschaltet.
In anderen Worten ist die Mode-Einstell-Einrichtung eingerichtet ist, um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Wechselstromanschluss zu dem Gleichstromanschluss 205 vorzugeben, die zweite Schalteinrichtung S12 und die vierte Schalteinrichtung S22 in Abhängigkeit des negativen Potentials eines an dem Wechselstromanschluss
anliegenden Wechselstromes zu schalten, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem zweiten Gleichstromanschluss zu verbinden. Die während der
Halbwelle nicht dauerhaft geschaltete zweite Schalteinrichtung Si2 bzw. vierte
Schalteinrichtung S22 wird mit einem Takt betrieben, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
In Fig. 3 liegt die Pfeilspitze von Pfeil 301 , die das negative Potenzial angibt an dem Wechselstromkontakt 201 b und somit an Brückenpunkt B2 an. B2 gehört zu dem zweiten Brückenzweig 203b. Somit wird die vierte Schalteinrichtung S22 für die Dauer des anliegenden negativen Potenzials durchgeschaltet, so dass der Brückenpunkt B2 mit dem negativen Gleichstromkontakt 205b des Gleichstromanschlusses 205 verbunden wird. Die entsprechend mit dem negativen Gleichstromkontakt 205b verbundene zweite
Schalteinrichtung S12 des Brückenzweigs ist frei schaltbar und kann somit getaktet werden. B1 , ist dem positiven Potenzial der Halbwelle 301 zugeordnet.
Fig. 4 zeigt die Adaptervorrichtung 200 im PFC-Mode oder Rectifier Mode während dem Anliegen einer negativen Halbwelle einer sinusförmigen vom Netz 210 bereitgestellten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Polarität der AC-Eingangsspannung ist durch den Pfeil 401 eingezeichnet. Die Richtung des AC-Stromes ist mit Strompfeil 402 dargestellt. Sowohl Strom als auch Spannung sind in der Richtung gegenüber Fig. 3 umgekehrt. Außerdem sind die Bauteile, die in dieser Phase von Bedeutung sind durch Rechtecke markiert. Hierbei handelt es sich um die beiden Si-MOSFET Schalteinrichtungen S12, S22 und die SiC-Diode 212b. Das Ansteuermuster für die zweite Schalteinrichtung S12 und die vierte Schalteinrichtung S22 wird von der Mode-Einstell-Einrichtung 213 (nicht in Fig. 3 dargestellt) in Abhängigkeit von der Spannungsrichtung und Stromrichtung auf der AC Seite 201 eingestellt. Zum
Erkennen der Strom- und Spannungsrichtung nutzt die Mode-Einstell-Einrichtung 213 Sensoren, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind.
Da nun der erste Brückenpunkt B1 mit dem negativen Potenzial der Spannung 401 wird der zu dem zugehörigen ersten Brückenzweig 203a gehörende zweite Schalteinrichtung S12 für die Dauer der Halbwelle durchgeschaltet und mit dem negativen
Gleichstromkontakt 205b des Gleichstromanschlusses 205 verbunden. Die vierte
Schalteinrichtung S22 wird getaktet.
Im Wesentlichen wird durch das Umschalten zwischen den Ansteuermustern der Fig. 3 und Fig. 4 berücksichtigt, dass die Schaltung keine passive Gleichrichterbrücke aufweist, so dass die Funktion der passiven Gleichrichterbrücke durch aktives Umschalten in Abhängigkeit der Polarität der Eingangswechselspannung erfolgt.
Fig. 5 zeigt die Adaptervorrichtung 200 im Inverter-Mode während dem Bereitstellen einer positiven Halbwelle einer sinusförmigen generierten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Rückspeisebetrieb oder Inverter Mode werden die IGBTs Sn, S21 genutzt, um einen Energiefluss und/oder Leistungsfluss vom Gleichstromkreis in den Wechselstromkreis zu ermöglichen insbesondere um die DC-Seite 205 mit der AC-Seite 201 zu verbinden. Es wird jeweils für die Dauer einer Netzsinus-Halbwelle, dargestellt durch Pfeil 501 , derjenige IGBT Sn voll durchgeschaltet, dessen Brückenpunkt B1 über die zugeordnete Drossel z.B. L1 mit dem Netzeingang oder Wechselstromkontakt 201 a verbunden ist, der gerade die positive Halbwelle der
Sinusspannung durchläuft. Die andere Halbbrücke 203b, die über die zweite Drossel z.B. L2 mit dem jeweils momentan negativen Netzanschluss 201 b verbunden ist, wird mit der „taktenden“ Halbbrücke insbesondere der mit PWM getakteten Halbbrücke verbunden, welche entsprechend den Beispielen aus Fig. 3 und 4 taktet. Die Leistung fließt im Inverter-Mode entgegengesetzt zu dem Rectifier Mode von der Gleichstromseite 205 zu der Wechselstromseite 201 . In anderen Worten ist die Mode-Einstell-Einrichtung 213 so eingerichtet, um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Gleichstromanschluss 205 zu dem
Wechselstromanschluss 201 vorzugeben, indem sie ein Anschaltmuster einstellt. In Fig. 5 liegt die das positive Potenzial der generierten Wechselspannung 501 an dem
Brückenpunkt B1 an, so dass die erste Schalteinrichtung Sn betätigt wird. Während die zugehörige Halbwelle 501 anliegt, wird Sn so geschaltet, dass der zu der
Schalteinrichtung Sn gehörenden Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges 203a dauerhaft mit dem ersten Gleichstromanschluss 205a verbunden wird. Und die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltete vierte Schalteinrichtung S22 wird mit einem Takt betrieben, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem
Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
Fig. 6 zeigt die Adaptervorrichtung 200 im Inverter-Mode während dem Bereitstellen einer negativen Halbwelle einer sinusförmigen generierten Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Mode-Einstell-Einrichtung 213 ist eingerichtet, um die Richtung eines
Leistungsflusses von dem Gleichstromanschluss 205 zu dem Wechselstromanschluss 201 vorzugeben und die dritte Schalteinrichtung S21 in Abhängigkeit des positiven Potentials eines an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes zu schalten, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der dritten Schalteinrichtung S21 gehörenden Brückenpunkt B2 des entsprechenden Brückenzweiges 203b dauerhaft mit dem ersten Gleichstromanschluss 205a zu verbinden. Die während der Halbwelle 601 nicht dauerhaft geschaltete zweite Schalteinrichtung S12 wird mit einem Takt betrieben, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
In einem Beispiel, wenn der Rückspeisebetrieb nicht erforderlich ist, müssen die IGBTs S1 1 , S21 nicht bestückt werden. So lassen sich beispielsweise ein oder mehrphasige Ladegeräte hersteilen, wobei nur ein Teil der Phasen rückspeisefähig ausgerüstet wird. Fig. 7 zeigt ein Energieversorgungssystem 700 mit einem dreiphasigen Aufbau für ein Elektrofahrzeug gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Energieversorgungssystem 700 oder das dreiphasige Ladegerät ist nur für einen einphasigen inversen Leistungsfluss bestückt. Hierfür ist in die erste Phase 701 eine vollbestückte Adaptervorrichtung 200a vorgesehen. Für die zweite Phase 702 und dritte Phase 703 ist nur eine teilbestückte Adaptervorrichtung 200b, 200c eingesetzt, bei der die IGBTs nicht bestückt sind.
Zwischen jeder der 3 Phasen 701 , 702, 703 und dem gemeinsamen Nullleiter 704 ist je ein PFC 200a, 200b, 200c angeschlossen, mit je einer MOSFET-Wechselrichterstufe und nachfolgendem Trafo 705 als„Last“. Die Sekundärseite der Transformatoren ist über je einen Gleichrichter 708a, 708b, 708c mit der Batterie des Elektrofahrzeugs verbunden.
Der oberste der Gleichrichter 708a ist mit aktiven Schaltern, z.B. MOSFETs ausgeführt, was einen Energiefluss von der Batterie 21 1 zurück zur PFC-Stufe 200a ermöglicht. Die oberste der drei PFC-Stufen 200a ist mit den beiden IGBTs am Pluspol 205a des
Zwischenkreises ebenfalls rückspeisefähig. Somit ermöglicht diese Schaltung einen Energiebezug vom Dreiphasen-Netz 201‘ zum Aufladen des Fahrzeugs. Im Fährbetrieb oder auch geparkt kann das System eine einphasige Wechselspannung für normale Netzverbraucher, z.B. Werkzeuge, Lampen, Haushaltgeräte, zur Verfügung stellen. Bei geeigneter Ausführung ist auch eine Anwendung zur Vehicle-to-Grid-Netzeinspeisung denkbar, sei es, um das Netz bei hohen Lasten zu stützen, oder den eigenen Haushalt mit Strom zu versorgen. Dazu können natürlich auch 2 oder alle 3 Phasen bidirektional ausgeführt werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend“ und„aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als
Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Adaptervorrichtung (200) zum Verbinden einer Wechselstromeinrichtung und einer Gleichstromeinrichtung, wobei die Adaptervorrichtung aufweist:
einen Wechselstromanschluss (201 );
einen Gleichstromanschluss (205);
einen ersten Brückenzweig (203a);
einen zweiten Brückenzweig (203b);
eine Mode-Einstell-Einrichtung (213);
wobei der erste Brückenzweig eine erste Schalteinrichtung (Sn) und eine zweite Schalteinrichtung (S12) aufweist;
wobei der zweite Brückenzweig eine dritte Schalteinrichtung (S21) und eine vierte Schalteinrichtung (S22) aufweist;
wobei die erste Schalteinrichtung mit der zweiten Schalteinrichtung an einem ersten Brückenpunkt (B1 ) in Serie geschaltet ist;
wobei die dritte Schalteinrichtung mit der vierten Schalteinrichtung an einem zweiten Brückenpunkt (B2) in Serie geschaltet ist;
wobei der erste Brückenpunkt mit einem ersten Wechselstromkontakt (201 a) des Wechselstromanschlusses verbunden ist;
wobei der zweite Brückenpunkt mit einem zweiten Wechselstromkontakt (201 b) des Wechselstromanschlusses verbunden ist;
wobei der erste Brückenzweig und der zweite Brückenzweig an einem ersten Gleichstromkontakt (205a) des Gleichstromanschlusses bzw. an einem zweiten
Gleichstromkontakt (205b) des Gleichstromanschlusses parallel geschaltet sind;
wobei die Mode-Einstell-Einrichtung (213) eingerichtet ist, die Richtung eines Leistungsflusses zwischen Gleichstromanschluss und/oder Wechselstromanschluss vorzugeben; und
wobei für die Schalteinrichtungen eines Brückenzweiges unterschiedliche Typen von Schalteinrichtungen eingesetzt werden.
2. Die Adaptervorrichtung (200) nach Anspruch 1 , wobei die Mode-Einstell- Einrichtung eingerichtet ist zur Vorgabe der Richtung des Leistungsflusses zwischen Gleichstromanschluss und/oder Wechselstromanschluss die erste Schalteinrichtung, die zweite Schalteinrichtung, die dritte Schalteinrichtung und die vierte Schalteinrichtung nach einem vorgebbaren Muster anzusteuern.
3. Die Adaptervorrichtung (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Typ einer
Schalteinrichtung aus der Gruppe von Typen von Schalteinrichtungen ausgewählt ist, bestehend aus:
- einem elektronischen Schalter;
- einem Bipolar-Transistor;
- einem Siliziumkarbid-MOSFET;
- einem Insulated-gate bipolar Transistor;
- einem Insulated-gate bipolar Transistor mit antiparallel geschalteter
Siliziumkarbid-Diode;
- einem Silizium- Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor.
4. Die Adaptervorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die unterschiedlichen Typen von Schalteinrichtungen innerhalb eines Brückenzweiges durch ihre Abschaltverluste und/oder ihre Schaltgeschwindigkeit unterscheiden.
5. Die Adaptervorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Wechselstromkontakt des Wechselstromanschlusses und/oder der zweite
Wechselstromkontakt des Wechselstromanschlusses eine Spule aufweist/aufweisen.
6. Die Adaptervorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mode- Einstell-Einrichtung (213) eingerichtet ist, um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Wechselstromanschluss (201 ) zu dem Gleichstromanschluss (205) vorzugeben, die zweite Schalteinrichtung (S12) und die vierte Schalteinrichtung (S22) in Abhängigkeit des negativen Potentials eines an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes zu schalten, um so während der zugehörigen Halbwelle (301 , 401 ) den zu der
Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt (B1 , B2) des entsprechenden
Brückenzweiges dauerhaft mit dem zweiten Gleichstromkontakt (205b) zu verbinden; und die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltete zweite Schalteinrichtung bzw. vierte Schalteinrichtung mit einem Takt zu betreiben, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
7. Die Adaptervorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mode- Einstell-Einrichtung (213) eingerichtet ist, um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Gleichstromanschluss (205) zu dem Wechselstromanschluss (201 ) vorzugeben, die erste Schalteinrichtung (Sn) und die dritte Schalteinrichtung (S21) in Abhängigkeit des positiven Potentials eines an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes zu schalten, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt (B1 , B2) des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem ersten Gleichstromkontakt (205a) zu verbinden; und
die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltete zweite Schalteinrichtung bzw. vierte Schalteinrichtung mit einem Takt zu betreiben, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes.
8. Die Adaptervorrichtung (200) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Takt unabhängig von der Richtung des Leistungsflusses ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Adaptervorrichtung (200) nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, aufweisend:
Bestimmen mittels einer Mode-Einstell-Einrichtung einer gewünschten Richtung eines Leistungsflusses zwischen Gleichstromanschluss und/oder
Wechselstromanschluss;
(I) Schalten einer zweiten Schalteinrichtung und einer vierten Schalteinrichtung der Adaptervorrichtung in Abhängigkeit des negativen Potentials eines an dem
Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem zweiten Gleichstromkontakt zu verbinden; und
Betreiben der zweiten Schalteinrichtung bzw. der vierten Schalteinrichtung, die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltet ist, mit einem Takt, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden
Wechselstromes,
um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Wechselstromanschluss zu dem Gleichstromanschluss vorzugeben; oder
(II) Schalten der ersten Schalteinrichtung und der dritten Schalteinrichtung der Adaptervorrichtung in Abhängigkeit des positiven Potentials eines an dem
Wechselstromanschluss anliegenden Wechselstromes, um so während der zugehörigen Halbwelle den zu der Schalteinrichtung gehörenden Brückenpunkt des entsprechenden Brückenzweiges dauerhaft mit dem ersten Gleichstromkontakt zu verbinden; und
Betreiben der zweiten Schalteinrichtung bzw. der vierten Schalteinrichtung, die während der Halbwelle nicht dauerhaft geschaltet ist, mit einem Takt, dessen Frequenz höher ist, als die Frequenz des an dem Wechselstromanschluss anliegenden
Wechselstromes,
um die Richtung eines Leistungsflusses von dem Gleichstromanschluss zu dem Wechselstromanschluss vorzugeben.
10. Energieversorgungssystem, aufweisend:
eine Wechselstromquelle und/oder eine Wechselstromsteckdose;
zumindest eine Adaptervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8;
eine Gleichstromquelle und/oder ein Gleichstromspeicher;
wobei die Wechselstromquelle und/oder Wechselstromsteckdose mit dem Wechselstromanschluss der Adaptervorrichtung verbunden ist;
wobei die Gleichstromquelle und/oder der Gleichstromspeicher mit dem
Wechselstromanschluss der Adaptervorrichtung verbunden ist.
1 1. Verkehrsmittel, aufweisend eine Adaptervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder ein Energieversorgungssystem nach Anspruch 10.
12. Nutzung einer Power-Factor-Correction Vorrichtung zur bidirektionalen
Leistungsübertragung.
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