DE102005023291A1 - Wechselrichter - Google Patents

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Abstract

Ein Wechselrichter (1) mit galvanischer Trennung, einen Resonanzwandler (2) und einen vorgeschalteten Hochsetzsteller (3) umfassend, soll bei einer variablen Eingangs- und Ausgangsspannung, wie sie bei Photovoltaikanlagen vorliegt, eine galvanische Trennung bereitstellen, wobei der Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich optimiert werden soll. Dies wird dadurch erreicht, dass dem Resonanzwandler (2) ein Hochsetzsteller (3) oder Tiefsetzsteller (4) vorgeschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Ein Eingangsumrichter für Schienenfahrzeuge ist aus der DE 198 27 872 A1 bekannt. Dieser besteht aus einem Resonanzwandler mit galvanischer Trennung. Die Ausgangsspannung steht in einem festen Verhältnis zu der Eingangsspannung. Im verlustoptimalen Betrieb stehen Ausgangsspannung und Eingangsspannung in einem festen Verhältnis zueinander, das durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators bestimmt ist.
  • Wechselrichter von Photovoltaikanlagen müssen aufgrund variierender Umgebungsbedingungen (Einstrahlung, Temperatur, ...) und unterschiedlicher Generatorauslegung für einen weiten Eingangsspannungsbereich ausgelegt sein und gleichzeitig über diesen gesamten Bereich einen hohen Wirkungsgrad besitzen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter zu schaffen, der bei einem weiten Eingangsspannungsbereich, wie er bei Photovoltaikanlagen und variablen Netzspannungen vorliegt, eine galvanische Trennung bereit zu stellen, wobei der Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich optimiert werden soll.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Wechselrichter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
  • Durch die Erfindung wird erreicht, dass bei Einstrahlungs- und Temperaturschwankungen der Photovoltaikmodule oder unterschiedlicher Photovoltaikmodulkonfigurationen der Wechselrichter mit optimalen Wirkungsgrad betrieben wird. Die Schaltverluste werden dadurch minimiert, dass der Resonanzwandler unabhängig von der Eingangsspannung in einem konstanten Betriebspunkt arbeitet, wobei dieser Betriebspunkt durch den Hochsetzsteller über einen weiten Eingangsspannungsbereich eingestellt wird. Unter der Voraussetzung, dass die Spannung am Resonanzwandler stabilisiert wird, ist dabei ein Hochsetzsteller gegenüber einem Tiefsetzsteller insofern günstiger, als der Resonanzwandler bei höheren, stabilisierten Eingangsspannungen einen höheren Wirkungsgrad erreicht.
  • Der erfindungsgemäße Wechselrichter kombiniert Vorteile in Bezug auf Spannungsanpassung und Betrieb eines HF-Kreises im optimalen Betriebspunkt, ohne die Nachteile einer ungünstigen Strom-Spannungsauslegung, einer hohen Taktfrequenz der Anpassungsstufe, Schaltüberspannungen und einen eingeschränkten Betriebsbereich in Kauf nehmen zu müssen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wandlers ist vorgesehen, dass der Wechselrichter als einphasiger Wechselrichter ausgebildet ist, wobei eine leistungselektronische Halbbrückenschaltung, eine Reihenresonanzkapazität und ein Hochfrequenztransformator vorhanden sind. Während der Resonanzwandler in einem konstanten Betriebspunkt arbeitet, so dass seine Ein- und Ausgangsspannung in einem festen – durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators vorgegebenen – Verhältnis zueinander steht, kann die Eingangsspannung am Hochsetzsteller variieren.
  • Der Hochsetzsteller kann vorteilhaft so ausgebildet werden, dass er immer im Lückbetrieb arbeitet, damit die Freilaufdiode des Hochsetzstellers nie hart abkommutiert wird. Dadurch vermindern sich die EMV-Störungen und der Wirkungsgrad verbessert sich durch Vermeiden von Einschaltverlusten.
  • Der Hochsetzsteller braucht nicht angesteuert zu werden, wenn die Eingangsspannung U0 groß genug ist, so dass die Spannung am Kondensator Cnetz ausreicht, um ins Netz einspeisen zu können. Daher wird er nur angesteuert, wenn die aktuelle Netzspannung so groß ist, dass die aktuelle PV-Spannung nicht ausreicht, die Spannung an CNetz einzustellen.
  • Bei einem solchen Verfahren wird eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt, da in Betriebspunkten ohne Hochsetzstellerbetrieb nur kleine Verluste auftreten. Dies ist besonders wirkungsvoll, wenn die Hochsetzstellerdrosseln bedingt durch die Auslegung für den Lückbetrieb besonders klein sind und daher sehr geringe ohmsche Widerstände aufweisen.
  • Zweckmäßigerweise liegt die Taktfrequenz der Halbbrückenschaltung unterhalb der Resonanzfrequenz. Diese ergibt sich aus der Streuinduktivität des Transformators und der Reihenresonanzkapazität. Hierdurch wird erreicht, dass die Halbleiter sowohl stromlos ein- als auch ausschalten.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine synchrone Ansteuerung des Hochsetzstellers und des Resonanzwandlers vorgesehen. Die synchrone Ansteuerung hat den Vorteil, dass die effektive Strombelastung in den Kondensatoren (C3, C4) vermindert wird.
  • Besonders günstig ist es, wenn der Transformator als Planartransformator mit zwei Leiterplatten ausgebildet ist, wobei die Primärwicklung auf der einen Leiterplatte und die Sekundärwicklung auf der anderen Leiterplatte angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Leiterplatten über den magnetischen Fluss gekoppelt sind und somit auf teure Steckverbinder verzichtet werden kann. Ein Gussgehäuse, das preiswerter als ein entsprechendes Blechgehäuse herzustellen ist, weist Vorsprünge derart auf, dass ein solcher Planartransformator mit zwei überlappenden Leiterplatten kühltechnisch gut eingebunden werden kann.
  • Die Streuinduktivität des Planartransformators kann besonders günstig durch das Einfügen eines zusätzlichen Drosselkerns mit Luftspalt vergrößert werden (3).
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselrichters,
  • 2 ein Spannungs-/Stromdiagramm des Resonanzwandlers,
  • 3 eine Darstellung eines Planartransformators, und
  • 4 eine Schnittdarstellung des Planartransformator;
  • 5 zeigt eine vorteilhafte Schaltvariante zu 1.
  • In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wechselrichter 1 für Photovoltaikanlagen. Dieser umfasst einen Hochsetzsteller 3, einen Resonanzwandler 2 und eine Netzbrücke NB. Der Resonanzwandler besteht aus einer Halbbrückenschaltung mit dem Halbleiterschaltern S1, S2, einem HF-Tansformator HFT, der mit einer Reihenresonanzkapazität bzw. einem Kondensator C1 versehen ist, und einer Halbleiterbrücke D. Ein- und Ausgangsspannung des Resonanzwandlers 2 stehen in einem – durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators vorgegebenen – festen Verhältnis zueinander. Der Resonanzwandler bildet mit der Diodenbrücke D einen HF-Kreis.
  • Erfindungsgemäß ist dem Resonanzwandler 2 ein Hochsetzsteller 3 vorgeschaltet. Alternativ kann aber auch ein Tiefsetzsteller vorgeschaltet sein.
  • Der Hochsetzsteller dient zur Spannungsanpassung, die durch Spannungsschwankungen des Photovoltaikgenerators aufgrund unterschiedlicher Betriebsbedingungen (Sonneneinstrahlung, Temperatur, ...), oder durch unterschiedliche Generatorauslegungen oder zum dynamischen Anpassen an unterschiedliche Netzspannungshöhen auftreten können.
  • Der Hochsetzsteller besteht aus einer Reihendrossel L, einem Schaltelement T3 und Diode D3, welche parallel zur Halbbrückenschaltung sowie zu einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren C3, C4 angeordnet sind. Die Kapazität der Kondensatoren C3, C4 ist dabei größer als die Reihenresonanzkapazität (Kondensator C1).
  • Der Hochsetzsteller arbeitet bei einem Eingangsspannungsbereich U0 von 150 Volt bis 350 Volt. Die nach dem Hochsetzsteller anliegende Spannung U1 beträgt etwa 350 Volt. Die Spannung U2 am Ausgang des Resonanzwandlers beträgt ebenfalls 350 Volt. Bei höheren Eingangsspannungen als 350 Volt wird der Hochsetzteller nicht getaktet und die Spannungen U1 und U2 steigen proportional mit U0 an.
  • Der resonante DC/DC-Wandler 2 wird mit der in 1 gezeigten Schaltung unidirektional betrieben. Andere Schaltungsanordnungen für einen bidirektionalen Betrieb sind jedoch auch möglich.
  • Der Hochsetzsteller 3 und der Resonanzwandler 2 werden synchron angesteuert, um die Effektivstrombelastung in den Kondensatoren zu reduzieren.
  • 2 zeigt die Transformatorspannung 5 und den Transformatorstrom 6 mit der Periodendauer T = 1/fschalt, wobei fschalt die Schaltfrequenz des HF-Kreises ist
  • Bevorzugterweise liegt die Taktfrequenz der Halbbrückenschaltung unterhalb der Resonanzfrequenz, die sich aus der Streuinduktivität des Transformators und der Reihenresonanzkapazität ergibt.
  • Der Transformator HFT ist, wie die 3 und 4 veranschaulichen, als Planartransformator 10 ausgebildet. Dieser weist eine Primärwicklung 11 und eine Sekundärwicklung 12 auf, die auf einer Leiterplatte 13 bzw. zwei Leiterplatten 14 und 15 (4) angeordnet sind. Die Leiterplattenanordnung ist über zwei isolierende Wärmeleitfolien mit einem Aluminiumgussgehäuse 16 verbunden. Auf den Leiterplatten 14 und 15 sind die Leitungshalbleiter, insbesondere als SMD-Bauteile montiert.
  • 5 zeigt eine Schaltungsvariante, bei der der laststromführende Kondensator C1 entfällt und die Resonanzkapazität in Form von C5 und C6 in den DC-Kreis gezogen wird. Die Kondensatoren C3 und C4 mit relativ großer Kapazität werden durch einen einzigen Kondensator C12 ersetzt. Parallel hierzu sind zwei kleinere Resonanzkondensatoren C5, C6 mit kleiner Kapazität geschaltet. Diese Schaltung hat einerseits den Vorteil, dass die Summe der Kondensatorströme kleiner wird und damit die Kosten der Kondensatoren sinken und andererseits können die Schaltverluste deutlich reduziert werden.
  • Bei der Schaltung gemäß 5 sind die Schaltverluste geringer als bei der Schaltung gemäß 1, da der Magnetisierungsstrom des Transformators während der Freiwerdezeit, in der beide Schalter offen sind, eine Entladung der parasitären Schalterkapazitäten bewirkt und damit die Schalterspannung vor dem Widereinschalten von S1 bzw. S2 auf den Wert der jeweiligen Resonanzkondensatorspannung abzüglich der halben Zwischenkreisspannung reduziert.
  • Bei der Schaltung entsprechend 1 hingegen können sich die parasitären Schalterkapazitäten von S1 und S2 in der Freiwerdezeit vor dem Wiedereinschalten nur auf den Wert der Resonanzkapazität C1 entladen, so dass die Schaltverluste entsprechend höher sind.
    • 1
    Wechselrichter
    2
    Resonanzwandler
    3
    Hochsetzsteller
    4
    Tiefsetzsteller
    5
    Transformatorspannung
    6
    Transformatorstrom
    10
    Planartransformator
    11
    Primärwicklung
    12
    Sekundärwicklung
    13–15
    Leiterplatten
    HFT
    HF-Transformator
    S1, S2
    Halbleiterschalter
    D
    Halbleiterbrücke
    L
    Reihendrossel
    Cnetz
    Kondensator im Eingang der Netzbrücke
    NB
    Netzbrücke

Claims (16)

  1. Wechselrichter mit galvanischer Trennung und mit einem DC-Eingang, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter am DC-Eingang einen Resonanzwandler (2) mit vorgeschaltetem Hochsetzsteller (3) oder Tiefsetzsteller aufweist.
  2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Resonanzwandler nur ein Hochsetzsteller (3) vorgeschaltet ist.
  3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter als einphasiger Wechselrichter ausgebildet ist.
  4. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Resonanzwandler eine leistungselektronische Halbbrückenschaltung (S1, S2), eine Reihenresonanzkapazität (C1) und einem Hochfrequenztransformator (HFT) aufweist.
  5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz der Halbbrückenschaltung unterhalb der Resonanzfrequenz liegt, die sich aus der Streuinduktivität des Transformators und der Reihenresonanzkapazität (C1) ergibt.
  6. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine synchrone Ansteuerung des Hochsetzstellers (3) und des Resonanzwandlers (2).
  7. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (3) im Lückbetrieb betrieben wird.
  8. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzteller (3) mit variabler Taktfrequenz betrieben wird.
  9. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator als Planartransformator (10) ausgebildet ist.
  10. Wechselrichter entsprechend Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Streuinduktivität des Planartransformators durch das Einfügen eines Drosselkerns mit Luftspalt, der nur mit der Primärwicklung oder nur mit der Sekundärwicklung bewickelt ist, vergrößert wird.
  11. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gussgehäuse (16) umfasst, dass derart abgestufte Kontaktflächen zur wärmtechnischen Anbindung aufweist, dass der Planartransformator und zwei überlappende Leiterplatten angebunden werden können.
  12. Wechselrichter nach einem oder mehreren Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator mit zwei überlappenden Leiterplatten (14, 15) versehen ist.
  13. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Ansteuerverhalten, dass den Hochsetzsteller nur dann ansteuert, wenn die Zwischenkreisspannung am Kondensator Cnetz kleiner wird als es zur Netzeinspeisung im aktuellen Betriebspunkt erforderlich ist.
  14. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkapazitäten C5 und C6 im DC-Kreis angeordnet sind.
  15. Wechselrichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu C5 und C6 ein großer DC-Filterkondensator (C12) angeordnet ist.
  16. Wechselrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Energie aus einem PV-Generator ins Netz eingespeist wird.
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