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Die
Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller zum Hochsetzen einer an
einem Eingang anliegenden Eingangsgleichspannung in eine an einem
Ausgang bereitzustellende, höhere
Ausgangsgleichspannung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Tiefsetzsteller
zum Tiefsetzen einer an einem Eingang anliegenden Eingangsgleichspannung
in eine an einem Ausgang bereitzustellende, niedrigere Ausgangsgleichspannung.
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Ferner
betrifft die Erfindung einen Hoch-/Tiefsetzsteller mit einem Eingang
für eine
Eingangsgleichspannung, mit einem ersten Ausgang zur Bereitstellung
einer ersten, im Vergleich zur Eingangsgleichspannung höheren Ausgangsgleichspannung
und mit einem zweiten Ausgang zur Bereitstellung einer zweiten,
im Vergleich zur ersten Ausgangsgleichspannung niedrigeren Ausgangsgleichspannung.
Der Hoch-/Tiefsetzsteller weist einen eingangsseitigen Hochsetzsteller
und einen ausgangsseitigen Tiefsetzsteller auf.
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Die
Erfindung betrifft in entsprechender Weise einen Tief-/Hochsetzsteller
mit einem eingangsseitigen Tiefsetzsteller und einem ausgangsseitigen Hochsetzsteller.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung einen Dreiphasen-Wechselrichter mit einem
eingangsseitigen Hochsetzsteller und einer dem Hochsetzsteller nachgeschalteten,
ausgangsseitigen Wechselrichtereinheit. Der Dreiphasen-Wechselrichter
weist einen Eingang für
eine Eingangsgleichspannung und einen Ausgang für eine dreiphasige Ausgangswechselspannung
zum Anschließen
eines Drehstromnetzes oder einer Last auf.
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Die
Erfindung betrifft in entsprechender Weise einen Dreiphasen-Wechselrichter
mit einem eingangsseitigen Tiefsetzsteller und einer dem Tiefsetzsteller
nachgeschalteten, ausgangsseitigen Wechselrichtereinheit.
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Schließlich betrifft
die Erfindung geeignete Verwendungen eines 3-Phasen-Moduls als Baueinheit
zur Realisierung eines hochverfügbaren
Hochsetzstellers bzw. eines hochverfügbaren Tiefsetzstellers.
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Aus
dem Stand der Technik sind Hochsetzsteller bzw. Aufwärtswandler
oder Boost Converter sowie Tiefsetzsteller bzw. Abwärtswandler
oder Buck Converter grundsätzlich
bekannt. Bei beiden Stellern handelt es sich im Gegensatz zu Sperrwandlern
um nichtinvertierende DC/DC-Wandler, d. h., sie setzen die Eingangsgleichspannung
in Bezug auf ein gemeinsames Bezugspotential in eine Ausgangsgleichspannung
mit gleichem Spannungsvorzeichen um. Die beiden DC/DC-Wandler können auch
als nichtinvertierende Gleichstromsteller oder als nichtinvertierende
Gleichspannungswandler bezeichnet werden.
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Üblicherweise
weisen Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller einen Stellerschalter,
eine Freilaufdiode, eine Ladespule und vorzugsweise einen parallel zum
Ausgang geschalteten Filterkondensator auf. Der Stellerschalter
ist typischerweise ein elektronisches Schaltelement, insbesondere
ein MOSFET (für
Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder ein IGBT
(für Insulated
Gate Bipolar Transistor). Die Freilaufdiode ist typischerweise als
diskretes Bauteil ausgeführt.
Wesentliche Kenngrößen einer solchen
Freilaufdiode sind der maximale Strom sowie die maximale Sperrspannung.
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Aus
dem Stand der Technik sind weiterhin Hoch-/Tiefsetzsteller sowie
Tief-/Hochsetzsteller bekannt. Sie setzen sich aus einem eingangsseitigen Hochsetzsteller
bzw. Tiefsetzsteller und einem ausgangsseitigen Tiefsetzsteller
bzw. Hochsetzsteller zusammen. So kann im Falle eines Hoch-/Tiefsetzstellers
eine eingangsseitige Eingangsgleichspannung, wie z. B. von 200 V,
in eine erste Ausgangsgleichspannung umgewandelt werden, wie z.
B. mit einem Spannungswert von 800 V. Die hochge setzte erste Ausgangsgleichspannung
wird dem nachgeschalteten Tiefsetzsteller eingangsseitig zugeführt, welcher
im normalen, ordnungsgemäßen Betrieb
diese in eine im Vergleich zur ersten Ausgangsgleichspannung niedrigere,
zweite Ausgangsgleichspannung umsetzt, wie z. B. mit einem Spannungswert von
200 V. Entsprechendes gilt für
einen Tief-/Hochsetzsteller.
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Weiterhin
sind aus dem Stand der Technik Dreiphasen-Wechselrichter mit vorgeschaltetem Hochsetzsteller
bzw. vorgeschaltetem Tiefsetzsteller bekannt. Je nach vorgeschaltetem
Steller wird eine Eingangsgleichspannung zuerst hochgesetzt oder tiefgesetzt
und diese dann einer nachgeschalteten Wechselrichtereinheit zugeführt. Die
Ausgangsspannung des Hochsetzstellers bzw. Tiefsetzstellers wird auch
als Zwischenkreisspannung bezeichnet. Die Zwischenkreisspannung
wird typischerweise mittels eines Puffer- oder Speicherkondensators
gepuffert.
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Die
Vorschaltung eines Hochsetzstellers bzw. eines Tiefsetzstellers
ist vorteilhaft, wenn die Eingangsgleichspannung starken Schwankungen unterliegt,
wie z. B. beim Betrieb des Dreiphasen-Wechselrichters an einem Solarmodul,
an einem Solarfeld, an einer Brennstoffzelle oder an einem Generator
einer Windkraft- oder Biogasanlage. Alternativ oder zusätzlich kann
die Vorschaltung eines Hochsetzstellers notwendig sein, um für die Wechselrichtereinheit
eine ausreichend hohe Zwischenkreisspannung zur Verfügung stellen,
wie z. B. zur Speisung von Elektromotoren mit besonders hoher Leistungsdichte,
wie z. B. bei Marineanwendungen. Dagegen kann die Vorschaltung eines
Tiefsetzstellers notwendig sein, um für die Wechselrichtereinheit
eine nicht zu hohe Zwischenkreisspannung zur Verfügung zu
stellen.
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Die
zuvor betrachteten Vorrichtungen sind vorzugsweise für einen
Leistungsbereich von 10 kW und mehr, insbesondere von 50 kW und
mehr, vorgesehen.
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Es
ist somit ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik
eine Aufgabe der Erfindung, einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller,
einen Hoch-/Tiefsetzsteller, einen Tief-/Hochsetzsteller sowie einen
Dreiphasen-Wechselrichter mit vorgeschaltetem Hochsetzsteller oder
Tiefsetzsteller anzugeben, welche schaltungstechnisch auf besonders einfache
Weise realisiert werden können
und welche zudem eine höhere
Verfügbarkeit
aufweisen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, geeignete Verwendungen anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird jeweils mit einem Hochsetzsteller, mit
einem Tiefsetzsteller, mit einem Hoch-/Tiefsetzsteller, mit einem
Tief-/Hochsetzsteller sowie mit einem Dreiphasen-Wechselrichter
mit vorgeschaltetem Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller mit den
Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche
1 bis 6 gelöst.
In den abhängigen
Ansprüchen
7 bis 13 sind vorteilhafte Ausführungsformen
der vorgenannten Vorrichtungen angegeben. In den unabhängigen Ansprüchen 14
und 15 ist jeweils eine geeignete Verwendung eines 3-Phasen-Moduls als Baueinheit
für einen
Hochsetzsteller bzw. für
einen Tiefsetzsteller genannt.
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Die
gemeinsame erfinderische Idee für
die vorgenannten Vorrichtungen liegt in der Verwendung eines typischerweise
bei der Realisierung eines dreiphasigen (Puls-)Wechselrichters eingesetzten
und als solches spezifizierten „Standard” 3-Phasen-Moduls zur Realisierung
eines schaltungstechnisch davon gänzlich verschiedenen, hochverfügbaren Gleichstromstellers
mit drei parallelen Ladespulen. Dabei übernehmen die Schalttransistoren
des 3-Phasen-Moduls die schaltungstechnische Funktion der Stellerschalter
und die schaltungstechnische Funktion der Freilaufdioden im Gleichstromsteller,
also im Hochsetz- bzw. Tiefsetzsteller. Die Schalttransistoren im
3-Phasen-Modul sind üblicherweise
IGBTs oder MOSFETs.
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Die
vorteilhaft hohe Verfügbarkeit
wird durch drei parallel ausgeführte
Ladekreise erzielt, welche jeweils aus einer Halbbrücke des
3-Phasen-Moduls und einer im jeweiligen Mittelanschluss angeschalteten
Ladespule bestehen. Je nach leistungstechnischer Auslegung der Schalttransistoren
ist dann ein voller oder zumindest reduzierter Weiterbetrieb des jeweiligen
Hochsetzstellers und/oder Tiefsetzstellers möglich, auch wenn ein Ladekreis
oder sogar zwei Ladekreise ausgefallen sein sollten.
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Durch
die Integration des bereits als kompaktes Bauteil ausgeführten 3-Phasen-Moduls
in den Gleichstromsteller werden vorteilhaft weniger Bauelemente
benötigt.
Der Verschaltungsaufwand reduziert sich. Ein weiterer Vorteil ist
die bereits vorhandene hohe Typenvielfalt von 3-Phasen-Modulen.
Dadurch ist eine leistungsoptimierte Realisierung der zuvor genannten,
getaktet ansteuerbaren Vorrichtungen bei zugleich äußerst kompakten
Abmessungen möglich.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass auch 3-Phasen-Module eingesetzt werden
können,
die bereits eine interne Schutzbeschaltung und/oder eine integrierte
Ansteuerschaltung für
die Schalttransistoren aufweisen. Dadurch reduziert sich die Anzahl
der Bauelemente nochmals. Zudem vereinfacht sich der Aufwand für die Signalaufbereitung
der Ansteuersignale für
die Schalttransistoren.
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Zur
Lösung
der Aufgabe weist der Hochsetzsteller erfindungsgemäß zumindest
eine Steuereinheit, drei Ladespulen und ein 3-Phasen-Modul, das heißt eine
3-Fach-Halbbrücke
mit drei parallelgeschalteten Halbbrücken, auf. Die Halbbrücken weisen
jeweils einen Highside-Schalttransistor zur Übernahme der schaltungstechnischen
Funktion einer Freilaufdiode im Hochsetzsteller und jeweils einen Lowside-Schalttransistor
zur Übernahme
der schaltungstechnischen Funktion eines Stellerschalters im Hochsetzsteller
auf. Die Schalttransistoren des Hochsetzstellers sind über die
Steuereinheit getaktet ansteuerbar.
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Die
Steuereinheit ist insbesondere ein Mikrocontroller, ein Mikroprozessor
oder ein Signalprozessor. Mit einem „Highside-Schalttransistor” ist der jeweilige Schalttransistor
in einer Halbbrücke
bezeichnet, der bei der bisher üblichen
Verwendung als Wechselrichter an ein positives Spannungsniveau angeschaltet
wird. In entsprechender Weise ist mit einem „Lowside-Schalttransistor” der jeweils
andere Schalttransistor bezeichnet, der an ein negatives Spannungsniveau,
insbesondere an das Messepotential, angeschaltet wird.
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Die
Schalttransistoren, welche die Funktion der Freilaufdiode und des
Stellerschalters übernehmen,
werden über
die Steuereinheit zumindest in einem Gegentaktbetrieb sperrend angesteuert.
Mit anderen Worten werden die Schalttransistoren, welche die Funktion
der Freilaufdioden übernehmen,
dann sperrend angesteuert, wenn sich ein Stromfluss entgegen der
Durchlassrichtung der entsprechenden Freilaufdiode einstellen würde. Im
ordnungsgemäßen Normalbetrieb werden die Highside- und die Lowside-Schalttransistoren
im Gegensatz zur Ansteuerung bei einer Wechselrichtereinheit im
Wesentlichen phasengleich angesteuert.
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Zur
weiteren Lösung
der Aufgabe weist der Tiefsetzsteller erfindungsgemäß zumindest
eine Steuereinheit, drei Ladespulen sowie ein 3-Phasen-Modul mit
drei parallelgeschalteten Halbbrücken auf.
In diesem Fall weisen die Halbbrücken
jeweils einen Highside-Schalttransistor zur Übernahme der schaltungstechnischen
Funktion eines Stellerschalters im Tiefsetzsteller und jeweils einen
Lowside-Schalttransistor zur Übernahme
der schaltungstechnischen Funktion einer Freilaufdiode im Tiefsetzsteller
auf. Die Schalttransistoren sind wiederum über die Steuereinheit getaktet
ansteuerbar.
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Es
ist auch vorstellbar, dass bei dem erfindungsgemäßen Hoch- bzw. Tiefsetzsteller eine Halbbrücke des
3-Phasen-Moduls dazu verwendet wird, um einen Bremschopper zu realisieren.
In einem solchen Fall ist der Mittelabgriff einer Halbbrücke nicht mit
einer Ladespule verbunden, sondern über einen Bremswider stand an
das Massepotential geschaltet. Der dazu parallel liegende Schalttransistor
der Halbbrücke
bleibt fortlaufend gesperrt angesteuert, während der andere Schalttransistor
vorzugsweise mit einem veränderlichen
Tastverhältnis über die
Steuereinheit taktend angesteuert werden kann.
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Zur
weiteren Lösung
der Aufgabe weist der Hoch-/Tiefsetzsteller einen zwischen dem Eingang und
dem ersten Ausgang geschalteten erfindungsgemäßen Hochsetzsteller und einen
zwischen den beiden Ausgängen
geschalteten erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller
auf.
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In
entsprechender Weise weist der Tief-/Hochsetzsteller zur weiteren
Lösung
der Aufgabe einen zwischen dem Eingang und dem ersten Ausgang geschalteten
erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller
und einen zwischen den beiden Ausgängen geschalteten erfindungsgemäßen Hochsetzsteller auf.
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Vorzugsweise
weisen der Hoch-/Tiefsetzsteller und der Tief-/Hochsetzsteller sowohl
einen erfindungsgemäßen Hochsetzsteller
als auch einen erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller
auf. Des Weiteren können
beide 3-Phasen-Module identisch ausgeführt sein.
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Weiterhin
weist zur Lösung
der Aufgabe der Dreiphasen-Wechselrichter einen eingangsseitigen erfindungsgemäßen Hochsetzsteller
bzw. einen erfindungsgemäßen Hochsetzsteller
mit einem 3-Phasen-Modul auf.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform weisen
der Hoch-/Tiefsetzsteller, der Tief-/Hochsetzsteller und der Dreiphasen-Wechselrichter
jeweils eine gemeinsame Steuereinheit zur getakteten Ansteuerung
der Schalttransistoren der jeweiligen Vorrichtung auf. Dadurch reduziert
sich der schaltungstechnische Aufwand nochmals.
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Einer
Ausführungsform
zufolge weisen die Vorrichtungen zumindest eine Spannungsmesseinheit
zur Erfassung der an den Ein- und
Ausgängen anliegenden
Spannungen auf. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere
bei schwankender Eingangsgleichspannung und bei sich ändernden
Lasten an den ausgangsseitigen Anschlüssen vorteilhaft. Insbesondere
ist die Steuereinheit bzw. die gemeinsame Steuereinheit mit den
jeweiligen Spannungsmesseinheiten zur Regelung der jeweiligen Ausgangsspannungen
verbunden. Alternativ können die
Spannungsmesseinheiten in der Steuereinheit in Form von Spannungsmesseingängen integriert
sein.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weisen die Vorrichtungen je eine Strommesseinheit zur Erfassung
eines Ladespulenstroms auf. Die Strommesseinheit kann einen Shuntwiderstand
aufweisen. Sie kann alternativ einen Stromwandler, wie z. B. ein LEM-Wandler,
aufweisen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform sind
die jeweiligen Strommesseinheiten mit der Steuereinheit verbunden.
Es sind die Schalttransistoren des 3-Phasen-Moduls des Hochsetzstellers
und/oder des Tiefsetzsteller über
die Steuereinheit derart ansteuerbar, dass sich zumindest in etwa
gleiche Ladespulenströme
einstellen. Durch die Gleichverteilung der Ladespulenströme sinkt
vorteilhaft die gesamte Verlustleistung des Hochsetzsteller bzw.
des Tiefsetzstellers.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform sind
die Schalttransistoren einer Halbbrücke eines 3-Phasen-Moduls über die
Steuereinheit sperrend ansteuerbar, wenn ein erfasster zugehöriger Ladespulenstrom
signifikant von den beiden parallelen Ladespulenströmen abweicht.
Eine signifikante Abweichung kann z. B. in einem Bereich von 5%
bis 20% vom Strommittelwert der übrigen
Ladespulenströme
liegen. Nach Abschalten der vermutlich defekten Halbbrücke steuert
die Steuereinheit die Schalttransistoren in den beiden verbleibenden
Halbbrücken
des 3-Phasen-Moduls derart an, dass sich wieder zumindest in etwa
gleiche Ladespulenströme einstellen.
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Die
Abschaltung der als defekt erkannten Halbbrücke erfolgt in der Weise, dass
ein unterbrechungsfreier Weiterbetrieb des Hochsetzstellers bzw. des
Tiefsetzstellers möglich
ist. Je nach leistungstechnischer Auslegung des 3-Phasen-Moduls
ist zumindest eine unterbrechungsfreie elektrische Weiterversorgung
der angeschlossenen Last mit zwei Dritteln der ursprünglichen
elektrischen Leistung möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Halbbrücken des 3-Phasen-Moduls für das 1,5-fache des umzusetzenden
Nennstroms ausgelegt sind. In diesem Fall ist nach Ausfall einer
Halbbrücke
eine weitere Vollversorgung der elektrischen Last bzw. eine weitere
volle Einspeisung in das angeschlossene Netz im Sinne einer Redundanz
möglich.
In diesem Fall wird das Tastverhältnis,
das heißt
das Ein-/Ausschalt-Verhältnis
der Steller-Schalttransistoren in den verbleibenden Halbbrücken entsprechend
erhöht.
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Bei
besonders hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit können die Halbbrücken des
3-Phasen-Moduls leistungstechnisch für das 3-fache des umzusetzenden
Nennstroms ausgelegt sein. In diesem Fall steht auch nach Ausfall
von zwei der drei Halbbrücken
die volle elektrische Leistung am Ausgang zur Verfügung.
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Gemäß der Erfindung
ist ein derartiges „Standard” 3-Phasen-Modul als Baueinheit
vorteilhaft zur Realisierung eines hochverfügbaren Hochsetzstellers verwendbar,
wobei das 3-Phasen-Modul
drei Halbbrücken
mit jeweils zwei in Reihe geschalteten, separat ansteuerbaren Schalttransistoren
aufweist. Es werden anstelle nur einer Ladespule drei Ladespulen
parallel an den jeweiligen Mittelabriff der Halbbrücken geschaltet.
Weiterhin übernehmen
ein Highside-Schalttransistor der jeweiligen Halbbrücke die
schaltungstechnische Funktion jeweils einer Freilaufdiode und ein
Lowside-Schalttransistor der jeweiligen Halbbrücke die schaltungstechnische
Funktion jeweils eines Stellerschalters im Hochsetzsteller.
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Schließlich ist
ein derartiges „Standard” 3-Phasen-Modul
vorteilhaft zur Realisierung eines hochverfügbaren Tiefsetzstellers verwendbar.
Im Gegensatz zum Hochsetzsteller übernehmen nun ein Lowside-Schalttransistor
der jeweiligen Halbbrücke die
schaltungstechnische Funktion jeweils einer Freilaufdiode und ein
Highside-Schalttransistor der jeweiligen Halbbrücke die schaltungstechnische
Funktion jeweils eines Stellerschalters im Tiefsetzsteller.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Beispiel für
einen hochverfügbaren Hochsetzsteller
mit einem 3-Phasen-Modul gemäß der Erfindung,
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2 ein
Beispiel für
einen hochverfügbaren Tiefsetzsteller
mit einem 3-Phasen-Modul gemäß der Erfindung,
-
3 ein
Beispiel für
einen hochverfügbaren Hoch-/Tiefsetzsteller
mit zwei 3-Phasen-Modulen gemäß der Erfindung,
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4 ein
Beispiel für
einen hochverfügbaren Tief-/Hochsetzsteller
mit zwei 3-Phasen-Modulen gemäß der Erfindung,
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5 ein
Beispiel für
einen Dreiphasen-Wechselrichter mit einem hochverfügbaren,
eingangsseitig angeschalteten Hochsetzsteller gemäß der Erfindung,
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6 ein
Beispiel für
einen Dreiphasen-Wechselrichter mit einem hochverfügbaren,
eingangsseitig angeschalteten Tiefsetzsteller gemäß der Erfindung
und
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7 einen
prinzipiellen Aufbau eines 3-Phasen-Moduls.
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1 zeigt
ein Beispiel für
einen hochverfügbaren
Hochsetzsteller 2 mit einem 3-Phasen-Modul 7 gemäß der Erfindung.
Der Hochsetzsteller 2 ist zum Hochsetzen einer an einem
Eingang 11 anliegenden Eingangsgleichspannung uE in eine
an einem Ausgang 12 bereitzustellende, höhere Ausgangsgleichspannung
uA vorgesehen. Die Eingangsgleichspannung uE kann z. B. in einem
Spannungsbereich von einigen Volt bis mehreren Hundert Volt, wie
z. B. 200 V, liegen. Die hochgesetzte Ausgangsgleichspannung uA
kann um ein Vielfaches darüber
liegen, wie z. B. bei 800 V. Die Eingangsgleichspannung uE stammt
von einer mit dem Bezugszeichen 1 stammenden Gleichspannungsquelle, wie
z. B. von einer Brennstoffzelle. Mit dem Bezugszeichen iE ist ein
in den Hochsetzsteller 2 hineinfließender Eingangsstrom bezeichnet.
Der parallel zur Spannungsquelle 1 angeordnete, optionale
Kondensator 20 ist zur Filterung der Eingangsgleichspannung
uE vorgesehen.
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Erfindungsgemäß weist
der Hochsetzsteller 2 eine Steuereinheit 40, insbesondere
einen Mikrocontroller, drei Ladespulen 5 sowie ein 3-Phasen-Modul 7 mit
drei parallelgeschalteten Halbbrücken 71–73 auf.
Das 3-Phasen-Modul 7 ist als gestrichelter Kasten dargestellt.
Mit dem Bezugszeichen 10 sind die Anschlussklemmen des
als integriertes Leistungsmodul ausgeführten 3-Phasen-Moduls 7 bezeichnet.
Die gezeigten Halbbrücken 71–73 weisen jeweils
einen Highside-Schalttransistor 8, 70 und einen
darunterliegend dargestellten Lowside-Schalttransistor 9, 70 auf.
Bei den Schalttransistoren 70 handelt es sich hier um IGBTs.
Die jeweiligen, nicht weiter bezeichneten Gates bzw. Steuerelektroden der
Schalttransistoren 70 sind mit der Steuereinheit 40 verbunden.
Mit S1–S6
sind die digitalen Ansteuersignale zum getakteten Ein- und Ausschalten
der Schalttransistoren 70 bezeichnet. Es sind weiterhin die
Mittelabgriffe der Halbbrücken 71–73 mit
den Ladespulen 5 verbunden. Der jeweilige andere Anschluss
der Ladespulen 5 ist gemeinsam mit dem Eingang 11 verbunden.
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Im
vorliegenden Beispiel übernimmt
jeweils ein Lowside-Schalttransistor 9 die
schaltungstechnische Funktion eines Stellerschalters im Hochsetzsteller 2.
Jeweils ein Highside-Schalttransistor 8 übernimmt
die schaltungstechnische Funktion einer Freilaufdiode im Hochsetzsteller.
Ausgangsseitig ist ein optionaler Filter- oder Pufferkondensator 20 vorhanden.
Mit dem Bezugszeichen G ist ein Gleichspannungsnetz bezeichnet,
in welches der erfindungsgemäße Hochsetzsteller 2 einspeisen
kann.
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Die
gezeigte Steuereinheit 40 weist zur Spannungsregelung mehrere
Spannungsmesseingänge
UE, M, UA zur Erfassung der Eingangsgleichspannung uE, der Masse
als Bezugspotential sowie der Ausgangsgleichspannung uA auf. Sie
weist weiterhin Strommesseingänge
IL1–IL3,
IA zur Erfassung der drei durch die Ladespulen 5 hindurchfließenden Ladespulenströme iL1–iL3 jeweils
mittels einer Strommesseinheit 6 auf. Schließlich weist
die Steuereinheit 40 noch einen Busanschluss 41 auf.
Dieser dient z. B. zur übergeordneten
Steuerung der Steuereinheit 40, zur Ausgabe von Fehler-
und Statusmeldungen sowie zum Empfang von Strom- und Spannungssollwerten
und von Konfigurationsdaten für
die Steuereinheit 40.
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Zur
Bewerkstelligung der hohen Verfügbarkeit
sind außerdem
die Schalttransistoren 70 des 3-Phasen-Moduls 7 über die
Steuereinheit 40 derart ansteuerbar, dass sich zumindest
in etwa gleiche Ladespulenströme
iL1–iL3
einstellen. Für
den Fall des Ausfalls zumindest einer der drei Halbbrücken 71–73 werden
die Schalttransistoren 70 der betreffenden Halbbrücke 71–73 über die
Steuereinheit 40 sperrend angesteuert, das heißt wenn
insbesondere ein erfasster zugehöriger
Ladespulenstrom iL1–iL3
signifikant abweicht, wie z. B. um mindestens 5 von den beiden
parallelen Ladespulenströmen
iL1–iL3.
Diese Halbbrücke 71–73 geht
dann in eine sogenannte „Taktsperre”, während die
anderen weiter getaktet angesteuert werden, um je nach leistungstechnischer
Auslegung noch zumindest einen Teil oder gänzlich den ausgefallenen Leistungsanteil
zu übernehmen.
In diesem Fall werden die Lowside-Schalttransistoren 9, 70 der
funktionsfähigen
Halbbrücken 71–73 mit
einem größeren Ein-/Ausschalt-Verhältnis angesteuert.
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2 zeigt
ein Beispiel für
einen hochverfügbaren
Tiefsetzsteller 3 mit einem 3-Phasen-Modul 7 gemäß der Erfindung.
Im Vergleich zur 1 ist der Tiefsetzsteller 3 zum
Tiefsetzen der am Eingang 11 anliegenden Eingangsgleichspannung
uE in eine am Ausgang 12 bereitzustellende, niedrigere
Ausgangsgleichspannung uA vorgesehen. Davon abgesehen übernehmen
jetzt der jeweilige Highside-Schalttransistor 8, 70 die
Funk tion des Stellerschalters im Tiefsetzsteller 2 und
der jeweilige Lowside-Schalttransistor 9, 70 die
Funktion der Freilaufdiode. Im Vergleich zur 2 sind nun
die drei Ladespulen 5 ausgangsseitig gemeinsam zusammengeschaltet.
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3 zeigt
ein Beispiel für
einen hochverfügbaren
Hoch-/Tiefsetzsteller 100 mit zwei 3-Phasen-Modulen 7 gemäß der Erfindung.
In schaltungstechnischer Hinsicht entspricht der Hoch-/Tiefsetzsteller 100 einer
Serienschaltung aus einem eingangsseitigen Hochsetzsteller 2 und
einem nachgeschalteten Tiefsetzsteller 3. Anstelle einer
einzigen Ausgangsgleichspannung liefert der gezeigte Hoch-/Tiefsetzsteller 100 an
dem ersten Ausgang 12 eine erste, im Vergleich zur Eingangsgleichspannung uE
höhere
Ausgangsgleichspannung uA1 und an einem zweiten Ausgang 13 eine
zweite, im Vergleich zur ersten Ausgangsgleichspannung uA1 niedrigere Ausgangsgleichspannung
uA2. Im Beispiel der 3 ist die erste Ausgangsgleichspannung
uA1 mittels eines Speicherkondensators 30 gepuffert.
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Erfindungsgemäß weist
der Hoch-/Tiefsetzsteller 100 nun einen zwischen dem Eingang
und dem ersten Ausgang 11, 12 geschalteten, erfindungsgemäßen Hochsetzsteller 2 und
im vorliegenden Beispiel außerdem
noch einen zwischen dem ersten und zweiten Ausgang 12, 13 geschalteten,
erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller 3,
also jeweils mit einem als integriertes Leistungsmodul ausgeführten „Standard” 3-Phasen-Modul 7.
Mit den Bezugszeichen iA1 und iA2 sind die beiden zugehörigen Ausgangsgleichströme bezeichnet.
Mit iE' ist ein
in den nachgeschalteten Tiefsetzsteller 3 hineinfließende Eingangsgleichstrom
bezeichnet.
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Weiterhin
weist der erfindungsgemäße Hoch-/Tiefsetzsteller 100 anstelle
von zwei separaten Steuereinheiten eine gemeinsame Steuereinheit 40 auf.
Mit S1–S6,
S1'–S6' sind die Ansteuersignale für beide
3-Phasen-Module 7 bezeichnet. Mit iL1–iL3 sind die in das obere
3-Phasen-Modul 7 hineinfließenden Ladespulenströme und mit
iL1'–iL3' die aus dem unteren
3-Phasen-Modul 7 herausfließenden Ladespulenströme bezeich net.
Mit IL1–IL3,
IL1'–IL3', IA1 sind die zugehörigen Strommesseingänge der Steuereinheit 40 bezeichnet.
Bei den beiden 3-Phasen-Modulen 7 kann es sich um identische
Komponenten handeln.
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4 zeigt
ein Beispiel für
einen hochverfügbaren
Tief/Hochsetzsteller 200 mit zwei 3-Phasen-Modulen 7 gemäß der Erfindung.
In schaltungstechnischer Hinsicht entspricht der Tief-/Hochsetzsteller 200 einer
Serienschaltung aus einem eingangsseitigen Tiefsetzsteller 3 und
einem nachgeschalteten, ausgangseitigen Hochsetzsteller 2.
Im Vergleich zur Schaltungsanordnung gemäß 3 liegt
nun am ersten Ausgang 12 eine im Vergleich zur Eingangsgleichspannung
uE niedrigere erste Ausgangsgleichspannung uA1 an. Diese wird über den im
unteren Teil der 4 gezeigten Hochsetzsteller 2 in
eine dazu vergleichsweise höhere
zweite Ausgangsgleichspannung uA2 umgesetzt. Letztere liegt am zweiten
Ausgang 13 an und speist dort eine nicht weiter bezeichnete
Last.
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5 zeigt
ein Beispiel für
einen Dreiphasen-Wechselrichter 300 mit einem hochverfügbaren, eingangsseitig
angeschalteten Hochsetzsteller 2 gemäß der Erfindung. Dem Hochsetzsteller 2 ist
ausgangsseitig eine Wechselrichtereinheit 3 nachgeschaltet.
Am Eingang 11 des Dreiphasen-Wechselrichters 300 liegt
eine Eingangsgleichspannung uE an. Der angeschaltete Hochsetzsteller 2 setzt
diese Spannung uE in eine im Vergleich dazu höhere Zwischenkreisspannung
uZ um. Mit iZ ist der in die nachfolgende Wechselrichtereinheit 4 hineinfließende Zwischenkreisstrom
bezeichnet. Die Wechselrichtereinheit 4 setzt diese mittels
eines Speicherkondensators 30 gepufferte Zwischenkreisspannung
uZ in eine am Ausgang 14 anliegende dreiphasige Ausgangswechselspannung
uR, uS, uT um. Letztere ist durch die Hochsetzstellung typischerweise
erheblich höher als
die Eingangsgleichspannung uE. So kann der Effektivwert der Wechselspannung
zwischen jeweils zwei Ausgangsphasen beispielsweise 400 V betragen,
wenn die Eingangsgleichspannung uE z. B. 200 V beträgt.
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Erfindungsgemäß weist
der Dreiphasen-Wechselrichter 300 einen Hochsetzsteller 2 mit einem
3-Phasen-Modul 7 auf. Außerdem weist auch die Wechselrichtereinheit 4 ein
insbesondere identisch ausgeführtes
3-Phasen-Modul 7 auf. Beide Module 7 werden über die
gemeinsame Steuereinheit 40 über die Ansteuersignale S1–S6, S1'–S6' getaktet angesteuert, wenn auch völlig voneinander
unabhängig.
Während
die Schalttransistoren 70 des 3-Phasen-Moduls 7 des Hochsetzstellers 2 im
Gegentakt und im Wesentlichen phasengleich angesteuert werden, werden
die drei Halbbrücken 71–73 des
3-Phasen-Moduls 7 in typischer Weise im Gegentakt und um
120° phasenversetzt
angesteuert. Darüber
hinaus kann die Steuereinheit 40 derart ausgeführt sein, dass
die dreiphasige Ausgangswechselspannung uR, uS, uT eine feste Frequenz
aufweist, wie z. B. 50 Hz, 60 Hz oder 400 Hz. Die Wechselrichtereinheit 4 kann
auch derart angesteuert werden, dass die Frequenz der dreiphasigen
Ausgangwechselspannung uR, uS, uT frequenzvariabel ist. Dadurch
kann z. B. ein dreiphasiger Elektromotor im Sinne eines Frequenzumrichters
elektrisch versorgt werden.
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Weiterhin
weist die im unteren Teil der 5 dargestellte
Wechselrichtereinheit 4 drei optionale Filterspulen 15,
insbesondere Filterdrosseln auf, um die ausgangsseitige Stromwelligkeit
am Ausgang 14 zu reduzieren. Die drei Filterspulen 15 können ein Netzfilter
bilden.
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An
dem elektrischen Ausgang 12 kann ein Drehstromnetz N oder
eine Last, wie z. B. ein Elektromotor, angeschlossen werden. Zur
Regelung und Steuerung werden die ungefilterten drei Phasenspannungen
uR, uS, uT durch drei Spannungsmesseingänge UR, US, UT der Steuereinheit 40 erfasst. Mit
IR, IS, IT, IZ sind weiterhin Strommesseingänge der Steuereinheit 40 zur
Erfassung der Phasenströme
iR, iS, iT und des Zwischenkreisstroms iZ bezeichnet. Mit UZ ist
schließlich
noch ein Spannungsmesseingang der Steuereinheit 40 zur
Erfassung der Zwischenkreisspannung UZ bezeichnet.
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6 zeigt
ein Beispiel für
einen Dreiphasen-Wechselrichter 400 mit einem hochverfügbaren, eingangsseitig
angeschalteten Tiefsetzsteller 3 gemäß der Erfindung. Die gezeigte
Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 5 dadurch, dass
eingangsseitig anstelle eines Hochsetzstellers 2 nun ein
Tiefsetzsteller 3 verwendet wird. Dabei wird die Eingangsgleichspannung
uE zuerst in eine niedrigere Zwischenkreisspannung uZ umgesetzt
und diese dann mittels der Wechselrichtereinheit 4 wieder in
eine dreiphasige Ausgangswechselspannung uR, uS, uT umgesetzt bzw.
umgewandelt.
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7 zeigt
einen prinzipiellen Aufbau eines 3-Phasen-Moduls 7 als
Baueinheit. Im oberen Teil sind die drei Highside-Schalttransistoren 8, 70 dargestellt
und im unteren Teil die drei Lowside-Schalttransistoren 9, 70.
Die jeweils gemeinsame obere und untere Stromschiene sind beispielhaft
zu beiden Seiten aus dem Modul 7 zu elektrischen Anschlüssen 10 herausgeführt. Weiterhin
sind die Mittelabriffe der drei Halbbrücken 71–73 zur
linken Seite aus dem Modul 7 herausgeführt. Sie können, wie gestrichelt dargestellt,
zusätzlich
zu weiteren Anschlüssen 10 zur verbesserten
Anschlussmöglichkeit
aus dem 3-Phasen-Modul 7 herausgeführt sein.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung einen Hochsetzsteller 2 zum Hochsetzen
einer an einem Eingang 11 anliegenden Eingangsgleichspannung
uE in eine an einem Ausgang 12 bereitzustellende, höhere Ausgangsgleichspannung
uA, wobei der Hochsetzsteller 2 zumindest eine Steuereinheit 40,
drei Ladespulen 5 und ein 3-Phasen-Modul 7 mit drei
parallelgeschalteten Halbbrücken 71–73 aufweist.
Die Halbbrücken 71–73 weisen
jeweils einen Highside-Schalttransistor 8, 70 zur Übernahme
der schaltungstechnischen Funktion einer Freilaufdiode im Hochsetzsteller 2 und
jeweils einen Lowside-Schalttransistor 9, 70 zur Übernahme
der schaltungstechnischen Funktion eines Stellerschalters im Hochsetzsteller 2 auf.
Die Schalttransistoren 70 sind über die Steuereinheit 40 getaktet
ansteuerbar. Die Erfindung betrifft in entsprechender Weise einen
Tiefsetzsteller 3, welcher zum Tiefsetzen der Eingangsgleichspan nung
uE vorgesehen ist. Sie betrifft weiterhin einen Hoch-/Tiefsetzsteller 100 sowie
einen Tief-/Hochsetzsteller 200, welche jeweils einen erfindungsgemäßen Hochsetzsteller 2 und/oder
Tiefsetzsteller 3 aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung Dreiphasen-Wechselrichter
mit einem vorgeschalteten erfindungsgemäßen Hochsetzsteller 2 bzw.
Tiefsetzsteller 3 sowie geeignete Verwendung eines Hochsetzstellers 2 bzw.
eines Tiefsetzstellers 3.
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Gemäß der Erfindung
kann ein „Standard” 3-Phase-Modul 7 vorteilhaft
zur Realisierung eines hochverfügbaren
Hochsetzstellers bzw. zur Realisierung eines Tiefsetzstellers verwendet
werden. Hierzu werden anstelle nur einer Ladespule 5 drei
Ladespulen 5 parallel an den jeweiligen Mittelabriff der
Halbbrücken 71–73 eines
3-Phasen-Moduls 7 geschaltet. Im Falle eines Hochsetzstellers 2 übernehmen
ein Highside-Schalttransistor 8, 70 der jeweiligen
Halbbrücke 71–73 die
schaltungstechnische Funktion jeweils einer Freilaufdiode und ein
Lowside-Schalttransistor 9, 70 der jeweiligen
Halbbrücke 71–73 die schaltungstechnische
Funktion jeweils eines Stellerschalters im Hochsetzsteller 2.
Im Falle einer Tiefsetzstellers 3 kehren sich die Funktionen
um.
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Obwohl
die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten
Beispiele eingeschränkt
und andere Variationen können
vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der
Erfindung zu verlassen.