DE102013005070A1

DE102013005070A1 - Hochsetzsteller

Info

Publication number: DE102013005070A1
Application number: DE102013005070.7A
Authority: DE
Inventors: Silke Allebrod; Götz-Martin Bertelsmann; Christoph Schill
Original assignee: PLATINUM GmbH
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: DE102013005070B4

Abstract

Ein Hochsetzsteller, zum Beispiel zum Einsatz in einer Solarwechselrichterschaltung, weist mehrere Eingänge (10a, 10b) und einen Ausgang (24) auf. Der Ausgang (24) ist mit jedem der mehreren Eingänge jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden. In der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang ist wenigstens eine Drossel (12a, 12b) angeordnet. In der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang ist wenigstens ein Gleichrichtelement (16a, 16b) angeordnet. Die Eingänge (10a, 10b) sind mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements (14, 14a, 14b) in Serie schaltbar und jeweils mittels wenigstens eines Boost-Schaltelements (18a–18c) über die mit ihnen verbundenen Drosseln (12a, 12b) kurzschließbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller mit mehreren Eingängen, eine Schaltungsanordnung mit einem solchen Hochsetzsteller, eine Wechselrichterschaltung mit einem solchen Hochsetzsteller oder einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Hochsetzstellers.
Hochsetzsteller werden häufig in Stromversorgungen verschiedenster Art verwendet, um Gleichspannungen auf ein höheres Potenzial hochzusetzen, wobei das Übersetzungsverhältnis variiert werden kann.
Solche Stromversorgungen können wenigstens einen Wechselrichter enthalten. Wechselrichter benötigen für einen guten Wirkungsgrad üblicherweise eine relativ konstante Zwischenkreisspannung. Zur Anpassung an stark variable Eingangsspannungen, wie sie zum Beispiel bei Solargeneratoren häufig auftreten, wird deshalb oft ein Hochsetzsteller eingesetzt.
1 zeigt die Grundform eines herkömmlichen Hochsetzstellers. Er besteht aus dem Schaltelement 18 und der Freilaufdiode 16, welche in Form einer Halbbrücke parallel zum Ausgang 24 geschaltet sind, und einer Drossel 12, die mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke 16, 18 und einem Pol des Eingangs 10 verbunden ist. Die Kapazitäten 20 und 22 parallel zu den Anschlüssen 10 und 24 dienen zur Pufferung von Rippleströmen.
Zum Hochsetzen der Gleichspannung am Eingang 10 wird das Schaltelement 18 in schneller Folge ein- und ausgeschaltet (getaktet). Bei eingeschaltetem Schaltelement 18 ist der Eingang 10 über die Drossel 12 kurzgeschlossen. Dabei fließt Energie in die Drossel 12, welche in der anschließenden Freilaufphase über die Diode 16 direkt an den Ausgang 24 abgegeben wird. Solange das Schaltelement 18 eingeschaltet ist, fließt keine Energie vom Eingang zum Ausgang. Die Betriebsweise dieses Hochsetzstellers wird nachfolgend als ”Boost-Mode” bezeichnet.
Der herkömmliche Hochsetzsteller nach 1 kann auch in komplementärer Weise aufgebaut werden. In diesem Fall sind Pluspol und Minuspol bei Eingang 10 und Ausgang 24 vertauscht und die Freilaufdiode 16 ist invertiert angeschlossen.
2 zeigt einen Hochsetzsteller mit dualem Eingang, wie er zum Beispiel in der DE 10 2008 050 402 A1 offenbart ist. Er verfügt über zwei Eingänge 10a, 10b und einen Ausgang 24. Beide Eingänge 10a, 10b sind jeweils über eine Drossel 12a, 12b und ein Gleichrichtelement 16a, 16b parallel mit dem Ausgang 24 verbunden. Außerdem sind beide Eingänge über die Drosseln 12a, 12b mit Hilfe eines Schaltelements (nachfolgend als Serien-Schaltelement bezeichnet) 14 in Serie schaltbar. Die Kapazitäten 20a, 20b und 22 parallel zu den Anschlüssen 10a, 10b und 24 dienen zur Pufferung von Rippleströmen.
Die Betriebsweise dieses dualen Hochsetzstellers wird nachfolgend als ”Dual-Mode” bezeichnet.
Beträgt die Spannung an den Eingängen 10a, 10b zwischen 50% und 100% der Spannung am Ausgang 24, so wird das Serien-Schaltelement 14 getaktet. Bei geschlossenem Serien-Schaltelement 14 sind die Eingänge 10a, 10b in Serie liegend mit dem Ausgang 24 verbunden, wobei Strom in die Drosseln 12a, 12b und den Ausgang 24 fließt. Bei geöffnetem Serien-Schaltelement 14 liegen die Eingänge 10a, 10b parallel, wobei die Drosseln 12a, 12b die zuvor gespeicherte Energie über die Gleichrichtelemente 16a, 16b an den Ausgang 24 abgeben. Kennzeichnend für den Dual-Mode ist die Serienschaltung von mindestens zwei Eingängen 10a, 10b, die beim obigen Boost-Mode nicht gegeben ist.
Wenn die Eingangsspannung 100% der Ausgangsspannung beträgt, so ist das Serien-Schaltelement 14 offen, sodass die beiden Eingänge 10a, 10b statisch parallel liegen. Beträgt die Eingangsspannung 50% der Ausgangsspannung, so ist das Serien-Schaltelement 14 geschlossen, die beiden Eingänge 10a, 10b liegen statisch in Serie. In beiden Fällen treten keinerlei Schaltverluste auf.
Im Gegensatz zum Hochsetzsteller nach 1 fließt zu jedem Zeitpunkt Energie von der Eingangsseite 10a, 10b zum Ausgang 24. Die in den Drosseln 12a, 12b zu speichernde Energie und die Rippleströme im Kondensator 22 sind daher wesentlich verringert. Außerdem sind die Spannungshübe an den Drosseln 12a, 12b halbiert, wodurch die Schaltverluste pro übersetzter Leistung im Schaltelement 14 reduziert werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad stark an. Zudem sind Bauvolumen, Gewicht und Kosten für Bauteile und Kühlung erheblich reduziert.
3 zeigt einen weiteren herkömmlichen dualen Hochsetzsteller, wie er zum Beispiel in der DE 10 2010 006 124 A1 offenbart ist. Aufbau und Funktionsweise sind ähnlich wie beim Hochsetzsteller nach 2. Allerdings ist das Serien-Schaltelement 14 durch zwei in Reihe liegende Serien-Schaltelemente 14a, 14b ersetzt, welche an ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt mit einem Mittelpunkt MP eines geteilten Ausgangskondensators 22a, 22b verbunden sind. Da der geteilte Ausgangskondensator eine Entkopplung bewirkt, lassen sich beide Schaltelemente 14a, 14b bei Bedarf asynchron takten, wodurch sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Regelung ergeben kann.
4 zeigt einen noch weiteren herkömmlichen dualen Hochsetzsteller, wie er zum Beispiel in der DE 10 2011 011 329 A1 offenbart ist. Aufbau und Funktionsweise sind ähnlich wie beim Hochsetzsteller nach 3. Allerdings sind hier die Serien-Schaltelemente 14a bzw. 14b jeweils mit einem Pol eines Eingangs 10b bzw. 10a statt mit einem Mittelpunkt MP eines geteilten Ausgangskondensators verbunden. Die Serienschaltung der Eingänge 10a, 10b kann daher über beide Drosseln 12a, 12b parallel erfolgen, wodurch der Strom pro Drossel halbiert ist, sodass die Verluste verringert werden können.
Die in 2 bis 4 dargestellten dualen Hochsetzsteller zeichnen sich gegenüber der Grundschaltung von 1 durch einen besseren Wirkungsgrad bei geringem Bauteilaufwand aus. Allerdings kann die Ausgangsspannung maximal so groß werden wie die Summe der Spannungen an den Eingängen 10a, 10b, was bei symmetrischem Betrieb einer Spannungserhöhung um den Faktor zwei entspricht. Bei Solaranlagen ist ein Eingangsspannungs-Bereich von 1:2 bei voller Last normalerweise ausreichend. Diese Anforderung wird von den herkömmlichen dualen Hochsetzstellern nach 2 bis 4 in der Regel gut abgedeckt. In einigen Fällen, zum Beispiel bei einer Teilverschattung von Solargeneratoren, kann jedoch eine Hochsetzung um mehr als den Faktor zwei gewünscht sein.
Außerdem sind Strom- und/oder Spannungs-Unsymmetrien der speisenden Quellen bei diesen herkömmlichen Hochsetzstellern nur begrenzt ausgleichbar. Bei Solaranlagen besteht daher insbesondere bei ungünstiger Auslegung der Solargeneratoren die Gefahr, dass es ab einem bestimmten Grad von Unsymmetrie nicht mehr möglich ist, die an den Eingängen 10a, 10b angeschlossenen Generatoren in ihrem jeweiligen Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point, MPP) zu betreiben.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Hochsetzsteller zu schaffen, welcher eine Spannungshochsetzung um mehr als den Faktor zwei ermöglicht und/oder auch bei Unsymmetrie der Solargeneratoren mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Hochsetzsteller weist mehrere Eingänge, an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einen gemeinsamen Ausgang zum Bereitstellen einer Gleichspannung auf. Der gemeinsame Ausgang ist mit jedem der mehreren Eingänge jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens eine Drossel angeordnet ist und in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement angeordnet ist. Die mehreren Eingänge sind somit bezüglich des gemeinsamen Ausgangs parallel betreibbar. Zudem sind wenigstens zwei der mehreren Eingänge mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements in Serie schaltbar. Vorzugsweise sind alle Eingänge mittels jeweils wenigstens eines Serien-Schaltelements in Serie schaltbar.
Gemäß der Erfindung ist parallel zu wenigstens einem der mehreren Eingänge wenigstens ein Boost-Schaltelement zum Kurzschließen dieses Eingangs über die mit ihm verbundene Drossel geschaltet. Vorzugsweise ist parallel zu allen Eingänge jeweils wenigstens ein Boost-Schaltelement zum Kurzschließen des jeweiligen Eingangs über die mit ihm verbundene Drossel geschaltet.
Durch die zusätzlich geschaffene Möglichkeit, einen oder mehrere Eingänge mittels Boost-Schaltelementen über die mit dem jeweiligen Eingang verbundene Drossel kurzzuschließen, kann der Hochsetzsteller wahlweise – je nach den aktuellen Betriebsbedingungen – in einem von mehreren Betriebsmodi betrieben werden. Der erfindungsgemäße Hochsetzsteller kann deshalb auch als Hybrid-Hochsetzsteller bezeichnet werden.
Diese mehreren Betriebsmodi, d. h. vorzugsweise ein Boost-Mode, ein Dual-Mode und ein kombinierter Boost-Dual-Mode, werden weiter unten näher erläutert. Auf diese Weise ist es je nach Bedarf möglich, eine Spannungshochsetzung um mehr als den Faktor zwei zu erzielen und/oder den Hochsetzsteller auch noch bei nennenswerten Unsymmetrien der an den Eingängen bereitgestellten Gleichspannungen mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben.
Der Hochsetzsteller weist mehrere, d. h. zwei, drei, vier oder mehr Eingänge auf. An jeden dieser Eingänge kann wenigstens eine, d. h. ein, zwei, drei oder mehr, in Reihe oder parallel geschaltete Gleichspannungsquellen angeschlossen werden. Unter einer „Gleichspannungsquelle” soll in diesem Zusammenhang jede Art von Vorrichtung oder Schaltung verstanden werden, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Zu den Gleichspannungsquellen in diesem Sinne zählen insbesondere, aber nicht ausschließlich, Solargeneratoren, Brennstoffzellen, thermoelektrische Generatoren, Akkus, Batterien, Superkondensatoren, elektromagnetische Generatoren, AC/DC-Wandler, DC/DC-Wandler und dergleichen.
Unter einem Schaltelement soll in diesem Zusammenhang jede Art einer Vorrichtung bzw. eines elektronischen Bauteils verstanden werden, welche geeignet ist, eine elektrische Verbindung wahlweise zu schließen oder zu trennen. Die Schaltelemente sind vorzugsweise Halbleiterschaltelemente oder Leistungshalbleiterschalter, bevorzugt MOSFETs, IGBTs, JFETs, Kaskodeschaltungen und dergleichen. Die Bezeichnungen „Serien-Schaltelement” und „Boost-Schaltelement” dienen lediglich der Unterscheidung der Schaltelemente nach ihrer Positionierung und Aufgabenstellung in der Schaltungsanordnung, nicht aber notwendigerweise auch einer Unterscheidung hinsichtlich ihrer Art, ihres Aufbaus, etc. Die Serien-Schaltelemente und die Boost-Schaltelemente sind vorzugsweise Leistungsschalter, die mit fester oder variabler Frequenz getaktet werden können.
Die Schaltelemente werden vorzugsweise von einer Steuerelektronik angesteuert. Die Steuerelektronik ist vorzugsweise analog, digital oder als gemischt digital-analoger Regler aufgebaut. Die Schaltelemente werden vorzugsweise periodisch angesteuert, wobei die Taktfrequenzen so gewählt werden, dass sich am Ausgang des Gleichspannungswandlers ein(e) gewünschte(r) Strom bzw. Spannung einstellt. Die Taktung der Schaltelemente erfolgt vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation mit fester oder variabler Frequenz. Der Strom in den Drosseln kann auf einen kontinuierlichen oder einen lückenden Verlauf geregelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die mehreren Eingänge jeweils über ein einzelnes Serien-Schaltelement in Reihe schaltbar.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt der Hochsetzsteller über wenigstens ein Hilfspotenzial. Außerdem sind wenigstens zwei in Reihe liegende Serien-Schaltelemente zur Serienschaltung von zwei Eingängen vorhanden, wobei deren gemeinsamer Verbindungspunkt jeweils mit dem Hilfspotenzial verbunden ist.
Das Hilfspotenzial erlaubt einen asynchronen Betrieb zweier miteinander verbundener Serien-Schaltelemente. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Regelung, was bei unsymmetrischer Speisung der Eingänge genutzt werden kann. Wenn ein Hilfspotenzial mit einer nachfolgenden Baugruppe, z. B. einem Wechselrichter verbunden wird, können Unsymmetrien, die im Wechselrichter oder im Hochsetzsteller auftreten, durch die jeweils andere Baugruppe kompensiert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können bei Serienschaltung der Eingänge jeweils wenigstens zwei der mit den jeweiligen Eingängen verbundenen Drosseln parallel geschaltet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in Serie zu einem Serien-Schaltelement ein weiteres Gleichrichtelement zur Entkopplung geschaltet (nachfolgend auch als Entkopplungselement bezeichnet), um das Serien-Schaltelement vor negativen Spannungen zu schützen. Alternativ können rückwärts sperrende Schaltelemente verwendet werden, in welchem Fall die Entkopplungselemente dann entfallen können.
Für die Gleichrichtelemente und/oder die Entkopplungselemente werden vorzugsweise Halbleiterdioden verwendet. Es können aber auch aktive Gleichrichtelemente verwendet werden, um geringere Flussverluste zu erzielen. Mit aktiven Gleichrichtelementen ist es außerdem möglich, den Energiefluss umzukehren, d. h. es ist ein bidirektionaler Betrieb möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Minuspol eines Eingangs mit dem Minuspol des Ausgangs verbunden und ist der Pluspol eines anderen Eingangs mit dem Pluspol des Ausgangs verbunden. Mit dieser Konfiguration können Funkstörungen reduziert werden, da die Eingänge bezüglich des Ausgangs keine Potenzialsprünge aufweisen. Es sind aber auch andere Schaltungsanordnungen denkbar.
Die Drosseln des Hochsetzstellers sind vorzugsweise als separate Drosseln ausgeführt, sodass ein asynchroner Betrieb der Serien-Schaltelemente und der Boost-Schaltelemente und somit ein Betrieb mit unsymmetrischer Speisung uneingeschränkt möglich ist. Wenn nur geringe Unsymmetrien erwartet werden, können die Drosseln auch gekoppelt sein. Die Serien-Schaltelemente werden dann vorzugsweise synchron getaktet. Das gilt auch für die Boost-Schaltelemente. Es ist auch denkbar, Drosseln mit Anzapfungen zu verwenden.
Parallel zu den Eingängen und/oder dem gemeinsamen Ausgang ist vorzugsweise jeweils wenigstens ein Pufferkondensator geschaltet, um die Rippleströme zu Puffern.
Zudem sind vorzugsweise Maßnahmen bzw. Mittel zum stromlosen und/oder spannungslosen Schalten der Serien-Schaltelemente und/oder der Boost-Schaltelemente des Hochsetzstellers vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zudem eine Einrichtung zum Durchführen eines Maximum-Power-Point(MPP)-Trackings der an den Eingängen des Hochsetzstellers angeschlossenen Gleichspannungsquellen vorgesehen. Die Steuerelektronik zum Ansteuern der Schaltelemente ist vorzugsweise Bestandteil dieser Einrichtung.
Der Hybrid-Hochsetzsteller der vorliegenden Erfindung kann als eine Kombination aus wenigstens einem herkömmlichen Hochsetzsteller nach 1, wobei dieser auch in abgewandelter, z. B. in komplementärer oder symmetrischer Form, vorliegen kann, und wenigstens einem dualen Hochsetzsteller angesehen werden, wobei Drosseln und Gleichrichtelemente von den Teil-Hochsetzstellern teilweise gemeinsam genutzt werden und zusätzlich vorzugsweise wenigstens ein Entkopplungselement vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Kombination der verschiedenen Teil-Hochsetzsteller in einem einzigen Hybrid-Hochsetzsteller ermöglicht es zunächst, jede der für den betreffenden Teil-Hochsetzsteller typischen Betriebsarten auszuführen.
In einer ersten Betriebsart sind die Serien-Schaltelemente dauerhaft ausgeschaltet, während wenigstens eines der Boost-Schaltelemente getaktet wird. Der zum betreffenden Boost-Schaltelement gehörige Teil-Hochsetzsteller arbeitet dann im bekannten Boost-Mode. Der Wirkungsgrad ist im Boost-Mode jedoch relativ schlecht. Diese Betriebsweise kann aber bei extrem unsymmetrischer Speisung der Eingänge nötig bzw. von Vorteil sein, z. B. wenn nur ein Eingang versorgt wird.
In einer zweiten Betriebsart sind die Boost-Schaltelemente dauerhaft ausgeschaltet. Der Hybrid-Hochsetzsteller arbeitet dann im Dual-Mode. Dieser zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus und ist daher grundsätzlich zu bevorzugen.
Der Dual-Mode kann insbesondere angewendet werden bei Speisung aus überwiegend symmetrischen Quellen mit Spannungen im Bereich zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung. Er ist aber auch bei unsymmetrischem Betrieb möglich. So können zum Beispiel Quellen mit gleichem Strom und verschiedenen Eingangsspannungen in Serie geschaltet werden oder Quellen mit unterschiedlichen Spannungen unterhalb der Ausgangsspannung und/oder unterschiedlichen Strömen auf die Ausgangsspannung hochgesetzt werden.
Im Dual-Mode kann die Ausgangsspannung jedoch nicht über die Summe der Eingangsspannungen hochgesetzt werden. Zudem können Unsymmetrien der die Eingänge speisenden Quellen nur begrenzt ausgeglichen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller sind die Serien-Schaltelemente und die Boost-Schaltelemente aber auch in Kombination miteinander betreibbar, wodurch die für herkömmliche und duale Hochsetzsteller geltenden Einschränkungen überwunden werden können.
Eine bevorzugte Taktungsart wird zunächst für den Betrieb mit symmetrischer Speisung und für einen Hybrid-Hochsetzsteller mit zwei Eingängen beschrieben.
Beträgt die Eingangsspannung zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung, so arbeitet der Hybrid-Hochsetzsteller im bekannten Dual-Mode. Das Tastverhältnis der Serien-Schaltelemente steigt dabei von 0% bei statischer Parallelschaltung der Eingänge auf bis zu 100% bei statischer Serienschaltung der Eingänge.
Liegt die Eingangsspannung unterhalb 50% der Ausgangsspannung, so können erfindungsgemäß die Serien-Schaltelemente dauerhaft geschlossen bleiben, während zusätzlich die Boost-Schaltelemente getaktet werden. Das Tastverhältnis der Boost-Schaltelemente ist dabei umso höher, je niedriger die Eingangsspannung ist.
Theoretisch ist eine beliebig starke Hochsetzung der Eingangsspannungen möglich. Im Gegensatz zum Boost-Mode eines herkömmlichen Hochsetzstellers nach 1 ist der Spannungshub an den Drosseln viel kleiner, da der Freilauf nicht mehr gegen das hohe Potenzial des Ausgangs erfolgt. Dadurch sind die Schaltverluste stark verringert, der Wirkungsgrad ist erhöht. Der Dual-Mode kann somit ausgedehnt werden auf den Bereich von Eingangsspannungen unter 50% der Ausgangsspannung.
Ist die Unsymmetrie der speisenden Quellen zu groß, so kann an einem der Eingänge ein Leistungsüberschuss übrigbleiben.
In diesem Fall können beide Betriebsarten, Boost-Mode und Dual-Mode, kombiniert ausgeführt werden. Dies kann innerhalb derselben Taktzyklen oder in schneller Folge abwechselnd in separaten Taktzyklen geschehen.
Wegen des besseren Wirkungsgrades wird vorzugsweise ein möglichst hoher Anteil der Leistung im Dual-Mode übersetzt. Dazu werden die Serien-Schaltelemente möglichst häufig und/oder möglichst lange eingeschaltet.
Der verbleibende Leistungsüberschuss kann dann im Boost-Mode übersetzt werden.
Das Boost-Schaltelement, das mit demjenigen Eingang verbunden ist, an dem ein Leistungsüberschuss besteht, wird nur so oft bzw. so lange eingeschaltet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss abzubauen bzw. um die an diesem Eingang angeschlossene Quelle in den MPP zu bringen. Das mit diesem Boost-Schaltelement verbundene Serien-Schaltelement wird nur so oft bzw. so lange geöffnet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss direkt in den Ausgang zu übertragen.
Das Boost-Schaltelement, das mit demjenigen Eingang verbunden ist, an dem kein Leistungsüberschuss besteht, wird möglichst selten und/oder kurz eingeschaltet. Ist die Eingangsspannung hoch genug, so kann es ganz ausgeschaltet bleiben.
Bei dieser kombinierten Betriebsweise wird nur der infolge einer Unsymmetrie entstehende überschüssige Leistungsanteil im Boost-Mode, also mit schlechtem Wirkungsgrad übertragen. Da zwischen den Generatoren einer Solaranlage häufig eine relativ hohe Symmetrie vorliegt, ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzstellers in den meisten Fällen höher als wenn ausschließlich ein oder mehrere herkömmliche Hochsetzsteller nach 1 eingesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Schaltungsanordnung, die einen oben beschriebenen Hochsetzsteller der Erfindung in Kombination mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller enthält.
Diese Kombination ergibt einen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller mit extrem weitem Eingangsspannungsbereich. Als duale Hoch-Tiefsetzsteller eignen sich zum Beispiel die Schaltungstopologien, welche in der DE 10 2011 018 357 A1 beschrieben sind, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese Kombinationen beschränkt sein soll.
Der Hybrid-Hochsetzsteller der Erfindung bzw. die beschriebenen Schaltungsanordnungen mit einem solchen Hybrid-Hochsetzsteller eignen sich in vorteilhafter Weise zur Speisung von Gleichstromverbrauchern oder Gleichstromnetzen sowie zum Einsatz in Wechselrichterschaltungen, insbesondere in Solarwechselrichterschaltungen.
Gegenstand der Erfindung ist mithin auch eine Wechselrichterschaltung mit wenigstens einem Hochsetzsteller der Erfindung und/oder wenigstens einer Schaltungsanordnung der Erfindung, sowie wenigstens einem Wechselrichter zum Umsetzen der am Ausgang des Hochsetzstellers bzw. der Schaltungsanordnung bereitgestellten Gleichspannung in eine Wechselspannung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Zwischenkreis des Wechselrichters mit wenigstens einem Hilfspotenzial des Hochsetzstellers verbunden, sodass ein Ausgleich von Unsymmetrien durch den Hochsetzsteller und/oder den Wechselrichter möglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können auch zwei oder mehrere erfindungsgemäße Hybrid-Hochsetzsteller bzw. Schaltungsanordnungen parallel, in Serie oder kaskadiert geschaltet werden.
Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers mit wenigstens zwei Eingängen, an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einem gemeinsamen Ausgang zum Bereitstellen einer Gleichspannung, insbesondere eines oben beschriebenen Hochsetzstellers der Erfindung, wobei der gemeinsame Ausgang mit jedem der mehreren Eingänge jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens eine Drossel angeordnet ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement angeordnet ist, und wobei die wenigstens zwei Eingänge mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements in Serie schaltbar sind. Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Eingang mit Hilfe wenigstens eines Boost-Schaltelements über die mit diesem Eingang verbundene Drossel getaktet kurzgeschlossen.
Bezüglich der besonderen Merkmale, Vorteile, Begriffsdefinitionen und bevorzugten Ausgestaltungen dieses Verfahrens wird der Einfachheit halber auf die obigen Ausführungen in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochsetzsteller verwiesen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Serien-Schaltelemente dauerhaft geschlossen und die Boost-Schaltelemente synchron oder asynchron getaktet, falls die Eingangsspannungen an den Eingängen einen bestimmten Wert unterschreiten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Serien-Schaltelemente möglichst häufig und/oder möglichst lange eingeschaltet, um einen möglichst hohen Leistungsanteil mit hohem Wirkungsgrad zu übertragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das wenigstens eine Boost-Schaltelement, das mit einem Eingang verbunden ist, an dem ein Leistungsüberschuss besteht, nur so oft bzw. so lange eingeschaltet wird, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss abzubauen, und wird das mit diesem Boost-Schaltelement verbundene wenigstens eine Serien-Schaltelement nur so oft bzw. so lange geöffnet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss direkt in den Ausgang zu übertragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Taktfrequenz der Serien-Schaltelemente und/oder der Boost-Schaltelemente abgesenkt, wenn die Eingangsspannungen im Bereich von etwa 50% oder von etwa 100% der Ausgangsspannung liegen.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines herkömmlichen Hochsetzstellers;
2 ein Prinzipschaltbild eines ersten herkömmlichen dualen Hochsetzstellers;
3 ein Prinzipschaltbild eines zweiten herkömmlichen dualen Hochsetzstellers;
4 ein Prinzipschaltbild eines dritten herkömmlichen dualen Hochsetzstellers;
5 ein Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Eingänge über ein einzelnes Serien-Schaltelement in Serie schaltbar sind;
6 ein Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem ein Hilfspotenzial vorhanden ist;
7 ein Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Eingänge über zwei parallel schaltbare Drosseln in Serie schaltbar sind;
8 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit drei Eingängen;
9 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Hochsetzstellers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 ein Prinzipschaltbild einer beispielhaften Schaltungskombination eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers mit einem Solarwechselrichter;
11 ein Prinzipschaltbild eines herkömmlichen dualen Hoch-Tiefsetzstellers;
12 ein Prinzipschaltbild eines weiteren herkömmlichen dualen Hoch-Tiefsetzstellers;
13 ein Prinzipschaltbild einer ersten Kombination eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller; und
14 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Kombination eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller.
Grundlegende Konfigurationen und Funktionsweisen des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers werden nachfolgend anhand eines in 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Der Hochsetzsteller hat zwei Eingänge 10a, 10b und einen Ausgang 24, an welchen jeweils eine Gleichspannung anliegt. Der Minuspol des ersten Eingangs 10a ist direkt mit dem Minuspol des Ausgangs 24 verbunden. Der Pluspol des ersten Eingangs 10a ist über eine Drossel 12a und ein Gleichrichtelement 16a mit dem Pluspol des Ausgangs 24 verbunden. Der Pluspol des zweiten Eingangs 10b ist direkt mit dem Pluspol des Ausgangs 24 verbunden. Der Minuspol des zweiten Eingangs 10b ist über eine zweite Drossel 12b und ein zweites Gleichrichtelement 16b mit dem Minuspol des Ausgangs 24 verbunden. Beide Eingänge 10a, 10b sind somit bezüglich des Ausgangs 24 parallel betreibbar.
Die Eingänge 10a, 10b sind mittels eines Serien-Schaltelements 14 in Serie schaltbar. In Serie zu diesem Serien-Schaltelement 14 ist ein Entkopplungselement 19 zum Schutz des Serien-Schaltelements 14 vor negativen Spannungen vorgesehen. Alternativ kann für das Serien-Schaltelement 14 ein rückwärtssperrendes Schaltelement verwendet werden, in welchem Fall dann auf das Entkopplungselement 19 verzichtet werden kann.
Sowohl die Gleichrichtelemente 16a, 16b als auch das Entkopplungselement 19 sind zum Beispiel Halbleiter-Dioden. Es können aber auch aktive Gleichrichtelemente wie beispielsweise Halbleiterschalter verwendet werden, um geringere Flussverluste zu erzielen. Mit aktiven Gleichrichtelementen ist es außerdem möglich, den Energiefluss umzukehren, d. h. einen bidirektionalen Betrieb zu ermöglichen.
Parallel zu den Eingängen 10a, 10b und dem Ausgang 24 befindet sich jeweils ein Pufferkondensator 20a, 20b, 22, um die Rippleströme zu Puffern.
Weiterhin sind beide Eingänge 10a, 10b jeweils über die mit ihnen verbundenen Drosseln 12a, 12b mit Hilfe von Boost-Schaltelementen 18a, 18b kurzschließbar. Das Serien-Schaltelement 14 und die Boost-Schaltelemente 18a, 18b sind Leistungsschalter, die mit fester oder variabler Frequenz getaktet werden können, z. B. Halbleiterschalter wie IGBTs, MOSFETs, JFETs oder Halbleiterkombinationen wie Kaskodeschaltungen. Sie können über externe oder interne antiparallele Freilaufdioden verfügen.
Der Hybrid-Hochsetzsteller kann Energie von den Eingängen 10a, 10b zum Ausgang 24 übertragen. Als speisende Quellen sind verschiedenste Gleichstromquellen denkbar, wie zum Beispiel Solargeneratoren, Brennstoffzellen, thermoelektrische Generatoren, Akkus, Batterien, Superkondensatoren, elektromagnetische Generatoren, AC/DC-Wandler, DC/DC-Wandler und dergleichen.
Am Ausgang können Verbraucher angeschlossen werden. Als Verbraucher sind auch Baugruppen möglich, welche die Energie weiterreichen, z. B. Wechselrichter oder Batterieladegeräte.
Sind die Gleichrichtelemente 16a, 16b und das Entkopplungselement 19 als Synchron-Gleichrichtelemente ausgeführt, so ist auch ein umgekehrter Energiefluss möglich. Ein Einsatzbeispiel wäre z. B. das Laden und Entladen von Akkus.
Weiterhin ist eine Steuereinheit bzw. Steuerelektronik (nicht dargestellt) vorhanden, welche den Strom und/oder die Spannung an den Eingängen 10a, 10b und/oder am Ausgang 24 steuert oder regelt, indem sie das Serien-Schaltelement 14 und die Boost-Schaltelemente 18a, 18b, im Fall von Synchrongleichrichtern auch die Gleichrichtelemente 16a, 16b und das Entkopplungselement 19 getaktet ansteuert. Die Steuereinheit kann auch dazu eingesetzt werden, um ein MPP-Tracking der angeschlossenen Generatoren ausführen oder die Spannung an wenigstens einem Hilfspotenzial zu regeln.
Steuereinheiten für getaktete Stromversorgungen können z. B. analog, digital oder als gemischt digital-analoge Hybridregler aufgebaut sein. Die Taktung der Leistungshalbleiter kann z. B. mittels Pulsweitenmodulation mit fester oder variabler Frequenz erfolgen. Der Strom in den Drosseln kann auf einen kontinuierlichen oder lückenden Verlauf geregelt werden. Derartige Steuereinheiten sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und werden deshalb nicht weiter beschrieben.
Der Hybrid-Hochsetzsteller von 5 stellt eine Kombination dar aus einem herkömmlichen Hochsetzsteller nach 1, einem Komplement des herkömmlichen Hochsetzstellers nach 1 und einem herkömmlichen dualen Hochsetzsteller nach 2, wobei die Drosseln 12a, 12b und die Gleichrichtelemente 16a, 16b gemeinsam genutzt werden und zusätzlich ein Entkopplungselement 19 in Serie zum Serien-Schaltelement 14 vorhanden ist.
Die Kombination der drei verschiedenen Teil-Hochsetzsteller in einem einzigen Hybrid-Hochsetzsteller ermöglicht es zunächst, jede der für den betreffenden Hochsetzsteller typischen Betriebsarten auszuführen:
In einer ersten Betriebsart ist das Serien-Schaltelement 14 dauerhaft ausgeschaltet, während wenigstens eines der Boost-Schaltelemente 18a, 18b getaktet wird. Der in der Schaltung enthaltene herkömmliche Hochsetzsteller nach 1 und/oder sein Komplement können dann unabhängig voneinander im bekannten Boost-Mode arbeiten. Der Wirkungsgrad ist in diesem Boost-Mode jedoch relativ schlecht. Diese Betriebsweise kann aber bei extrem unsymmetrischer Speisung nötig sein, z. B. wenn nur einer der Eingänge 10a, 10b versorgt wird.
In einer zweiten Betriebsart sind die Boost-Schaltelemente 18a, 18b dauerhaft ausgeschaltet. Der Hybrid-Hochsetzsteller arbeitet dann wie der bekannte duale Hochsetzsteller von 2 im Dual-Mode. Dieser zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus und ist daher grundsätzlich zu bevorzugen.
Der Dual-Mode kann insbesondere angewendet werden bei Speisung aus überwiegend symmetrischen Quellen mit Spannungen im Bereich zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung. Er ist aber auch bei unsymmetrischem Betrieb möglich.
Zum Beispiel können Quellen mit gleichem Strom und verschiedenen Eingangsspannungen statisch in Serie geschaltet werden. Trotz Unsymmetrie können beide Quellen in ihrem MPP betrieben werden, wenn die am Ausgang 24 anliegende Summenspannung von einer nachfolgenden Baugruppe, z. B. einem Wechselrichter, geregelt wird.
Auch kann eine Quelle mit hoher Spannung den Ausgang direkt (d. h. ohne Hochsetzung) speisen, während die niedrigere Spannung einer zweiten Quelle auf die Ausgangsspannung hochgesetzt wird. Beide Quellen können in ihrem MPP betrieben werden, wenn die am Ausgang 24 anliegende Spannung von einer nachfolgenden Baugruppe geregelt wird und die Spannung der zweiten Quelle vom dualen Hochsetzsteller geregelt wird.
Ferner können Quellen mit unterschiedlichen Spannungen unterhalb der Ausgangsspannung und/oder unterschiedlichen Strömen auf die Ausgangsspannung hochgesetzt werden. Da nur ein einziges Serien-Schaltelement 14 vorhanden ist, ist es aber nicht möglich, den MPP für beide Quellen separat einzustellen. Stattdessen kann der duale Hochsetzsteller so geregelt werden, dass ein gemeinsamer MPP für die gesamte Schaltungsanordnung eingestellt wird. Durch das Einbringen mindestens eines weiteren, separat taktbaren Serien-Schaltelements, wie bei den Schaltungen von 3, 4, 6 und 7, entsteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Regelung, sodass ein separates MPP-Tracking der Quellen möglich ist.
Die Ausgangsspannung kann in dieser Betriebsart jedoch nicht über die Summe der Eingangsspannungen hochgesetzt werden. Zudem können Unsymmetrien der die Eingänge 10a, 10b speisenden Quellen nur begrenzt ausgeglichen werden. Je niedriger die Spannungen an den Eingängen 10a, 10b sind, desto schwieriger ist es, Unsymmetrien auszugleichen. Liefert eine der Quellen 10a, 10b überhaupt keinen Strom, so kann die Spannung der anderen Quelle nicht mehr hochgesetzt werden. Dieser Extremfall tritt zum Beispiel ein, wenn von zwei angeschlossenen Solargeneratoren einer schneebedeckt ist.
Erfindungsgemäß sind das Serien-Schaltelement 14 und die Boost-Schaltelemente 18a, 18b aber auch in Kombination miteinander betreibbar, wodurch die für herkömmliche und duale Hochsetzsteller geltenden Einschränkungen überwunden werden können.
Eine bevorzugte Taktungsart wird zunächst für den Betrieb mit symmetrischer Speisung 10a, 10b beschrieben.
Beträgt die Eingangsspannung zwischen 50% und 100% der Ausgangsspannung, so arbeitet der Hybrid-Hochsetzsteller im bekannten Dual-Mode. Das Tastverhältnis des Serien-Schaltelements 14 steigt dabei von 0% bei statischer Parallelschaltung der Eingänge 10a, 10b auf bis zu 100% bei statischer Serienschaltung der Eingänge.
Liegt die Eingangsspannung unterhalb 50% der Ausgangsspannung, so bleibt erfindungsgemäß das Serien-Schaltelement 14 dauerhaft geschlossen, während zusätzlich die Boost-Schaltelemente 18a, 18b vorzugsweise synchron getaktet werden. Das Tastverhältnis der Boost-Schaltelemente 18a, 18b ist dabei umso höher, je niedriger die Eingangsspannung ist.
Theoretisch ist eine beliebig starke Hochsetzung der Eingangsspannungen möglich. Im Gegensatz zum Boost-Mode eines herkömmlichen Hochsetzstellers nach 1 ist der Spannungshub an den Drosseln 12a, 12b halbiert, da der Freilauf nicht mehr gegen das hohe Potenzial des Ausgangs 24 erfolgt. Dadurch sind die Schaltverluste stark verringert, was den Wirkungsgrad erhöht. Der Dual-Mode wird somit ausgedehnt auf den Bereich von Eingangsspannungen unter 50% der Ausgangsspannung.
Ist die Unsymmetrie der speisenden Quellen zu groß, so kann sich die an einem der Eingänge, beispielsweise am Eingang 10b, angeschlossene Quelle in ihrem MPP befinden, während die am anderen Eingang 10a angeschlossene Quelle noch nicht ihre maximal verfügbare Leistung abgibt. Am Eingang 10a existiert dann ein Leistungsüberschuss.
In diesem Fall können beide Betriebsarten, Boost-Mode und Dual-Mode, kombiniert ausgeführt werden. Es wird also z. B. bei Leistungsüberschuss am Eingang 10a das Boost-Schaltelement 18a häufiger und/oder länger eingeschaltet, um den Strom in der Drossel 12a zu erhöhen und dadurch den Leistungsüberschuss abzubauen. Das Serien-Schaltelement 14 kann häufiger und/oder länger geöffnet werden, wodurch die Serienschaltung mit dem Eingang 10b bzw. der Dual-Mode zeitweise unterbrochen wird zugunsten des Boost-Mode. D. h. der Leistungsüberschuss wird am Eingang 10b vorbei direkt zum Ausgang 24 geleitet, damit die am Eingang 10b angeschlossene Quelle nicht durch einen zu hohen Strom überlastet bzw. aus ihrem MPP gebracht wird.
Boost-Mode und Dual-Mode können in schneller Folge abwechselnd in separaten Taktzyklen ausgeführt werden. Die eingangsseitigen Kondensatoren 20a, 20b können dabei als Zwischenspeicher für die fluktuierende Energie dienen. Je größer der Leistungsüberschuss an einem der Eingänge ist, desto häufiger können Taktzyklen im Boost-Mode ausgeführt werden.
Es ist auch möglich, Boost-Mode und Dual-Mode innerhalb derselben Taktzyklen auszuführen. Dazu wird z. B. bei Leistungsüberschuss am Eingang 10a das Boost-Schaltelement 18a innerhalb eines Taktzyklus länger eingeschaltet. Das Serien-Schaltelement 14 kann im gleichen Taktzyklus länger geöffnet werden, um vermehrt einen direkten Freilauf der Drossel 12a zum Ausgang 24 zu ermöglichen, unter Umgehung der Serienschaltung mit dem Eingang 10b.
Wegen des besseren Wirkungsgrades wird vorzugsweise ein möglichst hoher Anteil der Leistung im Dual-Mode übersetzt. Dazu wird das Serien-Schaltelement 14 möglichst häufig (in vielen Taktzyklen) und/oder möglichst lange (innerhalb eines Taktzyklus) eingeschaltet.
Nur der verbleibende Leistungsüberschuss wird im Boost-Mode übersetzt: Besteht zum Beispiel am Eingang 10a ein Leistungsüberschuss, so wird das Boost-Schaltelement 18a nur so oft bzw. so lange eingeschaltet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss abzubauen und die angeschlossene Quelle in den MPP zu bringen. Das mit dem Boost-Schaltelement 18a verbundene Serien-Schaltelement 14 wird nur so oft bzw. so lange geöffnet, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss direkt in den Ausgang 24 zu leiten und den Eingang 10b nicht zu überlasten.
Das Boost-Schaltelement 18b, das mit dem Eingang 10b verbunden ist, an dem kein Leistungsüberschuss besteht, wird hingegen nur so selten und/oder kurz eingeschaltet, wie es nötig ist, um die Energie vom Eingang 10b abzuführen. Häufig kann es ganz ausgeschaltet bleiben.
Bei eingeschaltetem Serien-Schaltelement 14 fließt ein Teil des Stroms aus der Drossel 12a in die Drossel 12b, sodass das Boost-Schaltelement 18a bzw. 18b beim Schalten nur noch mit dem Differenzstrom belastet wird. Daher sinken die Schaltverluste.
Bei dieser kombinierten Betriebsweise wird nur der infolge einer Unsymmetrie entstehende überschüssige Leistungsanteil im Boost-Mode, also mit schlechtem Wirkungsgrad übertragen. Da zwischen den Generatoren einer Solaranlage häufig eine relativ hohe Symmetrie vorliegt, ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzstellers in den meisten Fällen höher als wenn ausschließlich ein oder mehrere herkömmliche Hochsetzsteller nach 1 eingesetzt werden.
Wenn sich bei symmetrischer Speisung der Eingänge 10a, 10b die Spannungsübersetzung dem Wert 100% oder dem Wert 200% annähert, sinkt – bei konstanter Taktfrequenz der Schaltelemente – der Stromripple in den Drosseln 12a, 12b immer mehr ab. Die Taktfrequenz kann daher immer stärker abgesenkt werden, um die Schaltverluste zu minimieren. Im Extremfall, d. h. bei einer Spannungsübersetzung von exakt 100% bzw. 200% können die Eingänge 10a, 10b statisch parallel bzw. in Serie geschaltet werden. Die Taktung kann dann ausgesetzt werden, sodass keinerlei Schaltverluste mehr auftreten.
Wird der Drosselstrom über einen Zweipunkt-Regler mit konstanter Hysterese, also mit konstantem Ripplestrom geregelt, so ergibt sich eine derartige Frequenzabsenkung automatisch. Durch geeignete Ausgestaltung des Reglers, z. B. durch eine Variation der Hysterese oder Limitierung der Schaltzeiten für die Taktung, kann ein zu starkes Absinken der Taktfrequenz, z. B. in den Hörbereich, vermieden werden.
Auch bei unsymmetrischer Speisung der Eingänge 10a, 10b kann die Taktfrequenz in ähnlicher Weise reduziert werden. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, kann es dann sinnvoll sein, die Drosseln 12a, 12b mit unterschiedlicher Frequenz zu betreiben. Hier ergeben sich jedoch Einschränkungen, da nur ein einziges Serien-Schaltelement 14 zur Taktung beider Drosseln vorhanden ist. Diese Einschränkung kann durch Zufügung weiterer Serien-Schaltelemente beseitigt werden, worauf weiter unten eingegangen wird.
Da bei abnehmender Eingangsspannung und konstanter Leistung der Gleichanteil des Drosselstroms zunimmt, ist es vorteilhaft, wenn der Ripplestrom parallel dazu abnimmt. Die Drossel kann dann auf einen kleineren Maximalstrom ausgelegt werden. Daher kann es vorteilhaft sein, die Taktfrequenz bei kleinen Eingangsspannungen nur moderat abzusenken.
Beim Hochsetzsteller von 5 ist jeweils ein Pol der Eingänge 10a, 10b direkt mit dem Ausgang 24 verbunden. Auf diese Weise werden Potenzialsprünge zwischen den Eingängen und dem Ausgang verhindert, was die Funkstörungen minimiert. Der Hybrid-Hochsetzsteller der Erfindung ist aber nicht auf diese Anordnung eingeschränkt. Beispielsweise kann die Drossel 12a in die negative Zuleitung des Eingangs 10a eingefügt sein statt in die positive. Auch diese Anordnung ist funktionsfähig, jedoch weist dann der Eingang 10a im getakteten Betrieb starke Potenzialsprünge gegenüber dem Ausgang 24 auf.
Zur Verringerung der Schaltverluste können zusätzlich Mittel vorgesehen sein, welche das Schalten des Serien-Schaltelements 14 und/oder der Boost-Schaltelemente 18a, 18b im Strom- und/oder Spannungsnulldurchgang ermöglichen.
Zusätzlich können Mittel, z. B. Relais, vorhanden sein, um in bestimmen Betriebszuständen Bauteile statisch zu überbrücken, um die Flussverluste in diesen Bauelementen zu verhindern. Zum Beispiel können bei einer Spannungsübersetzung von 100% die Gleichrichtelemente 16a, 16b und/oder die Drosseln 12a, 12b überbrückt werden. Bei statischer Serienschaltung der Eingänge können das Serien-Schaltelement 14, das Entkopplungselement 19 und/oder die Drosseln 12a, 12b überbrückt werden. Wenn die Boost-Schaltelemente nicht getaktet werden, kann das Entkopplungselement 19 überbrückt werden. Wenn das Serien-Schaltelement 14 dauerhaft geschlossen ist, kann es ebenfalls statisch überbrückt werden.
Es können zudem Bypass-Elemente vorgesehen sein, welche den Pluspol des Eingangs 10a direkt mit dem Pluspol des Ausgangs 24 und den Minuspol des Eingangs 10b direkt mit dem Minuspol des Ausgangs 24 verbinden. Sie überbrücken bei hoher Eingangsspannung die Serienschaltung aus Drossel 12a und Gleichrichtelement 16a sowie die Serienschaltung aus Drossel 12b und Gleichrichtelement 16b. Als Bypass-Elemente eignen sich zum Beispiel Halbleiterdioden mit sehr geringer Flussspannung. Da die Bypass-Elemente nicht getaktet werden, müssen sie keine kurzen Schaltzeiten aufweisen.
Die Drosseln 12a, 12b des Hybrid-Hochsetzstellers sind typischerweise als separate Drosseln ausgeführt, damit ein asynchroner Betrieb der Boost-Schaltelemente 18a, 18b und damit der Betrieb mit unsymmetrischer Speisung uneingeschränkt möglich ist. Wenn nur geringe Unsymmetrien auftreten, können die Drosseln 12a, 12b gekoppelt werden. Die Boost-Schaltelemente 18a, 18b werden dann vorzugsweise synchron getaktet.
Es ist auch denkbar, Drosseln mit Anzapfung zu verwenden. So können zum Beispiel die Boost-Schaltelemente 18a bzw. 18b und das Entkopplungselement 19 bzw. das Serien-Schaltelement 14 jeweils mit einer Anzapfung der Drossel 12a bzw. 12b verbunden sein, während die Gleichrichtelemente 16a bzw. 16b wie in 5 gezeigt an den ausgangsseitigen Enden der Drosseln 12a bzw. 12b angeschlossen sind. Dadurch verschieben sich u. a. die Strom- und/oder Spannungsbelastungen der Bauteile. Es bestehen weitere Möglichkeiten der Verschaltung für Drosseln mit Anzapfung, analog zu den bekannten Schaltungen für Hoch- oder Tiefsetzsteller mit angezapften Drosseln, welche dem Fachmann bekannt sind.
Wenn eine Unsymmetrie der speisenden Quellen von vornherein feststeht, kann in einigen Fällen auf das Boost-Schaltelement 18a oder 18b verzichtet werden, welches mit demjenigen Eingang 10a bzw. 10b verbunden ist, der aus der schwächeren Quelle gespeist wird.
Bei hoher Quellenspannung kann es z. B. bei Defekt des Serien-Schaltelements 14 zu einer ungewollten dauerhaften Serienschaltung der Eingänge 10a, 10b und damit zu einer unzulässig hohen Spannung am Ausgang 24 kommen. Um dies zu verhindern, können Schutzvorrichtungen eingebaut werden, wie sie z. B. in der DE 10 2011 011 329 A1 beschrieben sind.
Zwei oder mehrere der erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzsteller können parallel geschaltet werden. In diesem Fall können die einzelnen Hybrid-Hochsetzsteller phasenversetzt betrieben werden, um die Rippleströme zu verringern (Multiphase-Betrieb). Außerdem können bei Teillast einzelne Hybrid-Hochsetzsteller ganz abgeschaltet werden, um den Teillastwirkungsgrad zu erhöhen. Es ist auch möglich, zwei oder mehrere Hybrid-Hochsetzsteller in Serie zu schalten oder zu kaskadieren.
Es werden nun verschiedene weitere Ausführungsbeispiele des Hybrid-Hochsetzstellers der Erfindung Bezug nehmend auf 6 bis 9 beschrieben. Dabei werden im Wesentlichen nur noch deren besondere Eigenschaften hervorgehoben. Trotzdem sind natürlich auch bei diesen weiteren Ausführungsbeispielen – wie für den Fachmann leicht erkennbar – die oben in Zusammenhang mit 5 erläuterten Detaillösungen umsetzbar.
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzstellers. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Kombination dar aus einem herkömmlichen Hochsetzsteller nach 1, einem Komplement des Hochsetzstellers nach 1 und einem dualen Hochsetzsteller nach 3, wobei die Drosseln 12a, 12b und die Gleichrichtelemente 16a, 16b gemeinsam genutzt werden.
Im Unterschied zu 5 ist am Ausgang 24 ein Hilfspotenzial MP vorhanden, das in diesem Fall mittels eines geteilten Ausgangskondensators 22a, 22b erzeugt wird. Das gemeinsame Serien-Schaltelement 14 aus 5 ist außerdem durch zwei in Reihe liegende Serien-Schaltelemente 14a, 14b ersetzt, wobei deren Verbindungspunkt mit dem Hilfspotenzial MP verbunden ist. In Reihe zu jedem der Serien-Schaltelemente 14a, 14b liegt außerdem ein Entkopplungselement 19a, 19b.
Bei symmetrischer Speisung entspricht die Spannung an diesem Hilfspotenzial MP vorzugsweise der halben Ausgangsspannung. Es ist aber auch eine unsymmetrische Spannungsaufteilung an den Kondensatoren 22a, 22b möglich, z. B. wenn die Eingänge 10a, 10b unterschiedliche Spannungen, aber gleiche Ströme aufweisen und statisch in Serie geschaltet sind. Es kann jedoch sinnvoll sein, die Spannungs-Unsymmetrie zu limitieren. Die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren 22a, 22b, der Serien-Schaltelemente 14a, 14b und der Entkopplungselemente 19a, 19b kann dann kleiner gewählt werden.
Durch die Klemmung auf das Hilfspotenzial MP sind der Spannungshub an den Drosseln 12a, 12b und die Spannungsbelastung der Bauelemente 14a, 14b und 19a, 19b reduziert.
Das Hilfspotenzial MP entkoppelt die mit der Drossel 12a verbundenen Bauteile 16a, 19a, 14a, 18a von den mit der Drossel 12b verbundenen Bauteilen 16b, 19b, 14b, 18b. Die Schaltelemente 14a und 18a können daher asynchron zu den Schaltelementen 14b und 18b betrieben werden. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, die Schaltelemente mit unterschiedlichen, jeweils optimierten Taktfrequenzen und Tastverhältnissen zu betreiben und ggf. ein separates MPP-Tracking der beiden Quellen durchzuführen. Die Spannungen und Ströme an den Eingängen können unterschiedlich sein. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass der Mittelwert des in das Hilfspotenzial MP fließenden Stroms Null ist, damit dessen Potenzial nicht wegläuft.
Falls zum Beispiel aufgrund von zu unsymmetrischer Speisung das Hilfspotenzial nicht mehr stabil gehalten werden kann, gibt es die Möglichkeit, das Hilfspotenzial MP mit einer nachfolgenden Baugruppe zu verbinden, beispielsweise mit dem Mittelpunkt des Zwischenkreises eines Neutral-Point-Clamped-Wechselrichters. Auf diese Weise können Unsymmetrien, die im Wechselrichter und/oder im Hybrid-Hochsetzsteller auftreten, durch die jeweils andere Baugruppe kompensiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Leistungsüberschuss an einem der Eingänge 10a, 10b wie für die Schaltung in 5 beschrieben durch den Betrieb im Boost-Mode abgebaut werden. Im Unterschied zur Schaltung von 5 wird jedoch das Öffnen der Serien-Schaltelemente 14a bzw. 14b so gesteuert, dass überschüssiger Strom nicht ins Hilfspotenzial MP, sondern direkt zum Ausgang 24 geleitet und das Hilfspotenzial MP dadurch konstant gehalten wird.
7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzstellers. Diese Ausführungsform stellt eine Kombination dar aus einem herkömmlichen Hochsetzsteller nach 1, einem Komplement des Hochsetzstellers nach 1 und einem herkömmlichen dualen Hochsetzsteller nach 4, wobei die Drosseln 12a, 12b und die Gleichrichtelemente 16a, 16b gemeinsam genutzt werden.
Im Unterschied zu 6. ist das Serien-Schaltelement 14a mit dem Minuspol des Eingangs 10b verbunden und ist das Serien-Schaltelement 14b mit dem Pluspol des Eingangs 10a verbunden. Somit können bei Serienschaltung der Eingänge 10a, 10b beide Drosseln 12a, 12b parallel geschaltet werden, wodurch die Ströme und die Flussverluste in den Drosseln sinken.
Auch hier können die Schaltelemente 14a und 18a asynchron zu den Schaltelementen 14b und 18b betrieben werden.
Der Hybrid-Hochsetzsteller der Erfindung kann beliebig viele Eingänge aufweisen. 8 zeigt beispielhaft ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei Eingängen.
Die Blöcke 15a und 15b stehen für die hier nicht im Detail gezeigten verschiedenen möglichen Schaltungen für die Serien-Schaltelemente und deren Umfeld bzw. Zuleitungen, wie dies aus 2 bis 4 hervorgeht. Sie ermöglichen wie bisher die serielle Verbindung der Eingänge 10a, 10b und 10c.
Der mittlere Eingang 10c hat vorzugsweise sowohl in der positiven Zuleitung als auch in der negativen Zuleitung je eine Drossel und ein Gleichrichtelement (12c und 16c bzw. 12d und 16d). Beide Drosseln 12c und 12d sind über das Boost-Schaltelement 18c kurzschließbar.
Der Freilauf erfolgt über die Gleichrichtelemente 16a–16d gegen den Ausgang 24. Somit sind die Eingänge 10a–10c jeweils wie bisher auch sowohl in Serie schaltbar als auch parallel mit dem Ausgang 24 betreibbar.
Da drei Eingänge 10a–10c in Serie schaltbar sind, ergibt sich bei symmetrischer Speisung eine Spannungshochsetzung um den Faktor drei statt wie bisher um den Faktor zwei. Abgesehen davon kann der Betrieb in vergleichbarer Weise wie für die Schaltungen von 5 bzw. 6 oder 7 erfolgen.
9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzstellers. Diese enthält einen dualen Hochsetzsteller. Block 15 steht für die hier nicht im Detail gezeigten Serien-Schaltelemente und deren Umfeld bzw. Zuleitungen, wie dies z. B. aus 2 bis 4 hervorgeht.
Im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsformen sind die Boost-Schaltelemente 18a, 18b über separate Drosseln 12e, 12f mit den Eingängen 10a, 10b verbunden. Zudem erfolgt der Freilauf dieser Drosseln über separate Gleichrichtelemente 16e, 16f. Bei dieser Anordnung wird auf die gemeinsame Nutzung der Drosseln und Gleichrichtelemente verzichtet.
Vorzugsweise wird ein möglichst großer Teil der Eingangsleistung mit Hilfe des effizienteren dualen Teil-Hochsetzstellers (Bauteile 12a, 12b, 16a, 16b und Block 15) verarbeitet. Der aufgrund von Unsymmetrien verbleibende Leistungsüberschuss an einem der Eingänge 10a bzw. 10b wird durch Taktung des jeweils zugeordneten Schaltungszweiges 12e, 16e, 18a bzw. 12f, 16f, 18b auf den Ausgang 24 übersetzt.
Diese Ausführungsform des Hybrid-Hochsetzstellers hat den Nachteil, dass in der Regel ein hoher Bauteil-Aufwand nötig ist. Wenn jedoch eine relativ hohe Symmetrie der Eingänge gegeben ist und die Eingangsspannungen über 50% der Ausgangsspannung liegen, müssen die komplementären Teilhochsetzsteller (Bauteile 12e, 16e, 18a und 12f, 16f, 18b) nur kleine Leistungen übertragen und können entsprechen preisgünstig gefertigt werden.
Der duale Teil-Hochsetzsteller 12a, 12b, 15, 16a, 16b kann auf die Übertragung rein symmetrischer Leistungen optimiert werden, wodurch die Drosseln 12a, 12b kleiner gebaut werden können. Außerdem können Entkopplungselemente für die Serien-Schaltelemente entfallen. Der Wirkungsgrad steigt dadurch an.
Bei vorgegebener Unsymmetrie kann in einigen Fällen auf einen der beiden Teil-Hochsetzsteller 12e, 16e, 18a bzw. 12f, 16f, 18b von vornherein verzichtet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der erfindungsgemäße Hybrid-Hochsetzsteller mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller zu einem Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller mit extrem weitem Eingangsspannungsbereich kombiniert werden.
Als duale Hoch-Tiefsetzsteller eignen sich zum Beispiel die Schaltungstopologien, welche in der DE 10 2011 018 357 A1 beschrieben sind, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese Kombinationen beschränkt sein soll. Auf den gesamten Offenbarungsgehalt dieser vorgenannten Druckschrift wird hierdurch vollinhaltlich Bezug genommen.
Zwei Beispiele eines solchen herkömmlichen dualen Hoch-Tiefsetzstellers sind in 11 und 12 dargestellt. Beide Hoch-Tiefsetzsteller können Spannungen beliebig stark tiefsetzen, aber nur bis zum Faktor zwei hochsetzen. Die Tiefsetzstellerfunktion wird über die Schaltelemente 44a, 44b und die Gleichrichtelemente 46 bzw. 46a, 46b erreicht. Die Gleichrichtelemente 46, 46a, 46b können als Synchrongleichrichter ausgeführt sein, um Verluste zu senken oder einen bidirektionalen Betrieb zu ermöglichen. Sie bewirken eine Serienschaltung der Drosseln 12a, 12b, wodurch die Spannungshübe an diesen Drosseln und an den mit ihnen verbundenen Schaltelementen 44a, 44b gesenkt werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad.
Durch Kombination solcher dualen Hoch-Tiefsetzsteller mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzsteller entstehen Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller wie in 13 und 14 veranschaulicht, die nun zusätzlich in der Lage sind, die Spannung an den Eingängen 10a, 10b um mehr als den Faktor zwei – theoretisch beliebig stark – hochzusetzen.
Die Kombination entsteht dadurch, dass an den ausgangsseitigen Polen der Drosseln 12a, 12b zusätzliche Boost-Schaltelemente 18a, 18b angeschlossen werden, durch welche die Eingänge 10a, 10b über die Drosseln 12a, 12b und die Schaltelemente 44a, 44b kurzschließbar sind. Die Boost-Schaltelemente 18a bzw. 18b sind dazu mit den Eingängen 10a bzw. 10b verbunden. Zusätzlich können Entkopplungselemente 19, 19a, 19b in Serie zu den Serien-Schaltelementen 14, 14a, 14b eingefügt werden, falls diese nicht rückwärtssperrend sind.
Darüber hinaus werden auf der Eingangsseite der Drosseln den Gleichrichtelementen 46, 46a, 46b zusätzliche Entkopplungselemente 49, 49a, 49b in Serie geschaltet. Diese können z. B. Halbleiterschalter wie IGBTs, MOSFETs usw. sein. Sie werden geöffnet, wenn die Summe der Eingangsspannungen geringer ist als die Ausgangsspannung, um bei geschlossenen Schaltelementen 44a, 44b einen Kurzschluss über die Gleichrichtelemente 46 bzw. 46a, 46b zu verhindern. Sind die Entkopplungselemente 49, 49a, 49b rückwärtssperrend, so kann auf die Gleichrichtelemente 46, 46a, 46b verzichtet werden.
Die Funktion des so aufgebauten Hybrid-Hoch-Tiefsetzstellers ist bei symmetrischer Speisung wie folgt.
Beträgt die Spannung an den Eingängen 10a, 10b mindestens 50% der Spannung am Ausgang 24, so arbeitet der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller bevorzugt wie in DE 10 2011 018 357 A1 beschrieben. Die Boost-Schaltelemente 18a, 18b sind geöffnet, die Entkopplungselemente 49, 49a, 49b sind geschlossen.
Beträgt die Spannung an den Eingängen 10a, 10b weniger als 50% der Spannung am Ausgang 24, so werden die Schaltelemente 44a, 44b sowie die Serien-Schaltelemente 14 bzw. 14a, 14b dauerhaft geschlossen, während die Entkopplungselemente 49, 49a, 49b geöffnet werden. Die Boost-Schaltelemente 18a, 18b werden getaktet. Je höher das Tastverhältnis ist, desto stärker ist die Spannungshochsetzung.
Es können zusätzlich noch Gleichrichtelemente 48a, 48b vorhanden sein, wie beispielhaft in 13 gezeigt. Das Gleichrichtelement 48a ist mit dem eingangsseitigen Pol der Drossel 12a und dem Minuspol des Eingangs 10a verbunden. Analog dazu ist das Gleichrichtelement 48b mit dem eingangsseitigen Pol der Drossel 12b und dem Pluspol des Eingangs 10b verbunden. Die Gleichrichtelemente können z. B. Halbleiterdioden oder aktive Gleichrichter sein.
Durch Hinzufügung dieser Gleichrichtelemente 48a, 48b ist der Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller uneingeschränkt in der Lage, mit unsymmetrischen Quellen an den Eingängen 10a, 10b zu arbeiten.
Als Extremfall einer Unsymmetrie wird im Folgenden ein Fall beschrieben, wenn nur am Eingang 10a eine speisende Quelle anliegt.
Beträgt die Spannung am Eingang 10a mehr als 100% der Ausgangsspannung, so wird das Schaltelement 44a getaktet, welches in Verbindung mit dem Gleichrichtelement 48a nach Art eines herkömmlichen Tiefsetzstellers arbeitet. Das Entkopplungselement 49, das Serien-Schaltelement 14 und das Boost-Schaltelement 18a bleiben vorzugsweise geöffnet.
Beträgt die Spannung am Eingang 10a weniger als 100% der Ausgangsspannung, so wird das Schaltelement 44a dauerhaft geschlossen. Das Boost-Schaltelement 18a wird getaktet und arbeitet in Verbindung mit dem Gleichrichtelement 16a nach Art eines herkömmlichen Hochsetzstellers nach 1. Das Entkopplungselement 49 und das Serien-Schaltelement 14 bleiben vorzugsweise geöffnet.
Somit arbeitet der Hoch-Tiefsetzsteller nach Art eines klassischen Hoch-Tiefsetzstellers ohne Verwendung des Gleichrichtelements 46 und des Serien-Schaltelements 14, welche eine Serienschaltung der Drosseln 12a, 12b bzw. der Eingänge 10a, 10b ermöglichen. Der Wirkungsgrad ist relativ schlecht.
Sobald jedoch zumindest eine teilweise Symmetrie an den Eingängen 10a, 10b gegeben ist, kann der Wirkungsgrad des Hybrid-Hoch-Tiefsetzstellers erhöht werden. Dazu erfolgt der Betrieb vorzugsweise in vergleichbarer Weise, wie es für den Betrieb des Hybrid-Hochsetzstellers der Erfindung bereits beschrieben wurde. Das Entkopplungselement 49 und das Schaltelement 14 werden möglichst oft bzw. möglichst häufig eingeschaltet, da dann die Spannungshübe an den Drosseln 12a, 12b klein sind, wodurch der Wirkungsgrad steigt.
Die insbesondere zur Verarbeitung von einseitigen Leistungsüberschüssen vorgesehenen Boost-Schaltelemente 18a, 18b und die Gleichrichtelemente 48a, 48b werden nur so selten bzw. so kurz eingeschaltet bzw. bestromt, wie es nötig ist, um einseitige Leistungsüberschüsse zu übertragen.
Der Hybrid-Hochsetzsteller von 14 verfügt im Unterschied zu dem von 13 über ein Hilfspotenzial MP, welches mit den Entkopplungselementen 49a, 49b und den Serien-Schaltelementen 14a, 14b verbunden ist. Dieses Hilfspotenzial MP ermöglicht den asynchronen Betrieb der beiden Drosseln 12a, 12b durch asynchrone Taktung der jeweils mit den Drosseln verbundenen Schaltelemente.
Wie für den Fachmann leicht ersichtlich, sind weitere Kombinationen für derartige Hybrid-Hoch-Tiefsetzsteller möglich, u. a. auch auf Basis der Schaltung von 7. Auch hier können bei überwiegend symmetrischem Betrieb die Drosseln 12a, 12b gekoppelt sein. Weiterhin ist es denkbar, Drosseln mit Anzapfungen zu verwenden. So können z. B. die Gleichrichtelemente 46a bzw. 46b mit je einer Anzapfung der Drosseln 12a bzw. 12b verbunden sein, während die Schaltelemente 44a bzw. 44b wie in 14 gezeigt mit den eingangsseitigen Anschlüssen der Drosseln 12a, 12b verbunden sind. Auch hier bestehen weitere Möglichkeiten der Verschaltung für Drosseln mit Anzapfung, analog zu den bekannten Schaltungen für Hoch- oder Tiefsetzsteller mit angezapften Drosseln.
Der Hybrid-Hochsetzsteller der Erfindung und die oben beschriebenen Schaltungsanordnungen mit diesem Hybrid-Hochsetzsteller können beispielsweise zur direkten Speisung von Gleichstromverbrauchern oder Gleichstromnetzen oder zum Laden und Entladen von Energiespeichern genutzt werden. Da keine Umformung in Wechselstrom und zurück in Gleichstrom stattfindet, ist der Wirkungsgrad derartiger Systeme besonders hoch. Sie werden deshalb zunehmend eingesetzt, insbesondere im Zusammenhang mit regenerativen Energiequellen.
Der Hybrid-Hochsetzsteller der Erfindung sowie dessen Kombinationen mit dualen Hoch-Tiefsetzstellern lassen sich aber auch nutzen zur Speisung von Gleichspannungs-Zwischenkreisen in anderen Geräten wie z. B. Wechselrichtern. Ein Wechselrichter braucht zur Erzeugung einer Wechselspannung in der Regel eine Zwischenkreisspannung bestimmter Höhe. Ein optimaler Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Zwischenkreisspannung genau auf die zu erzeugende Wechselspannung angepasst ist.
Wechselrichter werden häufig zur solaren Stromversorgung eingesetzt. Solargeneratoren liefern allerdings abhängig von Lichteinfall, Temperatur und Anzahl der verschalteten Module eine stark schwankende Gleichspannung. Je breiter der Bereich der Eingangs-Gleichspannung ist, die ein Wechselrichter verarbeiten kann, desto mehr Möglichkeiten hat der Installateur, passende Solarmodulkombinationen zu finden.
Der erfindungsgemäße Hybrid-Hochsetzsteller und die beschriebenen Schaltungsanordnungen mit diesem Hybrid-Hochsetzsteller können die variierende Gleichspannung von Solargeneratoren auf eine näherungsweise konstante Zwischenkreisspannung umsetzen. Es ist auch möglich, die Zwischenkreisspannung mit einem überlagerten Wechselanteil zu modulieren, was für die optimale Anpassung des Wechselrichters von Vorteil sein kann.
Gegenüber dem Stand der Technik nach 1 ist der Wirkungsgrad erhöht. Gegenüber dem Stand der Technik nach 2 bis 4 sind höhere Übersetzungsverhältnisse und ein unsymmetrischer Betrieb ohne Einschränkungen möglich. Die Potenziale an den Eingängen können konstant gehalten werden. Dies ist wichtig, weil das Potenzial eines Solargenerators aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit keine hochfrequenten Sprünge aufweisen sollte.
In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzsteller können verschiedene Wechselrichter-Topologien eingesetzt werden. Es können sowohl einphasige als auch mehrphasige Wechselrichter verwendet werden. Es können Wechselrichter zur Speisung von Inselnetzen oder zur Einspeisung in ein Stromnetz verwendet werden. Der Hybrid-Hochsetzsteller kann ein MPP-Tracking der speisenden Solargeneratoren ausführen.
10 zeigt eine mögliche Wechselrichteranordnung mit einem erfindungsgemäßen Hybrid-Hochsetzsteller nach 5.
Mit den Eingängen 10a, 10b des Hybrid-Hochsetzstellers sind Solargeneratoren 30a, 30b verbunden. Deren variable Spannung wird mit Hilfe des Hybrid-Hochsetzstellers auf eine relativ konstante Spannung am Ausgang 24 bzw. am Zwischenkreis des Wechselrichters 32 hochgesetzt.
Bezugszeichenliste

10, 10a, 10b, 10c: Eingänge
12, 12a–12f: Drosseln
14, 14a, 14b: Serien-Schaltelemente
15, 15a, 15b: Schaltungsblöcke
16, 16a–16f: Gleichrichtelemente
18, 18a–18c: Boost-Schaltelemente
19, 19a, 19b: Entkopplungselemente
20, 20a–20c: Puffer-Kondensatoren am Eingang
22, 22a, 22b: Puffer-Kondensatoren am Ausgang
24: Ausgang
30a, 30b: Solargeneratoren
32: Wechselrichter
44a, 44b: Schaltelemente
46, 46a, 46b: Gleichrichtelemente
48a, 48b: Gleichrichtelemente
49, 49a, 49b: Entkopplungselemente
MP: Mittelpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008050402 A1 [0007]
DE 102010006124 A1 [0012]
DE 102011011329 A1 [0013, 0125]
DE 102011018357 A1 [0055, 0150, 0156]

Claims

Hochsetzsteller, mit mehreren Eingängen (10a–10c), an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einem gemeinsamen Ausgang (24) zum Bereitstellen einer Gleichspannung, wobei der gemeinsame Ausgang (24) mit jedem der mehreren Eingänge (10a–10c) jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens eine Drossel (12a–12d) angeordnet ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement (16a–16d) angeordnet ist, und wobei wenigstens zwei der Eingänge (10a–10c) mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements (14, 14a, 14b) in Serie schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu wenigstens einem der mehreren Eingänge (10a–10c) wenigstens ein Boost-Schaltelement (18a–18c) zum Kurzschließen dieses Eingangs (10a–10c) über die mit ihm verbundene Drossel (12a–12d) geschaltet ist.
Hochsetzsteller nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens zwei der Eingänge (10a–10c) mittels einer Serienschaltung aus wenigstens zwei Serien-Schaltelementen (14a, 14b) in Serie schaltbar sind, deren gemeinsamer Verbindungspunkt mit einem Hilfspotenzial (MP) verbunden ist.
Hochsetzsteller nach Anspruch 1, bei welchem bei Serienschaltung von zwei Eingängen (10a–10c) wenigstens zwei der mit diesen Eingängen (10a–10c) verbundenen Drosseln (12a–12d) parallel schaltbar sind.
Hochsetzsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in Serie zu dem Serien-Schaltelement (14, 14a, 14b) ein weiteres Gleichrichtelement (19, 19a, 19b) zur Entkopplung geschaltet und/oder das Serien-Schaltelement (14, 14a, 14b) als ein rückwärts sperrendes Schaltelement ausgestaltet ist.
Hochsetzsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mit den Eingängen (10a–10c) verbundenen Gleichrichtelemente (16a–16d) und/oder die in Serie zu den Serien-Schaltelementen (14, 14a, 14b) geschalteten weiteren Gleichrichtelemente (19, 19a, 19b) Synchrongleichrichter sind und ein inverser Energiefluss möglich ist.
Hochsetzsteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Minuspol eines Eingangs (10a) mit einem Minuspol des Ausgangs (24) verbunden ist und ein Pluspol eines anderen Eingangs (10, 10c) mit einem Pluspol des Ausgangs (24) verbunden ist.
Schaltungsanordnung, mit einem Hochsetzsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Kombination mit einem dualen Hoch-Tiefsetzsteller.
Wechselrichterschaltung, mit wenigstens einem Hochsetzsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder wenigstens einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, und wenigstens einem Wechselrichter (32) zum Umsetzen der am Ausgang (24) des Hochsetzstellers bzw. der Schaltungsanordnung bereitgestellten Gleichspannung in eine Wechselspannung.
Wechselrichterschaltung nach Anspruch 8, bei welcher ein Zwischenkreis des Wechselrichters (32) mit wenigstens einem Hilfspotenzial (MP) des Hochsetzstellers verbunden ist und ein Ausgleich von Unsymmetrien durch den Hochsetzsteller und/oder den Wechselrichter möglich ist.
Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers mit wenigstens zwei Eingängen (10a–10c), an welchen jeweils wenigstens eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und einem gemeinsamen Ausgang (24) zum Bereitstellen einer Gleichspannung, insbesondere eines Hochsetzstellers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der gemeinsame Ausgang (24) mit jedem der mehreren Eingänge (10a–10c) jeweils über eine positive Zuleitung und eine negative Zuleitung verbunden ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens eine Drossel (12a–12d) angeordnet ist, wobei in der positiven Zuleitung und/oder der negativen Zuleitung von jedem Eingang wenigstens ein Gleichrichtelement (16a–16d) angeordnet ist, und wobei die wenigstens zwei Eingänge (10a–10c) mittels wenigstens eines Serien-Schaltelements (14, 14a, 14b) in Serie schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eingang (10a–10c) mit Hilfe wenigstens eines Boost-Schaltelements (18a–18c) über die mit diesem Eingang verbundene Drossel (12a–12d) getaktet kurzgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Serien-Schaltelemente (14, 14a, 14b) dauerhaft geschlossen und die Boost-Schaltelemente (18a–18c) synchron oder asynchron getaktet werden, falls die Eingangsspannungen an den Eingängen (10a–10c) einen bestimmten Wert unterschreiten.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem die Serien-Schaltelemente (14, 14a, 14b) möglichst häufig und/oder möglichst lange eingeschaltet werden, um einen möglichst hohen Leistungsanteil mit hohem Wirkungsgrad zu übertragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem das wenigstens eine Boost-Schaltelement (18a–18c), das mit einem Eingang (10a–10c) verbunden ist, an dem ein Leistungsüberschuss besteht, nur so oft bzw. so lange eingeschaltet wird, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss abzubauen, und das mit diesem Boost-Schaltelement (18a–18c) verbundene wenigstens eine Serien-Schaltelement (14, 14a, 14b) nur so oft bzw. so lange geöffnet wird, wie es nötig ist, um den Leistungsüberschuss direkt in den Ausgang (24) zu übertragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem die Taktfrequenz der Serien-Schaltelemente (14, 14a, 14b) und/oder der Boost-Schaltelemente (18a–18c) abgesenkt wird, wenn die Eingangsspannungen im Bereich von etwa 50% oder von etwa 100% der Ausgangsspannung liegen.