DE102014014639A1

DE102014014639A1 - Bidirektionaler Gegentaktflusswandler und Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE102014014639A1
Application number: DE102014014639.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Walter; Werner Wölfel
Original assignee: Asd Automatic Storage Device GmbH
Current assignee: Asd Automatic Storage Device GmbH
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler (1) mit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen eine Primärwicklung (3) und eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U0) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U0) in eine zweite Gleichspannung (UAus). Um zu erreichen, dass der Gegentaktflusswandler (1) einfach aufgebaut ist und einen Ausgangsstrom aufweist, dessen Welligkeit geringer ist als bei vergleichbaren bekannten Gegentaktflusswandlern, schlägt die Erfindung vor, den Gegentaktflusswandler (1) symmetrisch aufzubauen, wobei sowohl die Eingangsstufe (2) als auch die Ausgangstufe (6) als H-Schaltbrücken (12, 15) mit vor- bzw. nachgeschalteten LC-Gliedern (9, 19) ausgebildet ist. Zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) werden jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe einer Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet, so dass der Transformator während eines ersten Zeitintervalles T1 in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles T2 = T1 in der Gegenrichtung durchflutet wird, wobei der Tastgrad d > 1 gewählt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler mit einer Eingangsstufe zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung und einer Ausgangsstufe zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb des bidirektionalen Gegentaktflusswandlers.
Gegentaktflusswandler sind beispielsweise aus dem Wikipedia-Artikel „Gegentaktflusswandler” vom 06.07.2014 bekannt (http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler). Insbesondere werden dort Gegentaktflusswandler mit Vollbrückenansteuerung näher beschrieben. Bei diesen bekannten Gleichspannungswandlern umfasst die jeweilige Eingangsstufe eine H-Schaltbrücke, die sich aus vier MOS-Feldeffekttransistoren zusammensetzt, wobei die Primärwicklung des Transformators im Mittelsteg angeordnet ist. Die Ausgangsstufe besteht im Wesentlichen aus einem Diodenbrückengleichrichter, dem ein Tiefpassfilter aus serieller Induktivität und parallelem Kondensator nachgeschaltet ist.
Nachteilig bei diesem bekannten Gegentaktflusswandler ist unter anderem, dass es sich nicht um einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler handelt. Außerdem müssen die in der Eingangsstufe verwendeten Halbleiterschaltelemente durch zusätzliche Schutzschaltungen gegen Überspannungen gesichert werden, die beim Ein- und Ausschalten der Schaltelemente aufgrund der Streuinduktivitäten des Transformators auftreten können.
Zwar wird in dem Wikipedia-Artikel erwähnt, dass der Tastgrad d (Verhältnis der Einschaltdauern T1 und T2 beider Halbbrücken der H-Schaltbrücke zur Zykluszeit To) etwa 1 werden kann, doch soll ebenfalls sicher vermieden werden, dass alle Halbleiterschaltelemente in der Eingangsstufe gleichzeitig eingeschaltet werden, d. h. der Tastgrad muss stets etwas kleiner als 1 sein.
Sofern der Tastgrad wesentlich kleiner als 1 ist, ergibt sich außerdem am Ausgang des Gegentaktflusswandlers eine Gleichspannung mit relativ großer Welligkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler zu offenbaren, der einfach aufgebaut ist und dessen jeweiliger Ausgangsstrom eine geringe Welligkeit aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers offenbart werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Gegentaktflusswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, den Gegentaktflusswandler symmetrisch aufzubauen, d. h., sowohl die Eingangsstufe als auch die Ausgangsstufe des Gegentaktflusswandlers als H-Schaltbrücke mit vor- bzw. nachgeschalteten LC-Gliedern auszubilden. Die Steuereinrichtung ist dabei derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare in den beiden H-Schaltbrücken mit Hilfe der Steuereinrichtung abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird (Wechseldurchflutung). Dabei ist von besondere Bedeutung, dass der Tastgrad d nicht ≤ 1, sondern > 1 gewählt wird.
Im Gegensatz zu bekannten Gegentaktflusswandlern werden kurzfristig also alle Halbleiterschaltelementpaare gleichzeitig eingeschaltet und damit die Wicklungen des Transformators kurzzeitig kurzgeschlossen, so dass es beim Ein- und Ausschalten der Halbleiterschaltelemente aufgrund der Streuinduktivitäten des Transformators nicht zu Überspannungen an den Schaltelementen kommen kann und zusätzliche Schutzschaltungen entbehrlich sind. Der durch den kurzzeitigen Kurzschluss der Primärwicklung des Transformators entstehende Kurzschlussstrom wird durch die eingangsseitige Speicherdrossel begrenzt, so dass es zu keiner Beschädigung der angeschlossenen Batterie kommen kann.
Aufgrund der Tatsache, dass der Tastgrad lediglich etwas größer als 1 ist, ergibt sich ausgangsseitig eine sehr geringe Welligkeit des Gleichstromes.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Halbleiterschaltelementpaare derart durch die Steuereinrichtung angesteuert werden, dass sich die beiden Zeitintervalle (T1 und T2) während eines Zeitraumes von < 200 ns, vorzugsweise während eines Zeitraumes von ≤ 100 ns, überdecken.
Da der erfindungsgemäße Gegentaktflusswandler symmetrisch aufgebaut ist, sind Eingangs- und Ausgangsstufe vertauschbar, d. h. der Gegentaktflusswandler ist bidirektional verwendbar.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der erfindungsgemäße Gegentaktflusswandler mit einem fest vorgegebenen Tastgrad betrieben wird, so dass das Übersetzungsverhältnis des Wandlers im Wesentlichen nur durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators bestimmt ist. Sollte eine Spannungsregelung erforderlich sein, so erfolgt diese vorzugsweise nicht durch eine Impulsweitenmodulation des erfindungsgemäßen Gegentaktflusswandlers selbst, sondern durch eine Impulsweitenmodulation eines dem erfindungsgemäßen Wandler nachgeschalteten Aufwärts- oder Abwärtswandlers.
Bei den Halbleiterschaltelementen der beiden H-Schaltbrücken handelt es sich vorzugsweise um Feldeffekttransistoren, insbesondere um MOS-Feldeffekttransistoren.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltung eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Gegentaktflusswandlers im ausgeschalteten Zustand;
2a–2d zeitliche Verläufe der Steuersignale an den Halbleiterschaltelementen der beiden Schaltbrücken, der Spannungen U0 am Ausgang des Transformators und der Spannung U1 am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke sowie der Spannung U_Aus am Ausgang des Gegentaktflusswandlers;
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Fotovoltaikanlage mit einem die erfindungsgemäßen bidirektionalen Gegentaktflusswandler verwendenden Batteriespeicher.
In 1 ist mit 1 ein erfindungsgemäßer bidirektionaler Gegentaktflusswandler (DC/DC-Wandler) mit einer Eingangsstufe 2 zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung U_Ein in eine erste Wechselspannung, einem eine Primärwicklung 3 und eine Sekundärwicklung 4 aufweisenden Transformator 5 zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung U0 und einer Ausgangsstufe 6 zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung U0 in eine zweite Gleichspannung U_Aus bezeichnet.
Die Eingangsstufe 2 weist zwei Eingangsanschlüsse 7, 8 auf, die über ein erstes LC-Glied 9, bestehend aus einer seriell angeordneten ersten Speicherdrossel 10 und einem parallel zu den Eingangsanschlüssen 7, 8 angeordneten ersten Kondensator 11, mit einer ersten H-Schaltbrücke 12 verbunden sind.
Die erste H-Schaltbrücke 12 wird durch vier Halbleiterschaltelemente S1–S4 gebildet, die durch eine Steuereinrichtung 13 ansteuerbar sind. Als Halbleiterschaltelemente S1–S4 werden dabei vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren verwendet.
In dem Mittelsteg 14 der ersten H-Schaltbrücke 12 ist die Primärwicklung 3 des Transformators 5 angeordnet.
Die Ausgangsstufe 6 umfasst eine zweite H-Schaltbrücke 15 mit vier durch die Steuereinrichtung ansteuerbare Halbleiterschaltelemente S5–S8 (vorzugsweise ebenfalls MOS-Feldeffekttransistoren), wobei die Sekundärwicklung 4 des Transformators 5 in dem Mittelsteg 16 der zweiten H-Schaltbrücke 15 angeordnet ist.
Ausgangsseitig ist die zweite H-Schaltbrücke 15 über ein aus einer seriell angeordneten zweiten Speicherdrossel 17 und einem parallel angeordneten zweiten Kondensator 18 bestehenden zweiten LC-Glied 19 mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen 20, 21 der Ausgangsstufe 6 verbunden.
Die Steuereinrichtung 13 umfasst einen Mikrokontroller und ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des erfindungsgemäßen Gegentaktflusswandlers 1 jeweils zwei (diagonal gegenüberliegende) Halbleiterschaltelementpaare S1, S4 und S2, S3 der ersten H-Schaltbrücke 12 sowie S5, S8 und S6, S7 der zweiten H-Schaltbrücke 15 mit Hilfe der Steuereinrichtung 13 abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator 5 während eines ersten Zeitintervalles in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke 15 sich eine Gleichspannung ergibt.
Eventuell auftretende Überspannungen, die ausgangsseitig durch die Streuinduktivität des Transformators 5 erzeugt werden, können durch eine in 1 nicht dargestellte, am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke 15 parallel zu dieser angeordneten Schaltung abgefangen werden (z. B. durch eine Serienschaltung einer entsprechenden Diode und eines Kondensators).
2a und 2b zeigen die Zeitintervalle T1 und T2 während welcher die Halbleiterschaltelementpaare S1, S4 und S5, S8 sowie S2, S3 und S6, S7 angeschaltet sind. Dabei sind während einer kurzen Zeitdifferenz Δt von ca. 100 ns alle vier Halbleiterschaltelemente S1–S4 und S5–S8 der ersten und der zweiten H-Schaltbrücke 12 und 15 eingeschaltet, so dass kurzzeitig die Primärwicklung 3 sowie die Sekundärwicklung 4 des Transformators 5 kurzgeschlossen werden und an der ersten Speicherdrossel 10 ausgangsseitig nahezu Null Volt anliegen. Die Stromänderung in der Speicherdrossel 10, die durch den kurzzeitigen Kurzschluss entsteht (bei einem konkreten Beispiel betrug sie ca. 1,5 A), ist im Verhältnis zum Nutzstrom (bei dem Beispiel betrug dieser 33 A) vernachlässigbar.
2c ist der zeitliche Verlauf der zweiten Wechselspannung U0 am Ausgang des Transformators 5 zu entnehmen, der durch die zweite H-Schaltbrücke 15 in eine pulsmodulierte Gleichspannung U1 umgewandelt wird (2d).
Durch das der zweiten Schaltbrücke 15 nachgeschaltete zweite LC-Glied 19 entsteht aus der Gleichspannung U1 eine Ausgangsspannung U_Aus mit einem sehr geringen Wechselspannungsanteil.
Der vorstehend beschriebene bidirektionale DC/DC-Wandler 1 hat sich besonders in Systemen zur Speicherung von regenerativer Energie mittels einem aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batteriespeicher bewährt. Dabei wird vorzugsweise jeder Batteriezelle ein eigener bidirektionaler DC/DC-Wandler zugeordnet, so dass auch unterschiedliche Batteriezellen oder Batteriezellen mit unterschiedlichem Ladezustand verwendbar sind.
In 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Fotovoltaikanlage mit einem derartigen Batteriespeicher dargestellt.
Dabei liefert eine Energiequelle 22 (Solarzelle) Strom, der über einen Wechselrichter 23 einem öffentlichen Stromnetz oder einem Gebäudenetz zugeführt wird. Überschüssige elektrische Energie wird hingegen in einem Energiespeicher 24 zwischengespeichert und kann später bedarfsgerecht abgerufen werden.
Jeder Batteriezelle 25 des Energiespeichers 24 ist ein eigener erfindungsgemäßer bidirektionaler DC/DC-Wandler 1 zugeordnet, wobei alle DC/DC-Wandler 1 energiequellenseitig parallel geschaltet sind.
Beträgt also die von der Energiequelle 22 erzeugte Spannung beispielsweise 60 V, so wird diese Spannung bei dem Ladevorgang des Energiespeichers 24 auf die maximale Ladespannung der jeweiligen Batteriezelle 25 (z. B. 3, 5 V) mittels des ihm zugeordneten DC/DC-Wandlers 1 heruntertransformiert. Bei dem Entladevorgang des Energiespeichers 24 hingegen transformiert der jeweilige DC/DC-Wandler 1 dann die an der entsprechenden Batteriezelle 25 anliegende Spannung auf einen Spannungswert von 60 V, die dann von dem Wechselrichter 23 in eine entsprechende Wechselspannung transformiert wird.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise nicht zwingend erforderlich, dass die Steuereinrichtung 13 einen Mikrokontroller enthält. Insbesondere bei einem Betrieb mit festem Übersetzungsverhältnis (konstantem Tastgrad) kann es ausreichen, lediglich einen Taktgenerator zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente zu verwenden.
Bezugszeichenliste

1: (bidirektionaler) DC/DC-Wandler, (bidirektionaler) Gegentaktflusswandler
2: Eingangsstufe
3: Primärwicklung
4: Sekundärwicklung
5: Transformator
6: Ausgangsstufe
7, 8: Eingangsanschlüsse
9: (erstes) LC-Glied
10: erste Speicherdrossel
11: erster Kondensator
12: erste H-Schaltbrücke
13: Steuereinrichtung
14: Mittelsteg (erste H-Schaltbrücke)
15: zweite H-Schaltbrücke
16: Mittelsteg (zweite H-Schaltbrücke)
17: zweite Speicherdrossel
18: zweiter Kondensator
19: (zweites) LC-Glied
20, 21: Ausgangsanschlüsse
22: Energiequelle
23: Wechselrichter
24: Energiespeicher
25: Batteriezelle
S1–S4: Halbleiterschaltelemente
S5–S8: Halbleiterschaltelemente
T1, T2: Zeitintervalle
Δt: Zeitdifferenz
U0: zweite Wechselspannung
U1: pulsmodulierte Gleichspannung
U_Aus: Ausgangsspannung, zweite Gleichspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler [0002]

Claims

Bidirektionaler Gegentaktflusswandler mit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einem mindestens eine Primärwicklung (3) und mindestens eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U0) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U0) in eine zweite Gleichspannung (U_Aus), mit den Merkmalen: a) die Eingangsstufe (2) umfasst eine erste H-Schaltbrücke (12) mit vier durch eine Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S1–54), wobei die Primärwicklung (3) des Transformators (5) in dem Mittelsteg (14) der ersten H-Schaltbrücke (12) angeordnet ist; b) die Ausgangsstufe (6) umfasst eine zweite H-Schaltbrücke (15) mit vier durch die Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S5–S8), wobei die Sekundärwicklung (4) des Transformators (5) in dem Mittelsteg (16) der zweiten H-Schaltbrücke (15) angeordnet ist; c) der ersten H-Schaltbrücke (12) sind eingangsseitig ein aus einer seriell angeordneten ersten Speicherdrossel (10) und einem parallel angeordneten ersten Kondensator (11) bestehendes erstes LC-Glied (9) vorgeschaltet und der zweiten H-Schaltbrücke (15) sind ausgangsseitig ein aus einer seriell angeordneten zweiten Speicherdrossel (17) und einem parallel angeordneten zweiten Kondensator (18) bestehendes zweites LC-Glied (19) nachgeschaltet; d) die Steuereinrichtung (13) ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe der Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) sich eine pulsmodulierte Gleichspannung (U1) ergibt, wobei e) der sich aus den beiden Zeitintervallen (T1, T2) und der Zykluszeit (To) ergebende Tastgrad d = 2 T1/To derart gewählt ist, dass d > 1 ist.
Bidirektionaler Flusswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) derart ausgestaltet ist, dass im Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) die Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) derart ansteuerbar sind, dass sich die beiden Zeitintervalle (T1, T2) während eines Zeitraumes von < 200 ns, vorzugsweise von ≤ 100 ns, überdecken.
Bidirektionaler Flusswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschaltelementen (51–58) der beiden H-Schaltbrücken (12, 15) um Feldeffekttransistoren, vorzugsweise um MOS-Feldeffekttransistoren, handelt.
Verfahren zum Betrieb des bidirektionalen Flusswandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und sich am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) eine pulsmodulierte Gleichspannung (U1) ergibt, wobei der sich aus den beiden Zeitintervallen und der Zykluszeit To ergebende Tastgrad d = 2 T1/To derart gewählt wird, dass d > 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) derart an- und abgeschaltet werden, dass sich die beiden Zeitintervalle (T1, T2) während eines Zeitraumes von < 200 ns, vorzugsweise von ≤ 100 ns, überdecken.