EP1969708A1 - Circuit arrangement having a twin inductor for converting a dc voltage into an ac voltage or an alternating current - Google Patents

Circuit arrangement having a twin inductor for converting a dc voltage into an ac voltage or an alternating current

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Publication number
EP1969708A1
EP1969708A1 EP06841233A EP06841233A EP1969708A1 EP 1969708 A1 EP1969708 A1 EP 1969708A1 EP 06841233 A EP06841233 A EP 06841233A EP 06841233 A EP06841233 A EP 06841233A EP 1969708 A1 EP1969708 A1 EP 1969708A1
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EP
European Patent Office
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voltage
circuit arrangement
arrangement according
windings
sub
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Withdrawn
Application number
EP06841233A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Heribert Schmidt
Bruno Burger
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the switch-on duration of the switch S 0 is adjusted via a control circuit, not shown here (eg pulse width modulator PWM), so that a sinusoidal current is set in the output choke L 1 which is then fed into the public power grid.
  • a control circuit not shown here (eg pulse width modulator PWM)
  • PWM pulse width modulator
  • the switches S 1 and S 2 are closed as shown in FIG.
  • the positive half-cycle S 1 is permanently closed, and stored in the inductor DR 1 energy flows through the winding W 2 , the diode Di and the switch S 1 in the output capacitor Ci.
  • a further circuit arrangement is shown, which differs from the circuit of FIG. 1 in that the order within the series connection of the winding W 2 of the double choke DRi and the diode D 1 is reversed.
  • the diode D 1 with its one connection to the Neutral conductor 3 is connected and with its other connection to the winding start of the winding W 2 , whose other terminal is connected to the switch Si.
  • a capacitor C 2 is each connected to the winding start of the winding W 1 and the winding start of the winding W 2 .
  • the operation is as previously described, ie, the general function remains unchanged.
  • the two winding starts can be connected to the coupling capacitor C 2 .
  • this additional coupling capacitor C 2 absorbs part of the energy stored in the primary-side leakage inductance of the double choke DR 1 and outputs it via the winding W 2 during the positive half-cycle in the next cycle to the exit.
  • overvoltages are limited during the switching process.
  • the limitation takes place via the diode D 2 and the then closed switch S 2 .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The invention proposes a circuit arrangement for converting a DC voltage present at DC voltage terminals into an alternating current, which is supplied via AC voltage terminals, or an AC voltage, which circuit arrangement has a first series circuit, which is connected to the DC voltage terminals, comprises a first electronic switch (S<SUB>0</SUB>) and an inductor, and has a plurality of second electronic switches (S<SUB>1</SUB>, S<SUB>2</SUB>), wherein one of the DC voltage terminals and one of the AC voltage terminals are connected to a neutral conductor (N/PE). The inductor is in the form of a twin inductor (DR<SUB>1</SUB>) having two windings (W<SUB>1</SUB>,W<SUB>2</SUB>), which are arranged tightly coupled to one another, wherein the first winding (W<SUB>1</SUB>) is connected in series with the first electronic switch (S<SUB>0</SUB>) and buffer-stores the energy produced via said electronic switch. The two windings are each connected to the AC voltage terminal which is not connected to the neutral conductor via a second electronic switch (S<SUB>1</SUB>, S<SUB>2</SUB>).

Description

SCHALTUNGSANORDNUNG MIT DOPPELDROSSEL ZUR UMWANDLUNG EINER GLEICHSPANNUNG IN EINE WECHSELSPANNUNG ODER EINEN WECHSELSTROMCIRCUIT ARRANGEMENT WITH DOUBLE THROTTLE FOR THE CONVERSION OF A DC VOLTAGE IN AN ALTERNATING VOLTAGE OR AC
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .The invention relates to a circuit arrangement for converting a DC voltage into an AC voltage or an AC current according to the preamble of the main claim.
Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom sind allgemein bekannt, wobei bei diesen Wechselrichtern zwischen Wechselrichtern ohne galvanische Trennung, d.h. transformatorlosen Wechselrichtern und solchen mit galvanischer Trennung, d.h. Transformator-Wechselrichtern, unterschieden wird. Die höchsten Wirkungsgrade werden mit transformatorlosen Wechselrichtern in Vollbrückenschaltung ohne Hochsetzsteller erzielt, wie sie beispielsweise in der DE 102 21 592 Al beschrieben sind. Bei diesen Schaltungen schwankt das Potential der Quelle mit Netzfrequenz und halber Netzspannung gegenüber dem Erdpotential. Daher besteht eine Einschränkung in der Anwendbarkeit dieser Konzepte bei Quellen mit einer hohen Ableitkapazität gegenüber Erdpotential, wie es z.B. bei Solargeneratoren bestimmter Technologie, insbesondere Dünnschichtmodulen, der Fall ist. Bei konventionellen transformatorlosen Wechselrichtern ohne Hochsetzstel- ler ist der Eingangsspannungsbereich durch die zur Einspeisung wenigstens erforderliche Spannung in Höhe der Amplitude der Netzspannung, also ca. 325 V bei einem Effektivwert von 230 V, nach unten begrenzt.Inverters for converting a DC voltage into an AC voltage or an AC current are generally known, with these inverters being distinguished between inverters without galvanic isolation, ie transformerless inverters and those with galvanic isolation, ie transformer inverters. The highest efficiencies are achieved with transformerless inverters in full bridge without step-up converter, as described for example in DE 102 21 592 Al. This varies with these circuits Potential of the source with mains frequency and half mains voltage with respect to the ground potential. Therefore, there is a limitation in the applicability of these concepts in sources with a high dissipation capacity to earth potential, as is the case for example with solar generators of certain technology, in particular thin-film modules. In conventional transformerless inverters without step-up adjuster, the input voltage range is limited by the voltage at least required for feeding in the amount of the amplitude of the mains voltage, ie about 325 V at an effective value of 230 V, down.
Weiterhin sind transformatorlose Konzepte, z.B. aus der DE 196 42 522 Cl und der DE 197 32 218 Cl, bekannt, bei denen ein Anschluss des Solargenerators fest mit dem Neutralleiter verbunden ist und somit ein festes Potential gegenüber Erdpotential aufweist. Dadurch können auch bei beliebig hohen Ableitkapazi- täten prinzipbedingt keine Ableitströme fließen.Furthermore, transformerless concepts, e.g. from DE 196 42 522 Cl and DE 197 32 218 Cl, in which a connection of the solar generator is fixedly connected to the neutral conductor and thus has a fixed potential to earth potential. As a result, even with arbitrarily high leakage capacitances, no leakage currents can flow as a result of the principle.
Bei der DE 196 42 522 Cl wird eine Drosselspule in einem ersten Taktabschnitt über zwei Schalter an eine Eingangsspannung, welche mit einem Eingangskondensa- tor gepuffert wird, gelegt und Energie in der Drosselspule gespeichert. Im zweiten Taktabschnitt werden, je nach Polarität der Spannung an einem Ausgangskondensator, welcher im Wesentlichen der Netzspannung entspricht, mehrere Schalter so konfigu- riert, dass die in der Drosselspule gespeicherteIn DE 196 42 522 C1, a choke coil is placed in a first clock section via two switches to an input voltage, which is buffered with a Eingangskondensa- tor, and stored energy in the choke coil. In the second clock section, depending on the polarity of the voltage across an output capacitor, which essentially corresponds to the mains voltage, a plurality of switches are configured such that the voltage stored in the choke coil
Energie über Dioden und besagte Schalter an den Ausgang abgegeben werden kann. Von Nachteil bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist es, dass insgesamt fünf Schalter benötigt werden. In der ersten Taktpha- se sind immer zwei Schalter im Strompfad, in der zweiten Taktphase während der positiven Halbwelle zwei Schalter und zwei Dioden und in der negativen zwei Schalter und eine Diode. Hierdurch ergeben sich hohe Verluste und entsprechend ein schlechter Wirkungsgrad. Außerdem stellen die Schalter, gemeinsam mit den zugehörigen Ansteuerungen, einen erheblichen Aufwand dar und vermindern die Zuverlässigkeit. Diese Wechselrichter zeichnen sich somit durch eine hohe Komplexität und damit einen schlechten Wirkungsgrad, einen hohen Aufwand sowie eine verminderte Zuverläs- sigkeit aus.Power via diodes and said switch can be delivered to the output. A disadvantage of this known circuit arrangement is that a total of five switches are needed. In the first clock phase there are always two switches in the current path, in the second clock phase during the positive half-cycle two switches and two diodes and in the negative two switches and a diode. This results in high losses and correspondingly poor efficiency. In addition, the switches, together with the associated controls, a considerable effort and reduce the reliability. These inverters are therefore characterized by high complexity and thus poor efficiency, high costs and reduced reliability.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom aus einer bezüglich eines Neutralleiters unipolaren Gleichspannungsquelle zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad bietet, auf einfachen, kostengünstigen, zuverlässigen und regelungstechnisch leicht beherrschbaren Strukturen beruht und einen Eingangs- Spannungsbereich sowohl unterhalb als auch oberhalb der Netzspannungsamplitude (typischerweise 325 V bei einem Effektivwert von 230 V) erlaubt.The invention is therefore an object of the invention to provide a circuit arrangement for converting a DC voltage into an AC voltage or an alternating current from a respect to a neutral unipolar DC voltage source, which offers high efficiency, based on simple, inexpensive, reliable and controllable easily controllable structures and a Input voltage range both below and above the mains voltage amplitude (typically 325 V with an RMS value of 230 V) allowed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn- zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This object is achieved by the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse- rungen möglich.Advantageous refinements and improvements are possible due to the measures specified in the subclaims.
Dadurch, dass die Drossel als Doppeldrossel mit zwei in enger Kopplung zueinander angeordneten Wicklungen ausgebildet ist und die erste Wicklung mit dem ersten elektronischen Schalter in Reihe liegt und die über diesen Schalter gelieferte Energie zwischenspeichert und dass die beiden Wicklungen jeweils über einen zweiten elektronischen Schalter mit dem nicht an dem Neutralleiter liegenden Wechselspannungsanschluss in Verbindung stehen, werden nur drei anstatt fünf HaIb- leiterschalter benötigt. Hierdurch erhöhen sich sowohl Wirkungsgrad als auch Zuverlässigkeit erheblich. Darüber hinaus bedeutet der Wegfall von zwei Schaltern nebst Ansteuerung eine merkbare Kosteneinsparung. Die Ausführung der einfachen Drossel mit einer zusätzlichen Wicklung stellt nur einen geringfügigen Mehraufwand dar.Characterized in that the throttle is designed as a double throttle with two windings arranged in close coupling to each other and the first winding is in series with the first electronic switch and the energy supplied via this switch caches and that the two windings are in each case connected via a second electronic switch to the AC voltage connection which is not connected to the neutral conductor, only three instead of five semiconductor switches are required. As a result, both efficiency and reliability increase considerably. In addition, the omission of two switches together with activation means a noticeable cost saving. The execution of the simple throttle with an additional winding represents only a minor extra effort.
Vorteilhaft ist, dass die Wicklungen der Doppeldrossel gleiche Windungszahlen aufweisen und in enger Kopplung zueinander ausgebildet sind, da dadurch in beiden die gleiche Spannung induziert wird.It is advantageous that the windings of the double choke have the same number of turns and are formed in close coupling to one another, since in this way the same voltage is induced in both.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Wicklungen der Doppeldrossel so geschaltet sind, dass die einen der jeweils zugeordneten Wicklungsenden auf einem ruhenden Potential liegen (Potential des Neutralleiters bzw. der momentanen KondensatorSpannung am Ausgang) , und die anderen der jeweils zugeordneten Wicklungsenden den gleichen, um den Betrag der momentanen Kon- densatorspannung versetzten Spannungsverlauf aufweisen, wodurch keine taktweise Umladung der parasitären Koppelkapazitäten zwischen den Wicklungen notwendig ist und geringere Spitzenströmen an dem ersten Schalter auftreten und der Wirkungsgrad sowie das EMV-Ver- halten verbessert werden.It is particularly advantageous that the windings of the double choke are connected so that one of the respective associated coil ends are at a quiescent potential (potential of the neutral conductor or the instantaneous capacitor voltage at the output), and the other of the respective associated coil ends the same to the Amount of the instantaneous capacitor voltage staggered voltage curve, whereby no cyclic transfer of parasitic coupling capacitances between the windings is necessary and lower peak currents occur at the first switch and the efficiency and the EMC behavior can be improved.
Durch Vorsehen eines Kondensators zwischen den Wicklungsenden mit dem gleichen zeitlichen, aber um den Betrag der momentanen Ausgangsspannung versetzten Spannungsverlauf, kann die in den unvermeidlichen Streuinduktivitäten der Doppeldrossel gespeicherte Energie beim Öffnen des ersten Schalters aufgenommen werden und im nächsten Taktabschnitt nahezu verlust- frei an den Ausgang weitergegeben werden.By providing a capacitor between the coil ends with the same temporal but offset by the amount of the instantaneous output voltage waveform, which stored in the unavoidable leakage inductances of the double choke can Energy are absorbed when opening the first switch and are passed in the next cycle almost lossless to the output.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auch mehrphasig ausgeführt werden, z.B. dreiphasig zur Einspeisung in das übliche öffentliche Drehstromnetz. In vorteilhafter Weise wird als Gleichspannungsquelle ein Solargenerator verwendet, es können jedoch auch Brennstoffzellen, Batterien oder dergleichen verwendet werden.The circuit arrangement according to the invention can also be designed to be multi-phase, e.g. three-phase for feeding into the usual public three-phase network. Advantageously, a solar generator is used as the DC voltage source, but it is also possible to use fuel cells, batteries or the like.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Pluspol des Solargenerators mit dem Neutralleiter verbunden, wodurch alle Module oder Zellen des Solargenerators ein negatives Potential gegenüber dem Erdpotential haben, was sich bei bestimmten Solarzellentypen vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt.In an advantageous development of the positive pole of the solar generator is connected to the neutral conductor, whereby all modules or cells of the solar generator have a negative potential relative to the ground potential, which has an advantageous effect on the efficiency of certain solar cell types.
In vorteilhafter Weise ist eine Mehrzahl von Eingangsstufen bestehend aus erstem elektronischen Schalter, Doppeldrossel mit zugeordneten Dioden und einem Eingangskondensator parallel geschaltet, die versetzt taktend die Energie an den Ausgang übertra- gen. Dadurch wird der Rippel am Eingangskondensator reduziert und es ist auch ein sequentielles Zuschalten der Eingangsstufen abhängig von der momentanen Leistung entsprechend einem Master-Slave-Betrieb möglich, wodurch sich der Wirkungsgradverlauf im Teil- lastbereich deutlich verbessert.Advantageously, a plurality of input stages consisting of a first electronic switch, a double throttle with associated diodes and an input capacitor are connected in parallel, which transmit the energy to the output in an offset manner. This reduces the ripple at the input capacitor and it is also a sequential switch-on depending on the instantaneous power corresponding to a master-slave operation possible, whereby the efficiency curve in the partial load range significantly improved.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it: 1 shows the circuit configuration of a first embodiment of the invention,
Fig. 2 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,2 shows the circuit configuration of a second embodiment of the invention,
Fig. 3 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfin- düng,3 shows the circuit configuration of a third embodiment of the invention düng,
Fig. 4 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit mehreren Eingangsstufen,4 shows the circuit configuration of a fourth embodiment of the invention with multiple input stages,
Fig. 5 Diagramme der an den Schaltern in den Fign. 1 bis 3 auftretenden Pulsmuster.Fig. 5 diagrams of the switches in the Fign. 1 to 3 occurring pulse pattern.
Die in Fig. 1 dargestellte und als Wechselrichter ausgebildete Schaltungsanordnung weist eine Gleichspannungsquelle auf, die im Ausführungsbeispiel ein Solargenerator 1 ist, der mit seinen Anschlüssen an einer positiven Leitung 2 und einem Neutral- oder Erdleiter 3 liegt. Dieser Solargenerator liefert eine Eingangsgleichspannung USG-The illustrated in Fig. 1 and designed as an inverter circuit arrangement has a DC voltage source, which is a solar generator 1 in the embodiment, which is located with its terminals on a positive line 2 and a neutral or ground conductor 3. This solar generator supplies a DC input voltage U SG -
Parallel zu dem Solargenerator 1 ist ein Kondensator C0 vorgesehen, der die Eingangsspannung USG puffert. Zwischen den Leitungen 2, 3 liegt die Reihenschaltung einer ersten Wicklung Wi einer Drossel, die als Doppeldrossel DRi bezeichnet wird, und eines durch eine nicht dargestellte Steuereinheit getakteten Schalters S0, der als Transistor, vorzugsweise als MOS-FET oder IGBT, ausgebildet sein kann. Die zweite Wicklung W2 der Doppeldrossel DRi ist mit dem WicklungsanfangParallel to the solar generator 1, a capacitor C 0 is provided, which buffers the input voltage U SG . Between the lines 2, 3, the series connection of a first winding Wi a throttle, which is referred to as a double throttle DRi, and a clocked by a control unit, not shown, switch S 0 , which may be formed as a transistor, preferably as a MOS-FET or IGBT , The second winding W 2 of the double choke DRi is at the beginning of the winding
(die Punkte an den Wicklungen Wi, W2 kennzeichnen in bekannter Art deren Wicklungsanfänge) an den Neutral- leiter 3 angeschlossen, wobei das Wicklungsende mit einer ersten Diode Di verbunden ist, die mit der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters S1 in Reihe liegt. An dem Verbindungspunkt zwischen erster Wicklung Wi und dem Schalter S0 ist eine zweite Diode D2 angeschlossen, die mit der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters S2 in Reihe liegt.(the points on the windings Wi, W 2 indicate in known type whose winding starts) connected to the neutral conductor 3, wherein the winding end is connected to a first diode Di, which is in series with the switching path of an electronic switch S 1 . At the connection point between the first winding Wi and the switch S 0 , a second diode D 2 is connected, which is in series with the switching path of an electronic switch S 2 .
Die Wicklungen W1, W2 speisen über die Schalter Sx und S2 speisen einen Ausgangskondensator Ci, der mit seinem einen Anschluss mit den Schaltern Sx, S2 verbunden ist und der mit seinem anderen Anschluss auf dem Neutralleiter 3 liegt. Die Spannung des Kondensators Ci wird mit UCi gekennzeichnet. Kondensator Ci und Schalter Si, S2 sind mit einer Glättungs- oder Einspeisedrossel Li verbunden, deren anderer Anschluss mit einer der Phasen L des Netzes 4 verbunden ist, in das ein Wechselstrom eingespeist werden soll, wobei die Netzspannung mit UNetz bezeichnet wird. Der mit N/PE gekennzeichnete Neutralleiter 3 bildet gleichfalls einen Wechselspannungsausgangsanschluss .The windings W 1 , W 2 feed via the switches S x and S 2 feed an output capacitor Ci which is connected at its one terminal to the switches S x , S 2 and which lies with its other terminal on the neutral conductor 3. The voltage of the capacitor Ci is marked U C i. Capacitor Ci and switch Si, S 2 are connected to a smoothing or supply choke Li, whose other terminal is connected to one of the phases L of the network 4, in which an alternating current is to be fed, the mains voltage being called U net . The N / PE designated neutral 3 also constitutes an AC output terminal.
Die Doppeldrossel DRi stellt einen Transformator mit Energiespeicher-Eigenschaften dar, dessen galvanische Trennung im vorliegenden Fall jedoch nicht benutzt wird. Die Wicklung Wx wird doppelt genutzt zur Einspeicherung der Energie und zur Erzeugung einer auf das Potential des Neutralleiters 3 bezogenen inver- tierten Spannung. Die Wicklung W2 dient zur Erzeugung einer auf den Neutralleiter bezogenen Spannung mit gleicher Polarität wie die EingangsSpannung. Die Wicklungen Wx und W2 haben vorteilhafterweise die gleiche Windungszahl und sind in enger Kopplung auf einen Kern gewickelt, wobei sie auch bifilar gewickelt sein können. Die gepufferte EingangsSpannung USG wird über den getakteten Schalter S0 an die erste Wicklung W1 der Doppeldrossel DRi gelegt, wodurch in der ersten Takt- phase, in welcher der Schalter S0 durchgeschaltet ist, sich ein zeitlich zunehmender Strom in der Wicklung W1 aufbaut, verbunden mit einer Energiespeiche- rung im magnetischen Kreis der Doppeldrossel DR1.The double choke DRi represents a transformer with energy storage properties, the galvanic separation of which is not used in the present case. The winding W x is used twice to store the energy and to generate an inverted voltage related to the potential of the neutral conductor 3. The winding W 2 is used to generate a reference to the neutral voltage with the same polarity as the input voltage. The windings W x and W 2 advantageously have the same number of turns and are wound in close coupling to a core, wherein they can also be wound bifilar. The buffered input voltage U SG is applied via the clocked switch S 0 to the first winding W 1 of the double choke DRi, whereby in the first clock phase, in which the switch S 0 is turned on, a time-increasing current in the winding W 1st connected to an energy storage in the magnetic circuit of the double choke DR 1 .
Gemäß Fig. 5 wird die Einschaltdauer des Schalters S0 über einen hier nicht dargestellten Regelkreis (z.B. Pulsweiten-Modulator PWM) so eingestellt, dass sich in der Ausgangsdrossel L1 ein sinusförmiger Strom einstellt, der dann in das öffentliche Stromnetz ein- gespeist wird. Abhängig von der Polarität der Kondensatorspannung UC1, welche im Wesentlichen der Netzspannung UNetz entspricht, werden gemäß Fig. 5 die Schalter S1 bzw. S2 geschlossen. Während der positiven Halbwelle ist S1 permanent geschlossen, und die in der Drosselspule DR1 gespeicherte Energie fließt über die Wicklung W2, die Diode Di und den Schalter S1 in den Ausgangskondensator Ci. In der negativen Halbwelle ist entsprechend der Schalter S2 permanent geschlossen, und der Energiefluss erfolgt über die Wicklung Wi, die Diode D2 und den Schalter S2 in den Ausgangskondensator C1. Die in dieser Weise pulsartig an den Ausgangskondensator Ci abgegebene Energie wird dort zu der Spannung UCi aufintegriert und über die Glättungsdrossel Li in das Netz 4 eingespeist.According to FIG. 5, the switch-on duration of the switch S 0 is adjusted via a control circuit, not shown here (eg pulse width modulator PWM), so that a sinusoidal current is set in the output choke L 1 which is then fed into the public power grid. Depending on the polarity of the capacitor voltage U C1 , which essentially corresponds to the mains voltage U Net Z, the switches S 1 and S 2 are closed as shown in FIG. During the positive half-cycle S 1 is permanently closed, and stored in the inductor DR 1 energy flows through the winding W 2 , the diode Di and the switch S 1 in the output capacitor Ci. In the negative half-wave, the switch S 2 is correspondingly permanently closed, and the energy flow takes place via the winding Wi, the diode D 2 and the switch S 2 in the output capacitor C 1 . The energy delivered in this way to the output capacitor Ci in a pulse-like manner is integrated there with the voltage U C i and fed into the network 4 via the smoothing inductor Li.
In Fig. 2 ist eine weitere Schaltungsanordnung dargestellt, die sich von der Schaltung nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass die Reihenfolge innerhalb der Reihenschaltung der Wicklung W2 der Doppeldrossel DRi und der Diode D1 vertauscht ist. Das bedeutet, dass die Diode D1 mit ihrem einen Anschluss an den Neutralleiter 3 angeschlossen ist und mit ihrem anderen Anschluss an den Wicklungsanfang der Wicklung W2 liegt, deren anderer Anschluss mit dem Schalter Si verbunden ist. Außerdem ist ein Kondensator C2 je- weils mit dem Wicklungsanfang der Wicklung W1 und dem Wicklungsanfang der Wicklung W2 verbunden. Grundsätzlich ist die Funktionsweise wie vorher beschrieben, d.h., die generelle Funktion verbleibt unverändert. Von Vorteil ist jedoch, dass beide Wicklungsenden der Wicklungen W1, W2 auf ruhendem Potential liegen, d.h. auf dem Bezugspotential, das von dem Neutralleiter 3 vorgegeben ist, bzw. auf der am Kondensator C1 liegenden momentanen Kondensatorspannung UC1. Die beiden Wicklungsanfänge haben somit den gleichen, um die Hö- he der momentanen Kondensatorspannung UC1 versetzten Spannungsverlauf zueinander. Damit können die beiden Wicklungen W1, W2 sehr eng benachbart zueinander gewickelt werden, beispielsweise als bifilare Wicklung, da die sich zwischen den beiden Wicklungen ausbilden- de parasitäre Koppelkapazität nicht in jedem Takt umgeladen werden muss . Aus dem räumlich engen Aufbau resultiert eine sehr gute magnetische Kopplung der Wicklungen W1, W2 und somit eine geringe Streuinduktivität, ein verbessertes EMV-Verhalten sowie gerin- gere Schaltverluste in dem Schalter S0.In Fig. 2, a further circuit arrangement is shown, which differs from the circuit of FIG. 1 in that the order within the series connection of the winding W 2 of the double choke DRi and the diode D 1 is reversed. This means that the diode D 1 with its one connection to the Neutral conductor 3 is connected and with its other connection to the winding start of the winding W 2 , whose other terminal is connected to the switch Si. In addition, a capacitor C 2 is each connected to the winding start of the winding W 1 and the winding start of the winding W 2 . Basically, the operation is as previously described, ie, the general function remains unchanged. It is advantageous, however, that both winding ends of the windings W 1 , W 2 are at rest, ie at the reference potential which is predetermined by the neutral conductor 3, or at the instantaneous capacitor voltage U C1 lying at the capacitor C 1 . The two winding starts thus have the same voltage curve relative to each other by the height of the instantaneous capacitor voltage U C1 . Thus, the two windings W 1 , W 2 can be wound very closely adjacent to one another, for example as a bifilar winding, since the parasitic coupling capacitance forming between the two windings does not have to be reloaded in each cycle. From the spatially tight structure results in a very good magnetic coupling of the windings W 1 , W 2 and thus a low leakage inductance, improved EMC behavior and lower switching losses in the switch S 0 .
Da in der Schaltung nach Fig. 2 die beiden Wicklungs- anfänge idealerweise den gleichen, aber um den Betrag der momentanen AusgangsSpannung versetzten Spannungs- verlauf aufweisen, können die beiden Wicklungsanfänge mit dem Koppelkondensator C2 verbunden werden. Dieser zusätzliche Koppelkondensator C2 nimmt beim Abschalten des Schalters S0 einen Teil der in der primärsei- tigen Streuinduktivität der Doppeldrossel DR1 gespei- cherten Energie auf und gibt diese während der positiven Halbwelle im nächsten Takt über die Wicklung W2 an den Ausgang ab. Hierdurch werden Überspannungen während des Schaltvorganges begrenzt. In der negativen Halbwelle erfolgt die Begrenzung über die Diode D2 und den dann geschlossenen Schalter S2.Since, in the circuit according to FIG. 2, the two winding starts ideally have the same voltage curve but offset by the amount of the instantaneous output voltage, the two winding starts can be connected to the coupling capacitor C 2 . When the switch S 0 is switched off, this additional coupling capacitor C 2 absorbs part of the energy stored in the primary-side leakage inductance of the double choke DR 1 and outputs it via the winding W 2 during the positive half-cycle in the next cycle to the exit. As a result, overvoltages are limited during the switching process. In the negative half-wave, the limitation takes place via the diode D 2 and the then closed switch S 2 .
Die Schaltungen nach den Fign. 1 und 2 können auch komplementär aufgebaut werden. Fig. 3 zeigt beispielhaft den komplementären Aufbau der Schaltung nach Fig. 2.The circuits according to FIGS. 1 and 2 can also be constructed in a complementary way. 3 shows by way of example the complementary structure of the circuit according to FIG. 2.
In Fig. 3 liegt der positive Anschluss der Gleichspannungsquelle 1, d.h. des Solargenerators, auf dem Neutralleiter 3. Dies hat den Vorteil, dass alle Module des Solargenerators 1 ein negatives Potential gegenüber dem Erdpotential haben, was sich bei bestimmten Solarzellentypen vorteilhaft auf deren Wirkungsgrad auswirkt. Weiterhin liegt der Schalter S0 in der negativen Versorgungsspannungsleitung 6, was seine Ansteuerung schaltungstechnisch vereinfacht, insbesondere, wenn mehrere parallel arbeitende Eingangsstufen vorgesehen sind.In Fig. 3 is the positive terminal of the DC voltage source 1, ie the solar generator, on the neutral conductor 3. This has the advantage that all modules of the solar generator 1 have a negative potential compared to the ground potential, which has an advantageous effect on certain types of solar cell on their efficiency , Furthermore, the switch S 0 is in the negative supply voltage line 6, which simplifies its control circuitry, in particular, if several parallel input stages are provided.
Als Schalter werden, wie schon erwähnt, bevorzugt MOS-FETs oder IGBTs vom N-Kanal-Typ eingesetzt. N-Kanal-Transistoren benötigen zur Ansteuerung eine positive Gate-Spannung von z.B. 15 Volt gegenüber dem Emitterpotential, wozu eine Hilfsspannung zur Verfügung gestellt werden muss. Wenn mehrere Transistoren mit ihren Emittern auf dem gleichen Potential liegen, kann vorteilhafterweise eine gemeinsame Hilfsspan- nungsquelle genutzt werden.As mentioned above, MOS-FETs or N-channel type IGBTs are preferably used as the switches. N-channel transistors require a positive gate voltage of e.g. 15 volts to the emitter potential, for which an auxiliary voltage must be provided. If a plurality of transistors with their emitters are at the same potential, advantageously a common auxiliary voltage source can be used.
In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 mit mehreren Eingangsstufen, bestehend aus dem Kondensator C0, dem Schalter S0, der DoppeldrosselIn Fig. 4 is a circuit arrangement corresponding to FIG. 1 with a plurality of input stages, consisting of the capacitor C 0 , the switch S 0 , the double throttle
DRi, den Dioden O1, D2 vorgesehen, wobei in der Figur nur eine zweite Eingangsstufe dargestellt ist, deren Bezugszeichen die gleichen sind wie in der ersten Eingangsstufe, jedoch mit einem Strich versehen sind. Falls eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 oder Fig. 3 vorgesehen ist, gehört zur Eingangsstufe noch der Koppelkondensator C2. Die Eingangsstufen sind alle jeweils mit dem Schalter Si bzw. dem Schalter S2 verbunden und werden aus der selben Quelle gespeist.DRi, the diodes O 1 , D 2 provided, wherein in the figure only a second input stage is shown, the reference numerals are the same as in the first input stage, but are provided with a dash. If a circuit arrangement according to FIG. 2 or FIG. 3 is provided, the coupling capacitor C 2 still belongs to the input stage. The input stages are each connected to the switch Si or the switch S 2 and are fed from the same source.
Vorteilhafterweise werden dabei die zugehörigenAdvantageously, while the associated
Schalter S0 bzw. S0 1 zeitlich versetzt getaktet, so dass sich sowohl am Eingang, d.h. an den jeweiligen Kondensatoren C0, C0 1, als auch am Ausgang ein ver- gleichmäßigter Leistungsfluss ergibt. Weiterhin ist ein sog. Master-Slave-Betrieb möglich, bei welchem die einzelnen Eingangsstufen abhängig von der momentan zu übertragenden Leistung zugeschaltet werden. Hierdurch kann der Wirkungsgradverlauf insbesondere im Teillastbereich deutlich verbessert werden.Switched S 0 and S 0 1 clocked at a time, so that both at the input, ie at the respective capacitors C 0 , C 0 1 , as well as at the output results in a uniform power flow. Furthermore, a so-called master-slave operation is possible in which the individual input stages are switched on depending on the current power to be transmitted. As a result, the efficiency curve can be significantly improved, especially in the partial load range.
Sind mehrere Eingangsstufen vorhanden, so können diese auch über getrennte Eingangsklemmen verfügen, die wiederum mit zugehörigen, auch unterschiedlichen Solargeneratoren oder anderen Gleichspannungsquellen verbunden sein können.If several input stages are present, they can also have separate input terminals, which in turn can be connected to associated, also different solar generators or other DC voltage sources.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird ein Solargenerator als Gleichspannungsquelle verwendet. Es können jedoch auch Brennstoffzellen oder Batterien oder dergleichen vorgesehen werden. In the above embodiment, a solar generator is used as a DC power source. However, fuel cells or batteries or the like may be provided.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer an Gleichspannungsanschlüssen liegenden Gleichspannung in einen über Wechselspannungsanschlüsse abgegebenen Wechselstrom bzw. eine Wechselspan- nung mit einer mit den Gleichspannungsanschlüssen verbundenen ersten Reihenschaltung aus mindestens einem elektronischen Schalter und einer Drossel und einer Mehrzahl von zweiten elektronischen Schaltern, wobei einer der Gleich- und einer der Wechselspannungsanschlüsse an einem1. A circuit arrangement for converting a dc voltage applied to direct voltage terminals into an alternating current output via alternating voltage connections or an alternating voltage to a dc voltage connected to the first series circuit of at least one electronic switch and a throttle and a plurality of second electronic switches, one of the same - And one of the AC voltage terminals on one
Neutralleiter liegen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Drossel als Doppeldrossel (DRi) mit zwei in enger Kopplung zueinander angeordneten Wicklungen (W17W2) ausgebildet ist, wobei die erste Wicklung (W1) mit dem ersten elektronischen Schalter (S0) in Reihe liegt und die über diesen gelieferte Energie zwischenspeichert und wobei die beiden Wicklungen (W1, W2) jeweils ü- ber einen zweiten elektronischen Schalter (S1,Neutral are, characterized in that the choke is designed as a double choke (DRi) with two closely coupled to each other windings (W 17 W 2 ), wherein the first winding (W 1 ) with the first electronic switch (S 0 ) in series and temporarily stores the energy supplied via the latter, and wherein the two windings (W 1 , W 2 ) each have a second electronic switch (S 1 ,
S2) mit dem nicht an dem Neutralleiter liegenden Wechselspannungsanschluss in Verbindung stehen.S 2 ) with the not lying on the neutral conductor AC connection in connection.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei zweiten elektroni- sehen Schalter (Si, S2) jeweils in Reihe mit einer Diode (D1, D2) und einer Wicklung der Doppeldrossel (DR1) liegen.2. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the two second electronic see switch (Si, S 2 ) each in series with a diode (D 1 , D 2 ) and a winding of the double choke (DR 1 ) are.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Wechselspannungsanschlüssen ein Speicherkondensator (Ci) angeschlossen ist.3. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that parallel to the AC voltage terminals a storage capacitor (Ci) is connected.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklun- gen (Wi, W2) der Doppeldrossel (DR1) gleiche Windungszahlen aufweisen.4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the windings (Wi, W 2 ) of the double throttle (DR 1 ) have the same number of turns.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Doppeldrossel (DR1) bifilare Wicklungen sind.5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the windings of the double choke (DR 1 ) are bifilar windings.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S0) getaktet wird, und dass in der einen Schaltphase eine Energiespeicherung in dem magnetischen Kreis der Doppeldrossel (DR1) stattfindet, und in der anderen Schaltphase in beiden Wicklungen (W1, W2) eine Spannung derart induziert wird, dass über die zweiten Schalter (S1, S2) jeweils ein Ladestrom in den Kondensa- tor (C1) fließt.6. Circuit arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the first switch (S 0 ) is clocked, and that in the one switching phase, an energy storage in the magnetic circuit of the double choke (DR 1 ) takes place, and in the other switching phase in both windings (W 1 , W 2 ) a voltage is induced such that via the second switch (S 1 , S 2 ) in each case a charging current flows into the capacitor (C 1 ).
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Doppeldrossel (DR1) derart geschaltet sind, dass die einen, mit Wicklungsenden be- zeichneten Anschlüsse der Wicklungen (W1, W2) , auf ruhendem Potential liegen, und die anderen, mit Wicklungsanfängen bezeichneten Anschlüsse, den gleichen zeitlichen Spannungsverlauf haben.7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the windings of the double choke (DR 1 ) are connected such that the one, with winding ends designated terminals of the windings (W 1 , W 2 ), at rest potential lie, and the other, designated with winding beginnings connections, have the same temporal voltage curve.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Wicklungsanfänge der8. Circuit arrangement according to claim 7, character- ized in that the winding beginnings of
Wicklungen (Wx, W2) der Doppeldrossel (DRi) über einen Koppelkondensator (C2) miteinander verbunden sind. Windings (W x , W 2 ) of the double throttle (DRi) via a coupling capacitor (C 2 ) are interconnected.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung (Wx) einerseits an den Neutralleiter (3) angeschlossen ist und andererseits über eine Diode (D2) mit einem der zweiten Schalter (S2) verbunden ist und die zweite Wicklung (W2) einerseits über eine Diode (Di) an dem Neutralleiter (3) liegt und andererseits mit dem anderen der zweiten Schalter (S1) verbunden ist.9. Circuit arrangement according to claim 7 or claim 8, characterized in that the first winding (W x ) on the one hand to the neutral conductor (3) is connected and on the other hand via a diode (D 2 ) with one of the second switch (S 2 ) is connected and the second winding (W 2 ) on the one hand via a diode (Di) to the neutral conductor (3) and on the other hand connected to the other of the second switch (S 1 ).
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an die Gleichspannungsanschlüsse ein Solargenerator (1) , vorzugsweise mit mehreren Modulen, eine Brennstoffzelle und/oder eine Batterie ange- schlössen ist.10. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that is connected to the DC voltage connections a solar generator (1), preferably with a plurality of modules, a fuel cell and / or a battery is connected.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Solargenerator (1) ausgebildete Gleichspannungs- quelle mit ihrem negativen Anschluss mit dem Neutralleiter (3) verbunden ist und alle Module der Gleichspannungsquelle ein positives Potential gegenüber dem Neutralleiter (3) aufweisen.11. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the solar generator (1) formed DC source is connected with its negative terminal to the neutral conductor (3) and all modules of the DC voltage source has a positive potential relative to the neutral conductor (3 ) exhibit.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als So- largenerator (1) ausgebildete Gleichspannungs- quelle mit ihrem positiven Anschluss mit dem Neutralleiter (3) verbunden ist und alle Module der Gleichspannungsquelle ein negatives Potential gegenüber dem Neutralleiter aufweisen.12. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the solar generator as (1) formed DC voltage source is connected with its positive terminal to the neutral conductor (3) and all modules of the DC voltage source has a negative potential relative to the neutral conductor exhibit.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Eingangsstufen bestehend aus erstem elektronischen Schalter (S0) , Doppeldrossel (DRi) und zugeordneten Dioden (D1, D2) und gegebenenfalls Koppelkondensator (C2) vorhanden ist und über die zweiten Schalter (Si, S2) in einen gemeinsamen Speicherkondensator (Ci) speisen.13. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that a plurality of input stages consisting of the first electronic switch (S 0 ), double throttle (DRi) and associated diodes (D 1 , D 2 ) and optionally coupling capacitor (C 2 ) is present and via the second switch (Si, S 2 ) in a common storage capacitor (Ci) feed.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Eingangsstufen parallel geschaltet sind und abhängig von der momentan zu übertragenden Leistung zuschalt- bar sind.14. Circuit arrangement according to claim 13, characterized in that the individual input stages are connected in parallel and can be switched on depending on the power currently to be transmitted.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Eingangsstufen unabhängig voneinander benutzbar sind und gegebenenfalls gleichzeitig aus unterschiedlichen Quellen wie Solargenerato- ren, Brennstoffzellen oder Batterien gespeist werden . 15. Circuit arrangement according to claim 13 or claim 14, characterized in that the plurality of input stages are used independently of each other and optionally simultaneously from different sources such as solar generators, fuel cells or batteries are fed.
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