WO2016146171A1 - Hocheffizienter stromrichter für einphasige systeme - Google Patents

Hocheffizienter stromrichter für einphasige systeme Download PDF

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WO2016146171A1
WO2016146171A1 PCT/EP2015/055542 EP2015055542W WO2016146171A1 WO 2016146171 A1 WO2016146171 A1 WO 2016146171A1 EP 2015055542 W EP2015055542 W EP 2015055542W WO 2016146171 A1 WO2016146171 A1 WO 2016146171A1
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WO
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circuit
voltage
power
bridge
bridges
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/055542
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen SCHIMMER
Marvin TANNHÄUSER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
    • 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
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    • 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
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the invention relates to a converter circuit for single-phase systems with an internal circuit, an external circuit and a DC link.
  • the invention relates to a method for interconnection of a DC voltage system with a Kirspan ⁇ tion system with at least one such converter circuit.
  • the invention further relates to an energy storage system which has at least one such converter circuit and at least one energy store.
  • Such a power converter circuit is used for example in electric vehicles, hybrid vehicles, vehicles for the
  • Rail or renewable energy for example, in storage applications, used for services in the kilowatt range.
  • a power converter here is an arrangement for the conversion of one type of electrical current referred to another.
  • a ⁇ such power converter is preferably in the Georgiaschal ⁇ tion of a DC system, for example, with a DC voltage of 450 V, with an AC system, for example with an AC voltage of 230 V, for use, depending on the power flow direction of the converter as an inverter or as Rectifier is operated.
  • An inverter is an electrical device that converts that DC voltage into AC voltage ⁇ .
  • a rectifier is an electrical device which has AC voltage in
  • the power converter can be used here as a rectifier as well as an inverter.
  • a single-phase system has a phase conductor and a NEN neutral, wherein the neutral conductor is preferably grounded.
  • EP 2136465 Al is a inverter for feeding an output of a DC voltage source, in particular egg ⁇ nes photovoltaic generator into an alternating voltage network, known with an asymmetrically clocked bridge circuit having at least two clocked at mains frequency first switches and at least two clocked at a higher clock frequency second switches ,
  • PCT / EP2014 / 077223 proposes a power converter circuit for single-phase systems comprising a 3-point power converter and a 2-point power converter.
  • the invention has for its object to provide a power converter circuit for single-phase systems, which, compared to the prior art, a higher efficiency with less space required and lower costs.
  • a power converter circuit for single-phase systems with an inner circuit, an outer circuit and a DC link
  • the inner circuit has two stacked half-bridges and An ⁇ circuit contacts for connection to a DC voltage on ⁇
  • the outer circuit two to comprising a full bridge together ⁇ quantitative switched half-bridge having two stacked half-bridges of the internal circuit AC terminals which are connected to the upper and lower power terminals of the external circuit
  • the external circuit comprises alternating voltage contacts for connection to an AC voltage
  • the intermediate circuit which includes a series circuit of two Has capacitors, is designed as a shared intermediate circuit and for producing a
  • the object is achieved by a method for interconnecting a DC voltage system with a Kirspan ⁇ tion system with at least one such converter circuit.
  • an energy storage system which has at least one such converter circuit and at least one energy store.
  • the power converter circuit, the method and the energy storage system of the invention are preferably used in network applications, such as photovoltaic and storage applications, as well as in electric vehicles, hybrid vehicles and rail vehicles.
  • the AC voltage is modulated over a plurality of, for example, five voltage levels .
  • This is particularly advantageous because the passive components of the required AC-side filter become smaller due to the stepped AC voltage, which leads to a reduction in the space requirement.
  • the circuit can be operated by the circuit topology according to the invention bi-directionally, that is, depending on the power flow as a rectifier and / or as an inverter.
  • the two series-connected capacitors of the intermediate circuit, at which the intermediate circuit voltage, for example, 400 V, drops, each may also consist of several, for example, in series or parallel capacitors, each having a total capacity.
  • the first capacitor is connected in parallel with the upper and lower power terminals of the first half-bridge and the second capacitor is connected in parallel with the upper and lower power terminals of the second half-bridge. Therefore, the shared ⁇ te intermediate circuit acts as a capacitive voltage divider and the power semiconductors of the first and second half-bridge are defined and optimally controlled.
  • the capacitors have the same capacitance values.
  • the DC link which is divided symmetrically by the use of the same capacitance values, divides the DC link voltage symmetrically around the center point. Therefore, the same power semiconductors can be used in the first and second half bridges, which are uniformly and optimally controlled. This increases the We ⁇ ciency of the converter circuit and reduces complexity.
  • the internal circuit and an external circuit such adapted Leis ⁇ tung semiconductor indicate that the power semi-conductors of the inner circuit are provided for a modulation of the AC voltage and the power semiconductor of the external circuit are provided for a clock with a lower fundamental frequency.
  • the modulation frequency of the AC voltage is in the range of several kilohertz
  • the fundamental frequency is 50 Hertz. Since the power semiconductors are provided for different tasks at different frequencies within the power converter circuit, the specified circuit topology allows a use of adapted power semiconductors. This is advantageous because by the use of the Aufga ⁇ be adjusted power semiconductor, the efficiency of
  • the internal power semiconductor of the internal circuit are optimized for a low switching losses and optimize the performance of the semiconductor externa ⁇ ßeren circuit with respect to low on-state losses.
  • An essential factor for limiting the achievable efficiency lies in the losses that occur in the power semiconductors used. The play
  • the power semiconductors of the inner circuit have a withstand voltage which corresponds approximately to half the intermediate circuit voltage and the power semiconductors of the outer circuit have a dielectric strength which corresponds approximately to the entire DC link voltage.
  • the circuit topology with the divided intermediate circuit made ⁇ light which acts as a capacitive voltage divider and at preferably the same capacitance values of the intermediate circuit voltage ⁇ divides symmetrically around the center.
  • the circuit topology makes it possible that the power semi-conductors of the inner circuit need only have a withstand voltage corresponding to when the power semiconductors of the external circuit, a voltage resistance must alswei ⁇ sen, which corresponds to the whole intermediate circuit voltage half the intermediate circuit voltage. Since the adapted power semiconductors are optimally used in each case, this results in a high efficiency of the converter circuit.
  • the first capacitor and the first half-bridge are formed as a first commutation ⁇ cell and the second capacitor and the second half-bridge formed as a second Kommut réelleszelle.
  • commutation is the process in which a current flows from one branch to the other.
  • the commutation for example, during operation as an inverter, the second of the first capacitor connected in parallel therewith to the first half bridge and the second capacitor for parallel thereto ge ⁇ switched half-bridge instead.
  • the formation of a commutation cell is advantageous because such a very good Kom ⁇ mutation behavior and switching behavior is achieved, which increases the efficiency of the present circuit.
  • the cruzierlei ⁇ ter the inner circuit are driven with a pulse width modulation and the power semiconductor of the outer circuit reversed with a lower fundamental frequency. This is particularly advantageous because so adapted for the task Leis ⁇ processing semiconductor can be used, resulting in a high efficiency of the converter circuit.
  • the AC voltage is modeled over five voltage levels. Due to the alternating voltage, which is stepped over five voltage levels, the passive components of the required AC-side filter, for example coils and capacitors, become smaller, which leads to a reduction of the space requirement and to a reduction of the costs.
  • the energy storage system is intended for use in a power grid or in an electric car or hybrid car. This is particularly advantageous because it allows the bidirectional circuit topology to operate the power converter circuit as a rectifier and / or as an inverter. Therefore, fewer circuits are needed in the applications mentioned, resulting in an improvement in the cost position.
  • FIG 1 is a block diagram of an arrangement for interconnecting a DC system with a ⁇ a phase alternating voltage system
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an embodiment of the power converter circuit according to the invention for single-phase systems
  • FIG. 6 shows a time diagram of the conductor-conductor voltage
  • FIG. 7 shows a time diagram of the normalized voltage of the first half-bridge
  • FIG. 11 shows a block diagram of an embodiment of an energy storage system.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an arrangement for interconnection of a DC voltage system 1 with a einphasi ⁇ gen AC system 3, which has a power converter 10 and a filter 5.
  • the DC voltage system has a first contact 1a and a second contact 1b.
  • the AC power system 3 has a first AC voltage contact 3a, and a second alternating voltage clamping ⁇ contact 3b upstream of the filter. 5
  • the power converter circuit 10 is operated as an inverter or as a rectifier.
  • An inverter here is an electrical device that converts DC voltage into AC voltage.
  • a rectifier converts an electrical device, wel ⁇ ches AC voltage to DC voltage.
  • a single-phase system has a phase conductor and a neutral, with the neutral being preferably grounded. Another embodiment would be a so-called single-phase three-wire network or in English "split-phase" or "single-phase three-
  • Wire "system which is preferably used in the United States of America for single-family households and small businesses.
  • sigen system wherein with the aid of a transformer, which preferably on the secondary side has a center tap for the neutra ⁇ le phase, two out of phase signals, that is with 180 ° phase offset, are generated on two conductors.
  • the converter circuit 10 operated as an inverter has the task of converting the DC voltage present at the input of the inverter into an AC voltage.
  • the inverter operates in a preferred embodiment with power electronic switches, which may be implemented, for example, as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) as well as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) or switching thyristors, and generates a time-varying voltage, preferably with the help a pulse width modulation (PWM).
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistors
  • PWM pulse width modulation
  • the power converter circuit 10 When considering the power flow in the Jacobrich ⁇ tion, ie from the AC voltage system 3 to the DC voltage system 1, the power converter circuit 10 operates as a rectifier.
  • 2 shows a circuit diagram of a power converter circuit 9 for single-phase systems according to the prior art, wherein the power converter circuit 9 is connected via two connection contacts la, lb to a DC voltage system 1 and two AC voltage contacts 3a, 3b and a filter 5, exemp - larisch a low-pass filter, connected to an AC system.
  • the converter circuit 9 comprises a full bridge 16, wel ⁇ che two half-bridges 11, 12 with power semiconductors TS1, TS2, TS3, TS4, wherein the power semiconductors TS1, TS2, TS3, TS4 preferably have an IGBT and a diode and wherein the diode of the power semiconductor as Freilaufdio ⁇ de the IGBT in parallel in the opposite direction.
  • the Half-bridges 11, 12 have, in addition to the two control terminals located at the gates of the IGBTs, an upper, a lower and a middle power connection.
  • the upper power connection is at the collector of the upper IGBT
  • the lower power connection is at the emitter of the lower IGBT.
  • the middle power connection is also referred to below as the AC voltage connection.
  • Two IGBTs are connected together in a half-bridge such that the emitter of the upper IGBT is connected to the collector of the lower IGBT via the middle power connection or AC connection.
  • the two half-bridges 11, 12 are interconnected via their upper and lower power connections parallel to one another to form a full bridge and connected in parallel to a DC link capacitor C, which forms a DC link 2.
  • the upper output terminal of the full bridge 16 is connected to the first terminal contact la of the DC voltage system 1 ver ⁇ connected, and the lower output terminal of the full bridge 16 is connected to the second terminal contact of the DC lb ⁇ systems. 1
  • the AC voltage contacts of the full ⁇ bridge 16 are contacted with the first AC voltage contact 3a and the second alternating voltage of the alternating contact 3b clamping ⁇ warning system.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an embodiment of the power converter circuit 10 according to the invention for single-phase systems, wherein the power converter circuit 10 has an internal circuit 6, an external circuit 7 and an intermediate circuit 2.
  • the outer circuit 7 comprises a full bridge 16, which has two half-bridges 7a, 7b with power semiconductors T5, T6, T7, T8.
  • the inner circuit 6 comprises two stacked half bridges 6a, 6b having AC terminals (6p, 6n) connected to the upper and lower power terminals of the full bridge 16, thus connecting the inner circuit 6 to the outer circuit 7.
  • the intermediate circuit 2, which has a series circuit of two capacitors C 1, C 2 is shown as a shared intermediate circuit.
  • the Schennik executed and provided for establishing a center M of a DC link voltage UZK located between the capacitors Cl, C2 and the stacked half-bridges 6a, 6b point.
  • the first capacitor C1 is connected in parallel with the upper and lower power terminals of the first half-bridge 6a
  • the second capacitor C2 is connected in parallel with the upper and lower power terminals of the second half-bridge 6b.
  • the capacitors C 1, C 2 have the same capacitance values
  • half of the intermediate circuit voltage UZK drops across each of the two capacitors C 1, C 2. Therefore, the AC voltage can be divided into five voltage levels with identical voltage differences around the midpoint M (M-UZK, M-UZK / 2, M,
  • M + UZK / 2, M + UZK are uniformly modulated. This is particular ⁇ DERS advantageous, since the power semiconductors are controlled uniformly by the uniform modeling of the AC voltage.
  • a DC voltage system is connected to the power converter circuit 10 via the inner circuit 7 such that a first terminal la is connected to the upper power terminal of the first half-bridge 6a and a second terminal lb is connected to the lower power terminal of the second half-bridge 6b.
  • the terminal lla, lb form a DC voltage bus 4.
  • the outer circuit 7 is on the
  • the intermediate circuit 2 with its capacitors Cl, C2 acts on the DC side as a filter.
  • an in ⁇ inductive impedance is required for this purpose, which is why the filter 5, which is designed for example as a low-pass filter, has an inductive ⁇ tive impedance.
  • the power semiconductors T1, T2, T3, T4 of the inner circuit 6 are provided for a modulation, preferably a Pulse Width Modu ⁇ lation, short PWM, the AC voltage UAC with a clock having a significantly higher frequency than the fundamental frequency fG.
  • a modulation preferably a Pulse Width Modu ⁇ lation, short PWM
  • the switching losses of the power semiconductors T 1, T 2, T 3, T 4 of the internal circuit 6 are dominant over the forward losses and therefore power semiconductors T 1, T 2, T 3, T 4 are selected for the internal circuit 6. which are opti ⁇ optimized with respect to low switching losses.
  • the circuit topology of the converter circuit 10 according to the invention makes it possible to use for the internal circuit 6 power semiconductors T1, T2, T3, T4, which have a dielectric strength which corresponds to half the intermediate circuit voltage UZK.
  • the power semiconductors T5, T6, T7, T8 of the external circuit are provided for clocking at a fundamental frequency fG, for example 50 Hz or 100 Hz. Since at this much slower switching frequency fG, with which power semiconductors T5, T6, T7, T8 of the external circuit 7 are reversed, the forward losses of the power semiconductors T5, T6, T7, T8 are dominant in comparison to the switching losses, power semiconductors T5, T6, T7, T8 are selected for the outer circuit 7, which are optimized for low forward losses. Due to the circuit topology, power semiconductors T5, T6, T7, T8 are used for the external circuit 7, which have a dielectric strength which corresponds to the entire intermediate circuit voltage UZK.
  • the current Judge circuit 10 can be operated as a rectifier and / or as an inverter.
  • phase voltage U3a at the first AC contact 3a shows a timing diagram of the phase voltage U3a at the first AC contact 3a with respect to the center M of the DC link 2 and the phase current I3a through the first AC contact 3a.
  • a time axis 17 is plotted, in the vertical direction is a voltage and current axis 18.
  • the phase voltage U3a at the first AC contact 3a is exemp ⁇ larisch modulated with a PWM frequency of 10 kHz and has the potentials -UZK / 2 , 0 V, UZK / 2, in which case the center M is at the ground potential, which corresponds to 0 V ⁇ .
  • the phase current I3a through the first AC voltage contact 3a has a fundamental frequency fG of 50 Hz.
  • phase voltage U3b on the second AC contact 3b is exemplarily modulated with a PWM frequency of 10 kHz and has, as in Figure 2, the potentials -UZK / 2, 0 V, UZK / 2, where ⁇ at the potentials of the phase voltage U3b, based on the potentials of the phase voltage U3a shown in FIG 4, run in opposite directions.
  • the phase current I3b by the second AC voltage contact 3b has a fundamental frequency fG of 50 Hz and likewise runs in opposite phase to 4 shown in FIG phases ⁇ current I3a.
  • FIG. 6 shows a timing diagram of the conductor-to-conductor voltage ULL, which is calculated from the difference of the phase voltages U3a and U3b.
  • a time axis 17 is plotted, in the vertical direction is a voltage axis 19.
  • the conductor-conductor voltage ULL is over five voltage levels with identical potentials (-UZK, -UZK / 2, 0, UZK / 2, UZK) evenly modulated, whereby the double switching frequency can be achieved.
  • FIG. 7 shows a time chart of the normalized voltage U6a of the first half-bridge 6a.
  • a time axis 17 is plotted in the vertical direction is a normalized voltage axis 20.
  • the NOR ⁇ -optimized voltage U6a the first half bridge 6a is duliert to better illustrate by way of example with a PWM frequency 2 kHz Mo, while the fundamental frequency fG at 50 Hz.
  • Voltage U6b of the second half-bridge 6b is, as in FIG. 7, for example, modulated with a PWM of frequency 2 kHz for better illustration, while the fundamental frequency fG is 50 Hz.
  • the normalized voltage U6b of the second half-bridge 6b is, compared to the normalized voltage U6a, the first one
  • Half-bridge 6a in terms of voltage is inverted and shifted in phase by a half Pe ⁇ Riode of the fundamental frequency fG.
  • FIG. 9 shows a time chart of the normalized voltage U7a of the third half-bridge 7a.
  • a time axis 17 is plotted in the vertical direction is a normalized voltage axis 20.
  • FIG. 11 shows a block diagram of an embodiment of an energy storage system 8.
  • the energy storage system has a converter circuit 10 according to the invention with egg ⁇ nem filter 5 and an energy storage 13.
  • a single-phase AC voltage source 14 is connected via AC voltage contacts 3a, 3b to the energy storage system 8 and charges the energy storage 13 with a
  • the energy storage can be a battery, which is realized for example in lithium-ion technology.
  • the single-phase AC voltage source 14 may ⁇ example, a generator or a mains connection to be with an alternating voltage of for example 50 Hz and 230 V.
  • the power converter circuit 10 In the La ⁇ dephase the power converter circuit 10 is operated as a rectifier.
  • a consumer 15 In the discharge phase 22, a consumer 15 is connected via the AC voltage contacts 3 a, 3 b to the energy storage ⁇ system 8 and removes power from the energy storage 13.
  • the consumer may be an electric motor or a network connection.
  • the invention relates to a power converter circuit 10 for single-phase systems with an inner circuit 6, an outer circuit 7 and a DC link 2.
  • the inner circuit 6 two stacked half bridges 6a, 6b and terminal contacts la, lb for connection to a DC voltage UDC has up
  • the outer circuit 7 has two to a full bridge 16 to ⁇ sammengeschalte half bridges 7a, 7b, the two ge ⁇ stacked half bridges 6a, 6b of the inner circuit 6 AC voltage terminals 6p, 6n, which are connected to the upper and lower power terminals of the outer circuit 7,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromrichter-Schaltung (10) für einphasige Systeme mit einer inneren Schaltung (6), einer äußeren Schaltung (7) und einem Zwischenkreis (2). Um die Effizienz bei geringerem Platzbedarf und geringeren Kosten zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die innere Schaltung (6) zwei gestapelte Halbbrücken (6a, 6b) und Anschlusskontakte (1a, 1b) zum Anschluss an eine Gleichspannung (UDC) aufweist, die äußere Schaltung (7) zwei zu einer Vollbrücke (16) zusammengeschaltete Halbbrücken (7a, 7b) aufweist, die zwei gestapelten Halbbrücken (6a, 6b) der inneren Schaltung (6) Wechselspannungsanschlüsse (6p, 6n) aufweisen, welche an den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der äußeren Schaltung (7) angeschlossen sind, die äußeren Schaltung (7) Wechselspannungskontakte (3a, 3b) zum Anschluss an eine Wechselspannung (UAC) aufweist und der Zwischenkreis (2), welcher eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren (C1, C2) aufweist, als geteilter Zwischenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mittelpunkts (M) einer Zwischenkreisspannung (UZK) am zwischen den Kondensatoren (C1, C2) und den gestapelten Halbbrücken (6a, 6b) befindlichen Punkt vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Hocheffizienter Stromrichter für einphasige Systeme Die Erfindung betrifft eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme mit einer inneren Schaltung, einer äußeren Schaltung und einem Zwischenkreis.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zusammen- Schaltung eines Gleichspannungssystems mit einem Wechselspan¬ nungssystem mit mindestens einer derartigen Stromrichter- Schaltung .
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem, welches mindestens eine derartige Stromrichter-Schaltung und mindestens einen Energiespeicher aufweist.
Eine derartige Stromrichter-Schaltung kommt beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Fahrzeugen für den
Schienenverkehr oder bei erneuerbaren Energien, beispielsweise bei Speicheranwendungen, für Leistungen im Kilowattbereich zum Einsatz .
Als Stromrichter wird hier eine Anordnung zur Umwandlung ei- ner elektrischen Stromart in eine andere bezeichnet. Ein der¬ artiger Stromrichter kommt bevorzugt bei der Zusammenschal¬ tung eines Gleichspannungssystems, beispielsweise mit einer Gleichspannung von 450 V, mit einem Wechselspannungssystem, beispielsweise mit einer Wechselspannung von 230 V, zum Ein- satz, wobei je nach Leistungsflussrichtung der Stromrichter als Wechselrichter oder als Gleichrichter betrieben wird. Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Gleich¬ spannung in Wechselspannung konvertiert. Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Wechselspannung in
Gleichspannung konvertiert. Der Stromrichter kann hier sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter verwendet werden. Ein einphasiges System weist einen Phasenleiter und ei- nen Nullleiter auf, wobei der Nullleiter bevorzugt geerdet ist .
Aus EP 2 136 465 AI ist ein Wechselrichter zur Einspeisung einer Leistung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere ei¬ nes Photovoltaikgenerators in ein Wechselspannungsnetz, mit einer asymmetrisch getakteten Brückenschaltung mit mindestens zwei mit Netzfrequenz getakteten ersten Schaltern und mit mindestens zwei mit einer höheren Taktfrequenz getakteten zweiten Schaltern bekannt.
In der noch nicht veröffentlichten PCT-Anmeldung
PCT/EP2014/077223 wird eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme vorgeschlagen, welche einen 3-Punkt-Strom- richter und einem 2-Punkt-Stromrichter aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichter- Schaltung für einphasige Systeme anzugeben, welche, im Vergleich zum Stand der Technik, eine höhere Effizienz bei ge- ringerem Platzbedarf und geringeren Kosten erreicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromrichter- Schaltung für einphasige Systeme mit einer inneren Schaltung, einer äußeren Schaltung und einem Zwischenkreis gelöst, wobei die innere Schaltung zwei gestapelte Halbbrücken und An¬ schlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung auf¬ weist, die äußere Schaltung zwei zu einer Vollbrücke zusam¬ mengeschaltete Halbbrücken aufweist, die zwei gestapelten Halbbrücken der inneren Schaltung Wechselspannungsanschlüsse aufweisen, welche an den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der äußeren Schaltung angeschlossen sind, die äußeren Schaltung Wechselspannungskontakte zum Anschluss an eine Wechselspannung aufweist und der Zwischenkreis, welcher eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren aufweist, als geteil- ter Zwischenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines
Mittelpunkts einer Zwischenkreisspannung am zwischen den Kondensatoren und den gestapelten Halbbrücken befindlichen Punkt vorgesehen ist. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems mit einem Wechselspan¬ nungssystem mit mindestens einer derartigen Stromrichter- Schaltung gelöst.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Energiespeichersystem, welches mindestens eine derartige Stromrichter-Schaltung und mindestens einen Energiespeicher aufweist, gelöst. Die Stromrichter-Schaltung, das Verfahren und das Energiespeichersystem der Erfindung kommen vorzugsweise bei Netzanwendungen, beispielsweise Photovoltaik und Storage-Anwendun- gen sowie in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Fahrzeugen für den Schienenverkehr zum Einsatz.
Durch die Verwendung von gestapelten Halbbrücken einer inneren Schaltung und einem geteilten Zwischenkreis wird die Wechselspannung über mehrere, beispielsweise fünf Spannungs¬ level, moduliert. Dies ist besonders vorteilhaft, da die pas- siven Bauelemente des benötigten wechselstromseitigen Filters durch die gestufte Wechselspannung kleiner werden, was zu einer Verringerung des Platzbedarfs führt. Weiterhin kann die Schaltung durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie bi¬ direktional, das heißt je nach Leistungsfluss als Gleichrich- ter und/oder als Wechselrichter, betrieben werden. Die beiden in Serie geschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises, an denen die Zwischenkreisspannung, beispielsweise 400 V, abfällt, können jeweils auch aus mehreren, beispielsweise in Serie oder parallel geschalteten Kondensatoren, bestehen, welche jeweils eine Gesamtkapazität aufweisen. Dies kann not¬ wendig sein wenn es keinen Kondensator gibt, der für den geforderten Strom und/oder die geforderte Spannung spezifiziert ist . Mit der Herstellung eines Mittelpunkts fällt an jeder der beiden Kondensatoren die halbe Zwischenkreisspannung ab. Daher kann die Wechselspannung über fünf Spannungslevel mit identischen Spannungsunterschieden um den Mittelpunkt M (M- UZK, M-UZK/2, M, M+UZK/2, M+UZK) gleichmäßig moduliert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da durch die gleichmäßi¬ ge Modellierung der Wechselspannung die Leistungshalbleiter gleichmäßig ausgesteuert werden, wodurch sich die Effizienz des Stromrichters erhöht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Kondensator parallel zu den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der ersten Halbbrücke geschaltet und der zweite Kondensator parallel zu den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der zweiten Halbbrücke geschaltet ist. Daher fungiert der geteil¬ te Zwischenkreis als kapazitiver Spannungsteiler und die Leistungshalbleiter der ersten und zweiten Halbbrücke werden definiert und optimal ausgesteuert.
In besonders vorteilhafter Weise weisen die Kondensatoren gleiche Kapazitätswerte auf. Der durch die Verwendung von gleichen Kapazitätswerten symmetrisch geteilte Zwischenkreis, teilt die Zwischenkreisspannung um den Mittelpunkt symmet- risch. Daher können in der ersten und zweiten Halbbrücke die gleichen Leistungshalbleiter verwendet werden, welche gleichmäßig und optimal ausgesteuert werden. Dies erhöht den Wir¬ kungsgrad der Stromrichter-Schaltung und reduziert die Komplexität .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die innere Schaltung und die eine äußere Schaltung derartig angepasste Leis¬ tungshalbleiter auf, dass die Leistungshalbleiter der inneren Schaltung für eine Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind und die Leistungshalbleiter der äußeren Schaltung für eine Taktung mit einer tieferen Grundfrequenz vorgesehen sind. Während die Modulationsfrequenz der Wechselspannung beispielsweise im Bereich von mehreren Kilohertz liegt, liegt die Grundfrequenz beispielsweise bei 50 Hertz. Da die Leis- tungshalbleiter für unterschiedliche Aufgaben bei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Stromrichter-Schaltung vorgesehen sind, erlaubt die angegebene Schaltungstopologie eine Verwendung von angepassten Leistungshalbleitern. Dies ist vorteilhaft, weil sich durch die Verwendung an die Aufga¬ be angepasster Leistungshalbleiter der Wirkungsgrad der
Stromrichter-Schaltung erhöht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die inneren Leistungshalbleiter der inneren Schaltung hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert und die Leistungshalbleiter der äu¬ ßeren Schaltung hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert. Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichba- ren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Leistungshalbleitern auftreten. Dabei spielen die
Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten und mit der verwendeten Schaltfrequenz ansteigen, sowie die Durchlassverluste, die im leitenden Zu- stand des Schalters auftreten, eine Rolle. Hersteller der zu diesen Zwecken eingesetzten Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Insulated-Gate Bipolar Transistors, kurz IGBTs, bieten Komponenten mit verschiedenen Eigenschaften an. Es werden Leistungshalbleiter angeboten, welche zur Erreichung geringer Schaltverluste optimiert sind aber auch höhere
Durchlassverluste aufweisen. Ebenso werden Leistungshalblei¬ ter angeboten, welche zur Erreichung geringer Durchlassverluste optimiert sind und dafür etwas höhere Schaltverluste aufweisen. Daher ist es zur Erreichung einer hohen Effizienz der Stromrichter-Schaltung vorteilhaft, schneller schaltende Leistungshalbleiter, wie die Leistungshalbleiter der inneren Schaltung, welche für die Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Schaltverluste zu optimieren, während es vorteilhaft ist, langsamer schaltende Leistungshalbleiter, wie die Leistungshalbleiter der äußeren Schaltung, welche für eine Taktung mit einer Grundfrequenz vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Durchlassverluste zu optimieren . Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Leistungshalbleiter der inneren Schaltung eine Spannungsfestigkeit auf, welche in etwa der halben Zwischenkreisspannung entspricht und die Leistungshalbleiter der äußeren Schaltung weisen eine Spannungsfestigkeit auf, welche in etwa der gan¬ zen Zwischenkreisspannung entspricht. Dies wird durch die Schaltungstopologie mit dem geteilten Zwischenkreis ermög¬ licht, welcher als ein kapazitiver Spannungsteiler wirkt und bei bevorzugt gleichen Kapazitätswerten die Zwischenkreis¬ spannung um den Mittelpunkt symmetrisch teilt. Bei gegebener Schaltfrequenz erzeugen Leistungshalbleiter, die eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen und daher zum Schalten höherer Spannungen geeignet sind, signifikant höhere Schaltverluste als Leistungshalbleiter, welche eine geringere Spannungsfes¬ tigkeit aufweisen. Die angegebene Schaltungstopologie erlaubt es, dass die Leistungshalbleiter der inneren Schaltung nur eine Spannungsfestigkeit aufweisen müssen, welche der halben Zwischenkreisspannung entspricht während die Leistungshalb- leiter der äußeren Schaltung eine Spannungsfestigkeit aufwei¬ sen müssen, welche der ganzen Zwischenkreisspannung entspricht. Da so die angepassten Leistungshalbleiter jeweils optimal eingesetzt werden, ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste Kondensator und die erste Halbbrücke als eine erste Kommutierungs¬ zelle ausgebildet und der zweite Kondensator und die zweite Halbbrücke als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet. Als Kommutierung bezeichnet man in der Leistungselektronik den Vorgang, bei dem ein Stromfluss von einem Zweig zum anderen übergeht. In der vorliegenden Ausführungsform findet die Kommutierung, beispielsweise im Betrieb als Wechselrichter, vom ersten Kondensator zur parallel dazu geschalteten ersten Halbbrücke und vom zweiten Kondensator zur parallel dazu ge¬ schalteten zweiten Halbbrücke statt. Die Ausbildung einer Kommutierungszelle ist vorteilhaft, da so ein sehr gutes Kom¬ mutierungsverhalten und Schaltverhalten erreicht wird, was die Effizienz der vorliegenden Schaltung erhöht.
In besonders vorteilhafter Weise werden die Leistungshalblei¬ ter der inneren Schaltung mit einer Pulsweiten-Modulation angesteuert und die Leistungshalbleiter der äußeren Schaltung mit einer tieferen Grundfrequenz umgepolt. Dies ist besonders vorteilhaft, da so für die jeweilige Aufgabe angepasste Leis¬ tungshalbleiter verwendet werden können, was zu einer hohen Effizienz der Stromrichter-Schaltung führt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wechselspannung über fünf Spannungslevel modelliert. Durch die über fünf Spannungslevel gestufte Wechselspannung werden die passiven Bauelemente des benötigten wechselstromseitigen Filters, beispielsweise Spulen und Kondensatoren, kleiner was zu einer Verringerung des Platzbedarfs und zu einer Senkung der Kosten führt .
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Energiespeichersystem zur Verwendung in einem Stromnetz oder in einem Elektroauto oder Hybridauto vorgesehen. Dies ist besonders vorteilhaft, da es die bidirektionale Schaltungstopologie die Stromrichter-Schaltung als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter, zu betreiben. Daher werden bei den genannten Anwendungen weniger Schaltungen benötigt, was zu einer Verbesserung der Kostenposition führt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .
Es zeigen:
FIG 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems mit einem ein¬ phasigen Wechselspannungssystem,
FIG 2 einen Schaltplan einer Stromrichter-Schaltung für
einphasige Systeme nach dem Stand der Technik,
FIG 3 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme,
FIG 4 ein Zeitablaufdiagramm der Phasenspannung am ersten
Wechselspannungskontakt bezogen auf den Mittelpunkt des Zwischenkreises und des Phasenstroms durch den ersten Wechselspannungskontakt,
FIG 5 ein Zeitablaufdiagramm der Phasenspannung am zweiten
Wechselspannungskontakt bezogen auf den Mittelpunkt des Zwischenkreises und des Phasenstroms durch den zweiten Wechselspannungskontakt,
FIG 6 ein Zeitablaufdiagramm der Leiter-Leiter-Spannung, FIG 7 ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung der ersten Halbbrücke,
FIG 8 ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung der zweiten Halbbrücke,
FIG 9 ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung der dritten Halbbrücke,
FIG 10 ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung der vierten Halbbrücke und
FIG 11 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energiespeichersystems .
FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Zusammen- Schaltung eines Gleichspannungssystems 1 mit einem einphasi¬ gen Wechselspannungssystem 3, welches einen Stromrichter 10 und ein Filter 5 aufweist. Das Gleichspannungssystem weist einen ersten Kontakt la und einen zweiten Kontakt lb auf. Das Wechselspannungssystem 3 weist vor dem Filter 5 einen ersten Wechselspannungskontakt 3a und einen zweiten Wechselspan¬ nungskontakt 3b auf. Je nach Leistungsflussrichtung wird die Stromrichter-Schaltung 10 als Wechselrichter oder als Gleichrichter betrieben. Ein Wechselrichter ist hierbei ein elektrisches Gerät, welches Gleichspannung in Wechselspannung kon- vertiert. Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, wel¬ ches Wechselspannung in Gleichspannung konvertiert. Ein einphasiges System weist einen Phasenleiter und einem Nullleiter auf, wobei der Nullleiter bevorzugt geerdet ist. Eine weitere Ausführungsform wäre ein sogenanntes Einphasen-Dreileiternetz oder auf Englisch „Split-Phase"- oder „Single-Phase Three-
Wire"-System, welches bevorzugt in den Vereinigen Staaten von Amerika für Einfamilien-Haushalte und Kleinbetriebe verwendet wird. Das Einphasen-Dreileiternetz basiert auf einem einpha- sigen System, wobei mit Hilfe eines Transformators, welcher bevorzugt sekundärseitig eine Mittelanzapfung für die neutra¬ le Phase aufweist, zwei gegenphasige Signale, das heißt mit 180° Phasenversatz, auf zwei Leitern generiert werden.
Betrachtet man die Leistungsflussrichtung vom Gleichspannungssystems 1 zum Wechselspannungssystem 3, so hat die als Wechselrichter betriebene Stromrichter-Schaltung 10 die Aufgabe die am Eingang des Wechselrichters anliegende Gleich- Spannung in eine Wechselspannung zu konvertieren. Der Wechselrichter arbeitet in einer bevorzugten Ausführung mit leistungselektronischen Schaltern, welche beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) aber auch als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Schaltthyristoren ausgeführt sein können, und erzeugt eine zeitlich veränderliche Spannung, bevorzugt mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation (PWM) . Mit dem Filter 5 wird das PWM- Signal zu einem Sinus-Signal geglättet. Bei der Betrachtung des Leistungsflusses in die Gegenrich¬ tung, also vom Wechselspannungssystem 3 zum Gleichspannungssystem 1, arbeitet die Stromrichter-Schaltung 10 als Gleichrichter . FIG 2 zeigt einen Schaltplan einer Stromrichter-Schaltung 9 für einphasige Systeme nach dem Stand der Technik, wobei die Stromrichter-Schaltung 9 über zwei Anschlusskontakte la, lb an ein Gleichspannungssystem 1 angeschlossen ist und über zwei Wechselspannungskontakte 3a, 3b und ein Filter 5, exemp- larisch ein Tiefpassfilter, an ein Wechselspannungssystem angeschlossen ist.
Die Stromrichter-Schaltung 9 umfasst eine Vollbrücke 16, wel¬ che zwei Halbbrücken 11, 12 mit Leistungshalbleitern TS1, TS2, TS3, TS4 aufweist, wobei die Leistungshalbleiter TS1, TS2, TS3, TS4 bevorzugt einen IGBT und eine Diode aufweisen und wobei die Diode des Leistungshalbleiters als Freilaufdio¬ de dem IGBT in Gegenrichtung parallelgeschaltet ist. Die Halbbrücken 11, 12 weisen neben den beiden an den Gates der IGBTs befindlichen Steueranschlüsse einen oberen, einen unteren und einen mittleren Leistungsanschluss auf. Der obere Leistungsanschluss befindet sich am Kollektor des oberen IGBTs, der untere Leistungsanschluss befindet sich am Emitter des unteren IGBTs. Der mittlere Leistungsanschluss wird im Folgenden auch als Wechselspannungsanschluss bezeichnet. Zwei IGBTs sind derartig zu einer Halbbrücke zusammenschaltet, dass der Emitter des oberen IGBTs mit dem Kollektor des unte- ren IGBTs über den mittleren Leistungsanschluss oder Wechselspannungsanschluss verbunden ist.
Die zwei Halbbrücken 11, 12 sind über ihre oberen und unteren Leistungsanschlüsse parallel zueinander zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet und parallel zu einem Zwischenkreiskonden- sator C, welcher einen Zwischenkreis 2 bildet, geschaltet. Der obere Leistungsanschluss der Vollbrücke 16 ist mit dem ersten Anschlusskontakt la des Gleichspannungssystems 1 ver¬ bunden und der untere Leistungsanschluss der Vollbrücke 16 ist mit dem zweiten Anschlusskontakt lb des Gleichspannungs¬ systems 1 verbunden. Die Wechselspannungskontakte der Voll¬ brücke 16 sind mit dem ersten Wechselspannungskontakt 3a und mit dem zweiten Wechselspannungskontakt 3b des Wechselspan¬ nungssystems 3 kontaktiert.
In FIG 3 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 10 für einphasige Systeme dargestellt, wobei die Stromrichter-Schaltung 10 eine innere Schaltung 6, eine äußere Schaltung 7 und einen Zwischenkreis 2 aufweist. Die äußere Schaltung 7 umfasst eine Vollbrücke 16, welche zwei Halbbrücken 7a, 7b mit Leistungshalbleitern T5, T6, T7, T8 aufweist. Die innere Schaltung 6 umfasst zwei gestapelte Halbbrücken 6a, 6b, welche Wechselspannungsanschlüsse (6p, 6n) aufweisen, die an den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der Vollbrücke 16 angeschlossen sind und somit die innere Schaltung 6 mit der äußeren Schaltung 7 verbinden. Der Zwischenkreis 2, welcher eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren Cl, C2 aufweist, ist als geteilter Zwi- schenkreis ausgeführt und zur Herstellung eines Mittelpunkts M einer Zwischenkreisspannung UZK am zwischen den Kondensatoren Cl, C2 und den gestapelten Halbbrücken 6a, 6b befindlichen Punkt vorgesehen. Dabei ist der erste Kondensator Cl pa- rallel zu den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der ersten Halbbrücke 6a geschaltet und der zweite Kondensator C2 ist parallel zu den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der zweiten Halbbrücke 6b geschaltet. Der erste Kondensator Cl und die erste Halbbrücke 6a sind als eine erste Kommutie- rungszelle Kl ausgebildet und der zweite Kondensator C2 und die zweite Halbbrücke 6b sind als eine zweite Kommutierungs¬ zelle K2 ausgebildet, wodurch sich parasitäre Effekte mini¬ mieren, welche hauptsächlich durch parasitäre Induktivitäten zwischen einem Kondensator Cl, C2 und der dazu parallel ge- schalteten Halbbrücke 6a, 6b verursacht werden. Für den Fall dass die Kondensatoren Cl, C2 gleich große Kapazitätswerte aufweisen, fällt an jedem der beiden Kondensatoren Cl, C2 die halbe Zwischenkreisspannung UZK ab. Daher kann die Wechselspannung über fünf Spannungslevel mit identischen Spannungs- unterschieden um den Mittelpunkt M (M-UZK, M-UZK/2, M,
M+UZK/2, M+UZK) gleichmäßig moduliert werden. Dies ist beson¬ ders vorteilhaft, da durch die gleichmäßige Modellierung der Wechselspannung die Leistungshalbleiter gleichmäßig ausgesteuert werden.
Ein Gleichspannungssystem ist mit der Stromrichter-Schaltung 10 über die innere Schaltung 7 derartig verbunden, dass ein erster Anschlusskontakt la mit dem oberen Leistungsanschluss der ersten Halbbrücke 6a verbunden ist und ein zweiter An- schlusskontakt lb mit dem unteren Leistungsanschluss der zweiten Halbbrücke 6b verbunden ist. Wenn mehrere derartige Stromrichter-Schaltungen 10 an das Gleichspannungssystem 1 angeschlossen werden bilden die Anschlusskontakt la, lb einen DC-Spannungsbus 4. Die äußeren Schaltung 7 ist über die
Wechselspannungskontakte 3a, 3b, welche mit den Wechselspan¬ nungsanschlüssen der Vollbrücke 16 verbunden sind, und über ein Filter 5 an ein Wechselspannungssystem abgeschlossen. Der Zwischenkreis 2 mit seinen Kondensatoren Cl, C2 wirkt auf der DC-Seite als Filter. Auf der AC-Seite wird hierfür eine in¬ duktive Impedanz benötigt, weswegen das Filter 5, welches beispielsweise als Tiefpassfilter ausgeführt ist, eine induk¬ tive Impedanz aufweist.
Die Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 der inneren Schaltung 6 sind für eine Modulation, vorzugsweise eine Pulsweitenmodu¬ lation, kurz PWM, der Wechselspannung UAC mit einem Takt vorgesehen, welcher eine signifikant höhere Frequenz aufweist als die Grundfrequenz fG. Bei dieser hohen Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz oder 16 kHz sind die Schaltverluste der Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 der inneren Schaltung 6, dominant gegenüber den Durchlassverlusten und daher werden Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 für die innere Schaltung 6 ausgewählt, welche hinsichtlich geringer Schaltverluste opti¬ miert sind. Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie der Stromrichter-Schaltung 10 erlaubt es für die innere Schaltung 6 Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 zu verwenden, welche eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die der halben Zwischen- kreisspannung UZK entspricht.
Die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der äußeren Schaltung sind für eine Taktung mit einer Grundfrequenz fG, beispielsweise 50 Hz oder 100 Hz, vorgesehen. Da bei dieser deutlich langsameren Schaltfrequenz fG, mit der Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der äußeren Schaltung 7 umgepolt werden, die Durchlassverluste der Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 im Vergleich zu den Schaltverlusten dominant sind, werden Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 für die äußere Schaltung 7 ausgewählt, welche hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind. Aufgrund der Schaltungstopologie werden für die äußere Schaltung 7 Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 verwendet, welche eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die der ganzen Zwischenkreisspannung UZK entspricht. Dies ist aber nicht von Nachteil, da die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der äußeren Schaltung 7 nicht schnell schalten müssen. Aufgrund der verwendeten Schaltungstopologie kann die die Strom- richter-Schaltung 10 als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben werden.
FIG 4 zeigt ein Zeitablaufdiagramm der Phasenspannung U3a am ersten Wechselspannungskontakt 3a bezogen auf den Mittelpunkt M des Zwischenkreises 2 und des Phasenstroms I3a durch den ersten Wechselspannungskontakt 3a. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befindet sich eine Spannungs- und Stromachse 18. Die Phasen- Spannung U3a am ersten Wechselspannungskontakt 3a ist exemp¬ larisch mit einer PWM der Frequenz 10 kHz moduliert und besitzt die Potentiale -UZK/2, 0 V, UZK/2, wobei in diesem Fall der Mittelpunkt M auf dem Masse-Potential liegt, was 0 V ent¬ spricht. Der Phasenstrom I3a durch den ersten Wechselspan- nungskontakt 3a weist eine Grundfrequenz fG von 50 Hz auf.
FIG 5 zeigt ein Zeitablaufdiagramm der Phasenspannung U3b am zweiten Wechselspannungskontakt 3b bezogen auf den Mittel¬ punkt M des Zwischenkreises 2 und des Phasenstroms I3b durch den zweiten Wechselspannungskontakt 3b. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befindet sich eine Spannungs- und Stromachse 18. Die Phasenspannung U3b am zweiten Wechselspannungskontakt 3b ist exemplarisch mit einer PWM der Frequenz 10 kHz moduliert und besitzt, wie in FIG 2, die Potentiale -UZK/2, 0 V, UZK/2, wo¬ bei die Potentiale der Phasenspannung U3b, bezogen auf die in FIG 4 gezeigte Potentiale der Phasenspannung U3a, gegenphasig verlaufen. Der Phasenstrom I3b durch den zweiten Wechselspannungskontakt 3b weist eine Grundfrequenz fG von 50 Hz auf und verläuft ebenfalls gegenphasig zum in FIG 4 gezeigten Phasen¬ strom I3a.
FIG 6 zeigt ein Zeitablaufdiagramm der Leiter-Leiter-Spannung ULL, welche sich aus der Differenz der Phasenspannungen U3a und U3b errechnet. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befindet sich eine Spannungsachse 19. Die Leiter-Leiter-Spannung ULL wird über fünf Spannungslevel mit identischen Potentialen ( -UZK, -UZK/2 , 0, UZK/2, UZK) gleichmäßig moduliert, wobei die doppelte Schaltfrequenz erreicht werden kann.
In FIG 7 ist ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung U6a der ersten Halbbrücke 6a gezeigt. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befindet sich eine normierte Spannungsachse 20. Die nor¬ mierte Spannung U6a der ersten Halbbrücke 6a ist zur besseren Darstellung exemplarisch mit einer PWM der Frequenz 2 kHz mo- duliert, während die Grundfrequenz fG bei 50 Hz liegt.
FIG 8 zeigt ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung U6b der zweiten Halbbrücke 6b. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befin- det sich eine normierte Spannungsachse 20. Die normierte
Spannung U6b der zweiten Halbbrücke 6b ist, wie in FIG 7, zur besseren Darstellung exemplarisch mit einer PWM der Frequenz 2 kHz moduliert, während die Grundfrequenz fG bei 50 Hz liegt. Die normierte Spannung U6b der zweiten Halbbrücke 6b ist, im Vergleich zur normierten Spannung U6a der ersten
Halbbrücke 6a spannungsmäßig invertiert und um eine halbe Pe¬ riode der Grundfrequenz fG phasenverschoben.
In FIG 9 ist ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung U7a der dritten Halbbrücke 7a gezeigt. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befindet sich eine normierte Spannungsachse 20. Die nor¬ mierte Spannung U7a der dritten Halbbrücke 7a wird mit der Grundfrequenz fG, welche exemplarisch bei 50 Hz liegt, umge- polt.
FIG 10 zeigt ein Zeitablaufdiagramm der normierten Spannung U7b der vierten Halbbrücke 7b. In horizontaler Richtung ist eine Zeitachse 17 aufgetragen, in vertikaler Richtung befin- det sich eine normierte Spannungsachse 20. Die normierte
Spannung U7b der vierten Halbbrücke 7b wird mit der Grundfre¬ quenz fG, welche exemplarisch bei 50 Hz liegt, gegenphasig zu der in FIG 9 gezeigten normierten Spannung U7a der dritten Halbbrücke 7a umgepolt.
In FIG 11 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energiespeichersystems 8 gezeigt. Das Energiespeichersystem weist eine erfindungsgemäße Stromrichter-Schaltung 10 mit ei¬ nem Filter 5 und einem Energiespeicher 13 auf. In der Ladephase 21 ist eine einphasige Wechselspannungsquelle 14 über Wechselspannungskontakte 3a, 3b an das Energiespeichersystem 8 angeschlossen und lädt den Energiespeicher 13 mit einer
Wechselspannung. Der Energiespeicher kann ein Akku sein, welcher beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie realisiert ist. Die einphasige Wechselspannungsquelle 14 kann beispiels¬ weise ein Generator oder ein Netzanschluss mit einer Wechsel- Spannung von beispielsweise 50 Hz und 230 V sein. In der La¬ dephase wird die Stromrichter-Schaltung 10 als Gleichrichter betrieben. In der Entladephase 22 ist ein Verbraucher 15 über die Wechselspannungskontakte 3a, 3b an das Energiespeicher¬ system 8 angeschlossen und entnimmt Leistung aus dem Energie- Speicher 13. Der Verbraucher kann ein Elektromotor oder aber ein Netzanschluss sein.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Stromrichter- Schaltung 10 für einphasige Systeme mit einer inneren Schal- tung 6, einer äußeren Schaltung 7 und einem Zwischenkreis 2. Um die Effizienz bei geringerem Platzbedarf und geringeren Kosten zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die innere Schaltung 6 zwei gestapelte Halbbrücken 6a, 6b und Anschlusskontakte la, lb zum Anschluss an eine Gleichspannung UDC auf- weist, die äußere Schaltung 7 zwei zu einer Vollbrücke 16 zu¬ sammengeschaltete Halbbrücken 7a, 7b aufweist, die zwei ge¬ stapelten Halbbrücken 6a, 6b der inneren Schaltung 6 Wechselspannungsanschlüsse 6p, 6n aufweisen, welche an den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der äußeren Schaltung 7 an- geschlossen sind, die äußeren Schaltung 7 Wechselspannungskontakte 3a, 3b zum Anschluss an eine Wechselspannung UAC aufweist und der Zwischenkreis 2, welcher eine Serienschal¬ tung von zwei Kondensatoren Cl, C2 aufweist, als geteilter Zwischenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mit¬ telpunkts M einer Zwischenkreisspannung UZK am zwischen den Kondensatoren Cl, C2 und den gestapelten Halbbrücken 6a, 6b befindlichen Punkt vorgesehen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichter-Schaltung (10) für einphasige Systeme aufwei¬ send eine innere Schaltung (6), eine äußere Schaltung (7) und einen Zwischenkreis (2), wobei
- die innere Schaltung (6) zwei gestapelte Halbbrücken (6a, 6b) und Anschlusskontakte (la,lb) zum Anschluss an eine Gleichspannung (UDC) aufweist,
- die äußere Schaltung (7) zwei zu einer Vollbrücke (16) zu- sammengeschaltete Halbbrücken (7a, 7b) aufweist,
- die zwei gestapelten Halbbrücken (6a, 6b) der inneren
Schaltung (6) Wechselspannungsanschlüsse (6p, 6n) aufwei¬ sen, welche an den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der äußeren Schaltung (7) angeschlossen sind,
- die äußeren Schaltung (7) Wechselspannungskontakte (3a, 3b) zum Anschluss an eine Wechselspannung (UAC) aufweist und
- der Zwischenkreis (2), welcher eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren (C1,C2) aufweist, als geteilter Zwi- schenkreis ausgeführt ist und zur Herstellung eines Mit¬ telpunkts (M) einer Zwischenkreisspannung (UZK) am zwischen den Kondensatoren (C1,C2) und den gestapelten Halbbrücken (6a, 6b) befindlichen Punkt vorgesehen ist.
2. Stromrichter-Schaltung (10) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Kondensator (Cl) parallel zu den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der ersten Halbbrücke (6a) geschaltet ist und der zweite Kon¬ densator (C2) parallel zu den oberen und unteren Leistungsanschlüssen der zweiten Halbbrücke (6b) geschaltet ist.
3. Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kondensatoren (C1,C2) gleiche Kapazitätswerte aufweisen.
4. Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innere Schaltung (6) und die eine äußere Schaltung (7) derar- tig angepasste Leistungshalbleiter (Tl, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8) aufweisen, dass die Leistungshalbleiter (Tl, T2, T3, T4) der inneren Schaltung (6) für eine Modulation der Wechselspannung im Kilohertz-Bereich vorgesehen sind und die Leistungshalb- leiter (T5, T6, T7, T8) der äußeren Schaltung (7) für eine Taktung mit einer Grundfrequenz (fG) im Hertz-Bereich vorgesehen sind .
5. Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die inneren Leistungshalbleiter (Tl, T2, T3, T4) der inneren Schaltung (6) hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind und die Leistungshalbleiter (T5, T6, T7, T8) der äußeren Schaltung (7) hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind.
6. Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis
5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungshalbleiter (Tl, T2, T3, T4) der inneren Schaltung (6) eine Spannungsfestigkeit aufweisen, welche in etwa der halben Zwischenkreisspannung (UZK) entspricht und die Leistungshalb¬ leiter (T5, T6, T7, T8) der äußeren Schaltung (7) eine Spannungsfestigkeit aufweisen, welche in etwa der ganzen Zwi¬ schenkreisspannung (UZK) entspricht.
7. Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis
6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Kondensator (Cl) und die erste Halbbrücke (6a) als eine erste Kommutierungszelle (Kl) ausgebildet sind und der zweite Kondensator (C2) und die zweite Halbbrücke (6b) als eine zweite Kommutierungszelle (K2) ausgebildet sind.
8. Verfahren zur Zusammenschaltung eines Gleichspannungssystems (1) mit einem Wechselspannungssystem (3) mit mindestens einer Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromrichter-Schaltung (10) als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungshalbleiter (T1,T2,T3, T4) der inneren Schaltung (6) mit einer Pulsweiten-Modulation im Kilohertz-Bereich angesteuert werden und die Leistungs- halbleiter (T5, 6, 7, 8) der äußeren Schaltung (7) mit einer Grundfrequenz (fG) im Hertz-Bereich umgepolt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wechsel- Spannung (UAC) über fünf Spannungslevel modelliert wird.
11. Energiespeichersystem (8), welches mindestens eine Stromrichter-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mindestens einen Energiespeicher (12) aufweist.
12. Energiespeichersystem (8) nach Anspruch 11, welches zur Verwendung in einem Stromnetz vorgesehen ist.
13. Energiespeichersystem (8) nach Anspruch 11, welches zur Verwendung in einem Elektroauto oder Hybridauto vorgesehen ist .
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