WO2009156021A1 - Spannungswandlerschaltung und wechselrichter - Google Patents

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WO2009156021A1
WO2009156021A1 PCT/EP2009/003305 EP2009003305W WO2009156021A1 WO 2009156021 A1 WO2009156021 A1 WO 2009156021A1 EP 2009003305 W EP2009003305 W EP 2009003305W WO 2009156021 A1 WO2009156021 A1 WO 2009156021A1
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    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade

Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter circuit for DC voltage according to the preamble of claim 1.
  • the present invention further relates to an inverter according to the preamble of claim 9.
  • DC voltage converter circuits also called DC / DC converters
  • DC / DC converters are used in a wide variety of applications. Such are e.g. Inverters for solar plants, switching power supplies, converters for motor and generator control as well as electric travel drives in motor vehicles or industrial trucks.
  • the object of the present invention is to provide a voltage converter circuit which is as simple as possible, and nevertheless energy-efficient, by means of which, e.g. increase the efficiency of feed-in converters.
  • the series connection of the input voltage and an adjustable voltage source allows only a differential voltage between input and output voltage in the actual voltage converter branch - referred to as adjustable voltage source fed from the input voltage - is generated. As a result, the power losses in the voltage converter circuit are reduced overall.
  • the differential voltage generated by voltage conversion is based on the input voltage.
  • the advantage of this concept is the voltage conversion in the power distribution so that depending on the input voltage and output voltage, only a portion of the total power is passed through a step-up or step-down converter and thereby the losses in the active components are reduced. As a result, a higher efficiency in the voltage conversion or voltage adjustment compared to conventional conversion concepts to achieve what leads to a variety of applications.
  • the described circuit concept can also be used in systems for the conversion of single-phase or polyphase AC voltages, if the AC voltage is rectified beforehand.
  • An inverter using the present invention is not only simpler in construction than the conventional inverter described above. It is at least as efficient at low input voltage - below the line peak voltage - as in the conventional inverter, when up-conversion takes place, all of the instantaneous converted power flows through the boost converter.
  • FIG. 1 shows a power-boosting boost converter according to a first
  • FIG. 2 shows a modification of the boost converter illustrated in FIG. 1 by providing a bypass path to the boost branch via a diode
  • FIG. 3 shows a modification of the boost converter shown in Figure 2 below
  • FIG. 4 shows a modification of the boost converter illustrated in FIG. 2 in which the boosting branch can be decoupled from the output using a further switch
  • Figure 5 shows a power dividing buck converter according to a second
  • FIG. 6 shows a modification of the buck converter illustrated in FIG.
  • FIG. 7 shows a modification of the buck converter illustrated in FIG. 6 in which the buck-jack branch can be decoupled from the output using a further switch
  • FIG. 8 shows an inverter with asymmetrical input according to a third embodiment of the present invention, which as
  • Input circuit has a boost converter according to Figure 2,
  • FIG. 9 shows an inverter with asymmetrical input according to a fourth embodiment of the present invention, which as
  • Input circuit has a boost converter according to Figure 4,
  • FIG. 10 shows a symmetrical input inverter according to a fifth exemplary embodiment of the present invention, which has two boost converters according to FIG. 2 in the input circuit, and
  • FIG. 11 shows an inverter with a symmetrical input according to a sixth embodiment of the present invention, which has two boost converter of Figure 4 in the input circuit.
  • Si, S 2 , S 3 designate switches as an active component, eg a
  • Ci, C 2 designate capacitors or electrical energy storage
  • Li Denote coils or inductive components U ...: denote voltages across the corresponding one
  • a power-splitting step-up converter for DC voltage is shown, which converts the input voltage UE into a variable output voltage U A.
  • Two capacitors Ci and C 2 are connected in series.
  • the input voltage UE is applied to Ci.
  • the output voltage UA is tapped off via the series connection of Ci and C 2 .
  • the positive potential of the input voltage is supplied to the common terminal of Ci and C 2 .
  • the other terminal of C 2 is connected via a coil L 1 and a diode D 1 in series also to the positive potential of the input voltage.
  • a switch Si is connected at the connection point between coil Li and diode Di. About the switch Si, the said connection point can be connected to ground.
  • the coil Li, the diode Di, the switch Si and the capacitor C 2 form a known boost converter, which, however, is supported instead of ground on the positive potential of the input voltage.
  • renewable energy production - e.g. in the photovoltaic - the input voltage regulated so that the maximum energy or power can be taken from the generating plant (maximum power point tracking).
  • This method can also be used in the invention described here by regulating the voltage UE accordingly.
  • the voltage UE is influenced by the power-split boost converter and the power output to a downstream inverter.
  • the boost converter is preferably controlled so that the desired power output can be achieved over the feed network
  • the switch S1 can be controlled so that the voltage across C2 is only slightly greater than 0 volts.
  • FIG. 1 A possible modification is shown in FIG. This modification improves the efficiency at a sufficiently high input voltage, that is, when UA is set equal to U E. If the switch S 1 is constantly open, no energy flows through the boost converter. Instead, a bypass path is available. On this flows the complete current through the diode D 2 , which can also be designed as an active switch S 2 as in the circuit of Figure 3. In particular, if the losses should be low, a Mosfet switch S 2 can be used instead of the diode D 2 .
  • the circuit concept according to FIG. 4 is used. If an inverter is connected downstream of the circuit according to FIG. 4, when feeding into an alternating current or three-phase network to reduce the power loss, the switchable elements S 2 and S 3 are respectively alternately controlled as follows: As long as the voltage caused by the phase angle instantaneous voltage of the AC or three-phase voltage is below the voltage of UE, the switch S 2 is closed, while S 3 is open, and the power is fed without raising in the appropriate network. There is, so to speak, a bypass operation.
  • the additional switch S3 prevents a rapid change between boost mode and bypass operation discharging the capacitor C 2 in periods in which the Hochsetzstellzweig Li, Di, Si, C 2 is bridged by the switch S 2 .
  • circuit topologies for power-dividing step-down converters for DC voltage are shown in FIGS. 5, 6 and 7.
  • the desired output voltage is formed as the sum of the voltages of the two capacitors C1 and C2 connected in series, ie the input voltage and another, adjustable voltage in the power dividing Tiefsetzstellem according to Figure 5, 6 and 7 , which in this case, however, is directed against the input voltage.
  • Two capacitors Ci and C 2 are connected in series.
  • the input voltage UE is applied to Ci.
  • the output voltage U A is tapped across the series circuit of Ci and C 2 .
  • the positive potential of the input voltage is supplied to the common terminal of Ci and C 2 .
  • the other terminal of C 2 is also connected in series via a diode Di and a coil Li to the positive potential of the input voltage.
  • the sequence of the coil L 1 and the diode Di and the forward direction of the diode Di are reversed compared to the boost converter of Figure 1. Via the "Si, the connection point between coil L and diode Di may be connected to ground.
  • the coil Li form, the diode Di, the switch Si and the capacitor C 2 a known step-down converter, which, however, instead of to ground at the positive potential of the input voltage is supported.
  • the voltage on the capacitor C 2 is generated via the step-down branch of coil Li, the switch Si, the diode Di, and the capacitor C 2, which together form an inverting step-down converter.
  • the voltage across the capacitor C 2 is opposite to the voltage across C 1 .
  • the switch Si is closed and a current is formed, which flows through the coil Li and switch Si. If the switch Si is opened again, then the current will continue to tilter across the diode Di until the current is zero and the tension is reversed.
  • the voltage Uc 2 is controlled so that the desired output voltage UA arises.
  • the circuits according to FIGS. 6 and 7 show modifications of the step-down converter according to FIG. 5.
  • the switch S2 additionally present in the circuit according to FIG. 6 permits the bridging of the step-down branch L 1 , Si, Di, C 2 .
  • the input voltage without conversion can be provided directly at the output terminal. At low input voltage so no fall
  • Downsetting branch Li, Si, Di, C 2 is active, and a bypass operation in which the enquiriesetzstellzweigs Li, Si, D 1 , C 2 is not active, to be changed.
  • step-up converters are used as part of an inverter or converter.
  • all of the voltage transformers shown in Figures 1 to 7 can be used as needed in inverters or converters. Possible applications are u.A. Inverters for DC sources with a large variation of the input voltage, e.g. Solar Inverters or regenerative electric drives with three-phase motors of industrial automation technology.
  • FIGS. 8 and 9 show circuit arrangements using the power branching step-up converter with diode D2 or active components S2 and S3 according to FIGS. 2 and 4 as input circuit 3 for an inverter 5.
  • the inverter 5 may be single-phase or multi-phase.
  • the invention described here is very versatile with simultaneous increase in efficiency.
  • FIG. 10 and FIG. 11 show symmetrically constructed inverters 9 with a likewise symmetrically designed input circuit 7 of power-split boost converters according to FIGS. 2 and 4.
  • the advantages of the inverter topologies with symmetrical input voltages are utilized. These can be executed both single-phase and multi-phase.
  • the step-up converter according to FIGS. 2 and 4 the step-up converter according to FIGS. 1 and 3 as well as step-down converter according to FIGS. 5 to 7 can be integrated into the input circuit of inverters, as shown in FIGS. 8 to 11.
  • Step-down converters can be provided instead of or in parallel with a step-up converter, depending on the purpose of the inverter.

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Abstract

Eine Spannungswandlerschaltung zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine vorgebbare Ausgangsgleichspannung besitzt einen Eingang und einen Ausgang sowie eine aus dem Eingang gespeiste verstellbare Spannungsquelle. Dabei ist der Ausgang so mit einer Reihenschaltung aus dem Eingang und aus der verstellbaren Spannungsquelle beschaltet, dass sich die am Eingang anliegende Spannung und die Spannung der verstellbaren Spannungsquelle addieren.

Description

Spannungswandlerschaltung und Wechselrichter
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungswandlerschaltung für Gleichspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die vorliegende Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Spannungswandlerschaltungen für Gleichspannung, auch DC/DC Wandler genannt, werden bei einer großen Vielfalt von Anwendungen eingesetzt. Solche sind z.B. Wechselrichter für Solaranlagen, Schaltnetzteile, Umrichter zur Motor- und Generatorsteuerung sowie elektrische Fahrantriebe in Kraftfahrzeugen oder Flurförderfahrzeugen.
Bei den heute überwiegend eingesetzten Konzepten zur Wandlung von insbesondere Gleichspannung wird die gesamte Leistung oder Energie über den Hoch- bzw. Tiefsetzsteller geführt. Der Nachteil dieses Konzeptes ist, dass die komplette Leistung über insbesondere die schaltenden Elemente geführt wird, was in diesen zu erhöhten Verlusten und damit zu geringeren Wirkungsgraden führt.
Gerade bei Photovoltaikwechselrichtern ist ein verbesserter Wirkungsgrad des Einspeisewechselrichters aufgrund der langen Betriebszeiten von großem Vorteil. Bei solchen Wechselrichtern wird fast immer ein DC/DC Wandler benötigt, um die je nach Wetter und Tageszeit stark schwankende Spannungsabgabe der Photovoltaikmodule an die benötigte Netzeinspeisespannung anzupassen.
In der DE 10 2006 010 694 A1 wird eine Wechselrichterschaltung mit integrierten DC/DC-Wandlem beschrieben. Der Wechselrichter ist symmetrisch aufgebaut. Ein Eingangszweig, welcher die Eingangsspannung führt, und ein weiterer Eingangszweig, welcher eine aufwärts gewandelte Spannung führt, sind parallel geschalten. Je nach momentan benötigter Einspeisespannung - d.h. unter Anderem abhängig vom momentanen Phasenwinkel des Netzes - wird je einer dieser Eingangszweige belastet. Die Wirkungsgraderhöhung wird dadurch erreicht, dass bei ausreichend hoher Spannung der Photovoltaikmodule keine Leistung über den DC/DC-Wandler fließt und dadurch ein hoher Wirkungsgrad im Nennleistungsbereich zu erreichen ist. Aber auch bei zu geringer Eingangsspannung (kleiner der Amplitude der Netzspannung) wird im Zeitmittel nur ein Teil der Leistung über den Hochsetzsteller geführt und damit auch bei kleineren Spannungen ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht. Der Nachteil dieses Konzeptes ist, dass relativ viele aktive Bauteile verwendet werden, was dazu führt, dass der Leistungsteil vergleichsweise teuer wird und kompliziert angesteuert werden muss.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine möglichst einfache und trotzdem energieeffiziente Spannungswandlerschaltung anzugeben, mit der sich z.B. der Wirkungsgrad von Einspeisewechselrichtern steigern lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Spannungswandlerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Die Reihenschaltung der Eingangsspannung und einer verstellbaren Spannungsquelle erlaubt es, dass nur eine Differenzspannung zwischen Eingangsund Ausgangsspannung im eigentlichen Spannungswandlerzweig - im Anspruch als verstellbare aus der Eingangsspannung gespeiste Spannungsquelle bezeichnet - erzeugt wird. Dadurch werden die Leistungsverluste in der Spannungswandlerschaltung insgesamt verringert. Die durch Spannungswandlung erzeugte Differenzspannung stützt sich dabei an der Eingangsspannung ab.
Der Vorteil dieses Konzeptes liegt bei der Spannungswandlung in der Leistungsaufteilung so dass je nach Eingangspannung und Ausgangsspannung nur ein Teil der gesamten Leistung über einen Hoch- bzw. Tiefsetzsteller geführt wird und dadurch die Verluste in den aktiven Bauteilen reduziert werden. Dadurch ist ein höherer Wirkungsgrad bei der Spannungswandlung bzw. Spannungsanpassung im Vergleich zu herkömmlichen Wandlungskonzepten zu erreichen, was zu einer Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten führt. Das beschriebene Schaltungskonzept kann auch in Systemen für die Wandlung von einphasigen oder mehrphasigen Wechselspannungen verwendet werden, wenn zuvor die Wechselspannung gleichgerichtet wird.
Ein Wechselrichter unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht nur einfacher aufgebaut als der eingangs beschriebene herkömmliche Wechselrichter. Er ist bei niedriger Eingangsspannung - unterhalb der Netzscheitelspannung - zumindest genauso effizient, da beim herkömmlichen Wechselrichter, wenn die Aufwärtswandlung erfolgt, die gesamte momentan gewandelte Leistung über den Hochsetzsteller fließt. Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen leistungsverzeigenden Hochsetzsteller gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 einen Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Hochsetzstellers durch Vorsehen eines Bypasspfades zum Hochsetzstellzweig über eine Diode,
Figur 3 eine Abwandlung des in Figur 2 dargestellten Hochsetzstellers unter
Verwendung eines Schalters anstelle der Diode,
Figur 4 eine Abwandlung des in Figur 2 dargestellten Hochsetzstellers bei der der Hochsetzstellzweig unter Verwendung eines weiteren Schalters vom Ausgang abgekoppelt werden kann,
Figur 5 einen leistungsverzeigenden Tiefsetzsteller gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 eine Abwandlung des in Figur 5 dargestellten Tiefsetzstellers durch
Vorsehen eines Bypasspfades zum Tiefsetzstellzweig über einen
Schalter,
Figur 7 eine Abwandlung des in Figur 6 dargestellten Tiefsetzstellers bei der der Tiefsetzstellzweig unter Verwendung eines weiteren Schalters vom Ausgang abgekoppelt werden kann,
Figur 8 einen Wechselrichter mit asymmetrischem Eingang gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher als
Eingangsschaltung einen Hochsetzsteller gemäß Figur 2 besitzt,
Figur 9 einen Wechselrichter mit asymmetrischem Eingang gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher als
Eingangsschaltung einen Hochsetzsteller gemäß Figur 4 besitzt,
Figur 10 einen Wechselrichter mit symmetrischem Eingang gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher in der Eingangsschaltung zwei Hochsetzsteller gemäß Figur 2 besitzt, und
Figur 11 einen Wechselrichter mit symmetrischem Eingang gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welcher in der Eingangsschaltung zwei Hochsetzsteller gemäß Figur 4 besitzt.
In den Figuren und in der nachfolgenden Beschreibung wurden folgende Bezugszeichen verwendet: Si, S2, S3: bezeichnen Schalter als aktives Bauelement, z.B. einen
Transistor, Thyristor, IGBT, Mosfet, etc. Di, D2: bezeichnen Dioden
Ci, C2: bezeichnen Kondensatoren bzw. elektrische Energiespeicher
Li: bezeichnen Spulen bzw. induktive Bauelemente U...: bezeichnen Spannungen über den entsprechenden
Bauelementen.
In Figur 1 ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für einen Spannungswandler ein leistungsverzweigender Hochsetzsteller für Gleichspannung abgebildet, der die Eingangsspannung UE ein eine variable Ausgangspannung UA wandelt.
Zwei Kondensatoren Ci und C2 sind in Reihe geschalten. Die Eingangsspannung UE liegt an Ci an. Die Ausgangsspannung UA wird über der Reihenschaltung von Ci und C2 abgegriffen. Das positive Potential der Eingangsspannung ist dem gemeinsamen Anschluss von Ci und C2 zugeführt. Der andere Anschluss von C2 ist über eine Spule L1 und eine Diode D1 in Reihe ebenfalls an das positive Potential der Eingangsspannung angeschlossen. Am Verbindungspunkt zwischen Spule Li und Diode Di ist ein Schalter Si angeschlossen. Über den Schalter Si kann der genannte Verbindungspunkt mit Masse beschaltet werden. Insgesamt bilden die Spule Li, die Diode Di, der Schalter Si und der Kondensator C2 einen an sich bekannten Hochsetzsteller, welcher sich jedoch anstatt an Masse am positiven Potential der Eingangsspannung abstützt. Dieser wandelt führt jedoch nicht für die gesamte am Ausgang entnommene Leistung eine Spannungswandlung durch sondern nur für den Anteil, der sich durch die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung ergibt. Die Schaltung aus Spule Li, die Diode Di, der Schalter Si und der Kondensator C2 wird nachfolgend auch als Hochsetzstellzweig bezeichnet.
Bei einer gewünschten Ausgangsspannung UA, die über der Eingangsspannung liegt, wird das Schalter Si durch eine nicht dargestellte Steuerschaltung so getaktet, dass die Spannungssumme der Kondensatoren Ci und C2 genau der Ausgangsspannung UA entspricht (UA = UCi + U02).
Wird der Schalter S1 geschlossen, dann baut sich ein Strom auf, der durch Ci und Li fließt und den Kondensator C1 geringfügig entlädt. Wird der Schalter geöffnet, fließt der Strom über die Diode Di weiter und der Kondensator C2 wird geladen.
Der Vorteil bei der Schaltung nach Figur 1 ist, dass je nach gewünschter Ausgangsspannung UA nur ein kleiner Teil der Energie - entsprechend dem
Verhältnis der Spannungsdifferenz UA-UE zur Ausgangsspannung UA - über den Hochsetzstellzweig L-i, Di, Si, C2 geführt wird, und daher bei dieser Variante sehr wenige Verluste anfallen. Sehr vorteilhaft ist diese Schaltung dann, wenn die Ausgangsspannung UA nur wenig über der Eingangsspannung UE liegt, da in diesem Fall sehr wenig Leistung bzw. wenig Energie über L1, D1, S1, C2 fließt. Außerdem können in einem solchen Fall die Bauteile L1, D1, S1, C2 entsprechend klein dimensioniert werden.
Um möglichst viel Energie zu erzeugen, wird in verschiedenen Anwendungen der regenerativen Energieerzeugung - z.B. bei der Photovoltaik - die Eingangsspannung so geregelt, dass der Erzeugungsanlage die maximale Energie bzw. Leistung entnommen werden kann (Maximum Power Point Tracking). Dieses Verfahren ist auch bei der hier beschriebenen Erfindung einsetzbar, indem die Spannung UE dementsprechend geregelt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Spannung UE von dem leistungsverzweigenden Hochsetzsteller und der Leistungsabgabe an einen nachgeschalteten Wechselrichter beeinflusst wird. Der Hochsetzsteller wird vorzugsweise so geregelt, dass die gewünschte Leistungsabgabe gegenüber dem Einspeisenetz erzielt werden kann
Ist die Eingangsspannung UE groß genug, dann kann der Schalter S1 so angesteuert werden, dass die Spannung über C2 nur geringfügig größer als 0 Volt ist.
Eine mögliche Abwandlung ist in Figur 2 dargestellt. Diese Abwandlung verbessert den Wirkungsgrad bei ausreichend hoher Eingangsspannung, also wenn UA gleich UE gesetzt ist. Ist der Schalter S1 ständig geöffnet, fließt keine Energie über den Hochsetzsteller. Stattdessen steht ein Bypasspfad zur Verfügung. Auf diesem fließt der komplette Strom durch die Diode D2, die auch als aktiver Schalter S2 wie in der Schaltung gemäß Figur 3 ausgeführt sein kann. Insbesondere wenn die Verluste gering sein sollten, kann an Stelle der Diode D2 ein Mosfet Schalter S2 eingesetzt werden.
Um den Leistungs- und Stromfluss über den Hochsetzstellzweig L1, D1, S-i, C2 noch weiter zu verringern, dient das Schaltungskonzept nach Figur 4. Wird der Schaltung nach Figur 4 ein Wechselrichter nachgeschaltet, so können bei einer Einspeisung in ein Wechsel- oder Drehstromnetz zur Reduzierung der Verlustleistung die schaltbaren Elemente S2 und S3 jeweils wechselweise wie folgt angesteuert werden: Solange der durch den Phasenwinkel bedingte Momentanspannungswert der Wechsel- oder Drehstromspannung unter der Spannung von UE liegt, wird der Schalter S2 geschlossen, während S3 offen ist, und die Leistung wird ohne Hochsetzen in das entsprechende Netz eingespeist. Es findet sozusagen ein Bypassbetrieb statt. Liegt der aktuelle Wert der Netzspannung über der von UE, dann wird der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S3 geschlossen. Nur in diesem Betriebszustand fließt Strom und ein dem Spannungsverhältnis (UA-UE)/UA entsprechender Teil der Leistung über den Hochsetzstellzweig L-i, D-i, Si, C2. Dies wird nachfolgend als Hochsetzbetrieb bezeichnet.
Der zusätzliche Schalter S3 verhindert bei raschem Wechsel zwischen Hochsetzbetrieb und Bypassbetrieb ein Entladen des Kondensators C2 in Zeitabschnitten, in denen der Hochsetzstellzweig Li, Di, Si, C2 durch den Schalter S2 überbrückt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren 5, 6 und 7 Schaltungstopologien für leistungsverzweigende Tiefsetzsteller für Gleichspannung dargestellt.
Ähnlich wie bei den leistungsverzweigenden Hochsetzstellern der Figuren 1 bis 4 wird bei den leistungsverzweigenden Tiefsetzstellem nach Figur 5, 6 und 7 die gewünschte Ausgangsspannung als Summe der Spannungen der zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren C1 und C2 gebildet, also der Eingangsspannung und einer weiteren, einstellbaren Spannung, welche in diesem Fall jedoch der Eingangsspannung entgegen gerichtet ist.
Zwei Kondensatoren Ci und C2 sind in Reihe geschalten. Die Eingangsspannung UE liegt an Ci an. Die Ausgangsspannung UA wird über der Reihenschaltung von Ci und C2 abgegriffen. Das positive Potential der Eingangsspannung ist dem gemeinsamen Anschluss von Ci und C2 zugeführt. Der andere Anschluss von C2 ist über eine Diode Di und eine Spule Li in Reihe ebenfalls an das positive Potential der Eingangsspannung angeschlossen. Die Reihenfolge der Spule L1 und der Diode Di sowie die Durchlassrichtung der Diode Di sind gegenüber dem Hochsetzsteller der Figur 1 vertauscht. Über den Schalter" Si kann der Verbindungspunkt zwischen Spule Li und Diode Di mit Masse beschaltet werden. Insgesamt bilden die Spule L-i, die Diode Di, der Schalter Si und der Kondensator C2 einen an sich bekannten Tiefsetzsteller, welcher sich jedoch anstatt an Masse am positiven Potential der Eingangsspannung abstützt.
Die Spannung des Kondensators Uc2 wird demnach so eingestellt das gilt: UA = Uci + Uc2. Die Spannung auf dem Kondensator C2 wird über den Tiefsetzstellzweig aus Spule Li, dem Schalter Si, der Diode Di, und dem Kondensator C2 welche zusammen einen invertierenden Tiefsetzsteller bilden, erzeugt. Durch die in Figur 5, 6 und 7 gezeigte Verschaltung der Bauteile ist die Spannung über dem Kondensator C2 der Spannung über Ci entgegengesetzt. Um den Kondensator C2 zu laden, wird der Schalter Si geschlossen und es baut sich ein Strom auf, der durch die Spule Li und Schalter Si fließt. Wird der Schalter Si wieder geöffnet, dann wird der Strom solange über die Diode Di weiterfliesen, bis der Strom Null wird und sich die Spannung umkehrt. Durch eine geeignete getaktete Ansteuerung von Si wird die Spannung Uc2 so geregelt, dass die gewünschte Ausgangsspannung UA entsteht.
Die Schaltungen gemäß Figur 6 und 7 zeigen Abwandlungen des Tiefsetzstellers gemäß Figur 5. Dabei erlaubt der in der Schaltung gemäß Figur 6 zusätzlich vorhandenen Schalter S2 die Überbrückung des Tiefsetzstellzweigs L1, Si, Di, C2.
Damit kann die Eingangsspannung ohne Wandlung direkt am Ausgangsanschluss bereitgestellt werden. Bei niedriger Eingangsspannung fallen also keine
Wandlungsverluste an. Weitere Vorteile bietet die Schaltung gemäß Figur 7. Der zusätzliche Schalter S3 entkoppelt den Tiefsetzstellzweig Li, Si, Di und C2 von dem
Ausgangsanschluss, so dass ein Entladen des Kondensators C2 vermieden wird, wenn der Tiefsetzstellzweig L-i, Si, Di, C2 über den Schalter S2 überbrückt wird. So kann mit hohem Wirkungsgrad häufig zwischen einem Tiefsetzbetrieb, in dem der
Tiefsetzstellzweigs Li, Si, Di, C2 aktiv ist, und einem Bypassbetrieb, in dem der Tiefsetzstellzweigs Li, Si, D1, C2 nicht aktiv ist, gewechselt werden.
Nachfolgend werden beispielhaft Anwendungen für die leistungsverzweigenden Hochsetzsteller gemäß den Figuren 2 und 4 beschrieben, bei denen solche Hochsetzsteller als Teil eines Wechselrichters bzw. Umrichters zum Einsatz kommen. Selbstverständlich können alle der in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Spannungswandler bei Bedarf in Wechselrichtern bzw. Umrichtern verwendet werden. Mögliche Anwendungen sind u.A. Einspeisewechselrichter für Gleichstromquellen mit großer Schwankungsbreite der Eingangsspannung, wie z.B. Solareinspeisewechselrichter oder rückspeisefähige elektrische Antriebe mit Drehstrommotoren der industriellen Automationstechnik.
Die Figuren 8 und Figur 9 zeigen Schaltungsanordnungen unter Verwendung des leistungsverzweigenden Hochsetzstellers mit Diode D2 oder aktivem Bauteilen S2 und S3 nach den Figuren 2 bzw. 4 als Eingangsschaltung 3 für einen Wechselrichter 5. Der Wechselrichter 5 kann ein oder mehrphasig ausgeführt sein. Für den abgebildeten Wechselrichter 5 sind alle bekannten Schaltungen denkbar. Daher ist die hier beschriebene Erfindung sehr vielseitig einsetzbar bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung.
Figur 10 und Figur 11 zeigen symmetrisch aufgebaute Wechselrichter 9 mit einer ebenfalls symmetrisch ausgelegten Eingangsschaltung 7 aus leistungsverzweigenden Hochsetzstellern gemäß den Figuren 2 bzw. 4. Bei dieser Anordnung werden die Vorteile der Wechselrichtertopologien mit symmetrischen Eingangsspannungen genutzt. Diese können sowohl ein- als auch mehrphasig ausgeführt sein. Wie gesagt können anstelle der Hochsetzsteller gemäß der Figuren 2 und 4 auch die Hochsetzsteller gemäß den Figuren 1 und 3 sowie Tiefsetzsteller gemäß den Figuren 5 bis 7 in die Eingangsschaltung von Wechselrichtern, - wie sie die Figuren 8 bis 11 zeigen - integriert werden. Tiefsetzsteller können je nach Einsatzzweck des Wechselrichter anstelle oder parallel zu einem Hochsetzsteller vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Spannungswandlerschaltung zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine vorgebbare Ausgangsgleichspannung mit einem Eingang und einem Ausgang, sowie mit einer aus dem Eingang gespeisten verstellbaren Spannungsquelle (L1, S-i, Di, C2), dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang so mit einer Reihenschaltung aus dem Eingang und der verstellbaren Spannungsquelle (L-i, S-i, Di, C2) beschaltet ist, dass sich die am Eingang anliegende Spannung und die Spannung der verstellbaren Spannungsquelle addieren.
2. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Spannungsquelle (Li, S-i, D-i, C2) einen getakteten elektronischen Spannungswandler umfasst.
3. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Spannungsquelle (Li, S-i, D-i, C2) einen nicht invertierenden Aufwärtswandler umfasst.
4. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Spannungsquelle (Li, S-i, D-i, C2) einen invertierenden Abwärtswandler umfasst.
5. Spannungswandlerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasspfad parallel zu der verstellbaren Spannungsquelle (Li, Si, Di, C2) vorgesehen ist.
6. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasspfad durch einen elektronischen Schalter (S2) sperrbar ist.
7. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiterer Schalter (S3) vorhanden ist, durch den die verstellbare Spannungsquelle (Li, Si, D1, C2) vom Ausgang bzw. vom Bypasspfad entkoppelbar ist.
8. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypasspfad eine Diode (D2) angeordnet ist, welche im Sinne der technischen Stromrichtung einen Stromfluss vom Eingang zum Ausgang zulässt.
9. Wechselrichter zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine
Ausgangswechselspannung, mit einer Eingangsschaltung (3; 7), der die Eingangsgleichspannung zugeführt ist und die eine vorgegebene
Arbeitsgleichspannung zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (3; 7) eine Spannungswandlerschaltung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8 aufweist.
10. Wechselrichter nach Anspruch 9, welcher eine symmetrische Architektur dergestalt aufweist, dass ein Neutralleiter und zwei gegenüber dem Neutralleiter gegensätzlich gepolte Gleichspannungszweige vorhanden sind, wobei jeder der zwei Gleichspannungszweige mit jeweils einer Spannungswandlerschaltung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8 beschaltet ist.
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