DE102010060957A1

DE102010060957A1 - Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers

Info

Publication number: DE102010060957A1
Application number: DE102010060957A
Authority: DE
Inventors: Jens-Uwe Müller; Torsten Leifert; Sebastian Heinze; Mario Willenberg
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06
Also published as: CN203691237U; US20130272032A1; WO2012072803A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit einer ersten Schaltbrücke (10) mit mindestens zwei ersten Schaltern (11, 12, 13, 14), einer zweiten Schaltbrücke (20) mit mindestens zwei zweiten Schaltern (21, 22, 23, 24), einem Übertrager (30) und mindestens einem Kondensator (41, 42), wobei die erste Schaltbrücke (10) über den Übertrager (30) mit der zweiten Schaltbrücke (20) verbunden ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Schalter (11–14) derart geschaltet werden, dass ein von dem Übertrager (30) und dem mindestens einen Kondensator (41, 42) gebildeter Schwingkreis resonant schwingt und die zweiten Schalter (21–24) mit gleicher Taktfrequenz phasenverschoben zu den ersten Schaltern (11–14) geschaltet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gleichspannungswandler mit einer Ansteuerschaltung für die ersten und zweiten Schalter, der zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, und eine Ersatzstromanlage mit einem derartigen Gleichspannungswandler.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit einer ersten Schaltbrücke mit mindestens zwei ersten Schaltern, einer zweiten Schaltbrücke mit mindestens zwei zweiten Schaltern, einem Übertrager, mindestens einem Kondensator und einer Ansteuerschaltung für die ersten und zweiten Schalter. Die Erfindung betrifft weiterhin einen zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Gleichspannungswandler und eine Ersatzstromanlage, die einen solchen Gleichspannungswandler aufweist.
Gleichspannungswandler, im Folgenden auch als DC(Direct Current)/DC-Wandler werden beispielsweise als Eingangsstufen eines Wechselrichters eingesetzt, zum Beispiel in einer Photovoltaikanlage, einem Brennstoffzellenheizsystem oder für batteriegespeiste Ersatzstromanlagen für ein lokales Energieversorgungsnetz. Für DC/DC-Wandler sind grundsätzlich verschiedenste Topologien und Betriebsverfahren bekannt. Zur Übertragung von größeren Leistungen, wie beispielsweise in den zuvor genannten Anwendungsfällen, sind DC/DC-Wandler der eingangs genannten Art besonders geeignet.
In vielen Einsatzfällen ist die Spannung einer den DC/DC-Wandler speisenden Stromquelle nicht konstant. Beispielsweise ändert sie sich bei einer Photovoltaikanlage, wenn einstrahlungs- und lastabhängig der Arbeitspunkt von Photovoltaikmodulen der Photovoltaikanlage variiert wird. Bei einer batteriegespeisten Ersatzstromanlage ist die Batteriespannung als Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers von der übertragenden Last und dem Ladezustand der Batterie abhängig. Ebenso variiert die Zellspannung einer Brennstoffzelle als Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers gerade im Niederlastbereich in einem besonderen Maße. In solchen Fällen ist es wünschenswert, am Ausgang des DC/DC-Wandlers eine möglichst konstante Spannung als Eingangspannung für eine dem DC/DC-Wandler nachgeschaltete Schaltung, beispielsweise eine Wechselrichterbrücke des Wechselrichters, bereitzustellen. Bei variierender Eingangsspannung setzt dieses ein variables Spannungsübersetzungsverhältnis des DC/DC-Wandlers voraus.
In einem weiteren Anwendungsfall werden Ersatzstromanlagen mit verschiedenen Stromquellen betrieben, wobei im Rahmen der Anmeldung unter dem Begriff Stromquellen sowohl Ladungsspeicher wie Kondensatoren, als auch Energiespeicher, in denen die Energie in nicht-elektrischer Form, beispielsweise in chemischer Form (wie bei Batterien oder Brennstoffzellen der Fall) gespeichert ist und bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt wird, als auch Generatoren wie z. B. Photovoltaikgeneratoren zu verstehen sind. Die Umwandlung in elektrische Energie kann dabei irreversibel oder reversibel sein.
Insbesondere bei einem Einsatz verschiedener Typen von Stromquellen innerhalb einer Ersatzstromanlage tritt eine oft große Spannungsvariation an einem Eingang eines einem Wechselrichter der Ersatzstromanlage vorgeschalteten DC/DC-Wandlers auf. Um sich auf diese Spannungsvariation einzustellen, muss der angeschlossene DC/DC-Wandler einen ebenso großen Variationsbereich des Spannungsübersetzungsverhältnisses aufweisen.
Aus der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 10 155 828.6 der Anmelderin ist bekannt, über eine Variation der Taktfrequenz, mit der die Schalter eines DC/DC-Wandlers angesteuert werden, sowie einem variablen Tastverhältnis (Einschaltzeit zu Ausschaltzeit eines Schalters innerhalb einer Taktperiode) das Spannungsübersetzungsverhältnis eines DC/DC-Wandlers zu variieren. Weiter ist aus dieser Anmeldung bekannt, mehrere DC/DC-Wandler mit unterschiedlichen Steuerparametern bezüglich Taktfrequenz und Tastverhältnis parallel einzusetzen. Auf diese Weise kann das Spannungsübersetzungsverhältnis um maximal einen Faktor 3 variiert werden. Die Ausgestaltung mit mehreren parallelen DC/DC-Wandlern bedingt jedoch die Verwendung zusätzlicher Bauelemente, insbesondere zusätzlicher Leistungshalbleiter als Schalter der DC/DC-Wandler.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen DC/DC-Wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem das Spannungsübersetzungsverhältnis ohne großen zusätzlichen Aufwand an Bauelementen bei einer effektiven Leistungsübertragung weiter variiert werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zur Durchführung des Betriebsverfahrens eingerichteten DC/DC-Wandler und eine Ersatzstromanlage auf der Basis eines derartigen DC/DC-Wandlers anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, einen DC/DC-Wandler und eine Ersatzstromanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines DC/DC-Wandler gelöst, wobei der DC/DC-Wandler eine erste Schaltbrücke mit mindestens zwei ersten Schaltern, eine zweite Schaltbrücke mit mindestens zwei zweiten Schaltern, einen Übertrager und mindestens einen Kondensator aufweist und wobei die erste Schaltbrücke über den Übertrager mit der zweiten Schaltbrücke verbunden ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Schalter derart geschaltet werden, dass ein von dem Übertrager und dem mindestens einen Kondensator gebildeter Schwingkreis resonant schwingt und die zweiten Schalter mit gleicher Taktfrequenz phasenverschoben zu den ersten Schaltern geschaltet werden.
Die Phasenverschiebung resultiert in Zeitabschnitten, in denen ein erster Schalter und ein zweiter Schalter gleichzeitig geschlossen sind, was einen zusätzlichen Stromfluss im Übertrager zur Folge hat. Dieser Stromfluss führt zu einer Energiedeposition in Streuinduktivitäten des Übertragers. Deren Selbstinduktionsspannung führt wiederum zu einer erhöhten Spannung an der Sekundärseite des Übertragers. Als Folge steigt die Ausgangsspannung gegenüber einem Fall ohne Phasenverschiebung an, was eine Vergrößerung des Spannungsübersetzungsverhältnisses erlaubt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die ersten und zweiten Schalter spannungslos und/oder stromlos eingeschaltet, was zu einem hohen Wirkungsgrad bei der Gleichspannungswandlung führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das phasenverschobene Schalten der zweiten Schalter mit einer Phasenverschiebung von größer als 0° und kleiner als 180°, insbesondere kleiner 90°. Dieses ermöglicht eine besonders große Variation der Ausgangsspannung, was eine große Variation des Spannungsübersetzungsverhältnisses gleichkommt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen DC/DC-Wandler mit einer ersten Schaltbrücke mit mindestens zwei ersten Schaltern, einer zweiten Schaltbrücke mit mindestens zwei zweiten Schaltern, einem Übertrager mit mindestens einer Spule, mindestens einem Kondensator und einer Ansteuerschaltung für die ersten und zweiten Schalter. Der DC/DC-Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass er dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem zuvor genannten ersten Aspekt auszuführen.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Ersatzstromanlage, die mindestens zwei unterschiedliche Stromquellen und einen DC/DC-Wandler gemäß dem zuvor genannten zweiten Aspekt aufweist.
Die Vorteile des zweiten und dritten Aspekts entsprechen denen des ersten Aspekts.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von sechs Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild,
2 Zeitverläufe von Ansteuersignalen und innerhalb eines DC/DC-Wandlers fließenden Strömen in einem ersten Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens für einen DC/DC-Wandlers,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem schematischen Schaltbild,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem schematischen Schaltbild,
5 Zeitverläufe von Ansteuersignalen und innerhalb eines DC/DC-Wandlers fließenden Strömen in einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens für einen Gleichspannungswandler und
6 ein Blockschaltbild einer Ersatzstromanlage mit verschiedenen Stromquellen und einem DC/DC-Wandler.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild. Der DC/DC-Wandler weist eine erste Schaltbrücke 10 und eine zweite Schaltbrücke 20 auf, die über einen Übertrager 30 miteinander verbunden sind. Beispielhaft wird die an der ersten Schaltbrücke 10 anliegende Spannung als Eingangsspannung U_ein bezeichnet und die von der zweiten Schaltbrücke 20 bereit gestellte Spannung als Ausgangsspannung U_aus bezeichnet. Wie im Folgenden näher erläutert wird, sind beide Schaltbrücken 10, 20 mit aktiven Schaltelementen ausgestattet, so dass der dargestellte DC/DC-Wandler bidirektional betrieben werden kann. Insofern ist die Zuordnung von Eingangs- und Ausgangsspannungen zu den Schaltbrücken 10, 20 und die damit verbundene Einteilung in eine Eingangs- und eine Ausgangsstufe nur beispielhaft und nicht einschränkend. In diesem Sinne wird zur einfacheren Darstellung im Folgenden die erste Schaltbrücke 10 auch als Primärschaltbrücke 10 und die zweite Schaltbrücke 20 auch als Sekundärschaltbrücke 20 bezeichnet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Primärschaltbrücke 10 als sogenannte Voll- oder H-Brücke mit zwei Brückenzweigen mit jeweils zwei ersten Schaltern 11, 12 bzw. 13, 14 ausgebildet. Der einfacheren Zuordnung halber werden die ersten Schalter 11–14 nachfolgend auch als Primärschalter 11–14 bezeichnet. Symbolisch sind in allen Figuren der Anmeldung bei den Schaltbrücken einfache Schaltersymbole eingezeichnet. Es versteht sich jedoch, dass alle dargestellten Schalter der Schaltbrücken ansteuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter sind. Bekannt ist eine Verwendung von MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)- oder bipolar Transistoren, im letzteren Fall insbesondere IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Zu jedem der ersten Schalter 11 bis 14 ist eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode 11' bis 14' vorgesehen. Bei einigen Typen von Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere bei MOSFETs, ist die Freilaufdiode 11' bis 14' bereits integriert in Schalter 11 bis 14 enthalten.
Die Sekundärschaltbrücke 20 ist als Halb- oder Einfachbrücke mit nur einem aktiven Brückenzweig ausgestaltet und weist entsprechend zwei zweite Schalter 21, 22 auf, die nachfolgend auch als Sekundärschalter 21, 22 bezeichnet werden. Für die Sekundärschalter 21, 22 ist jeweils wiederum eine antiparallele Freilaufdiode 21' und 22' vorgesehen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann auch die Sekundärschaltbrücke 20 durch eine Vollbrücke mit zwei aktiven Brückenzweigen gebildet sein. In dem Fall kann der DC/DC-Wandler auch unidirektional ausgelegt sein. Bei einer solchen Ausgestaltung weist jeder Brückenzweig nur einen aktiven Sekundärschalter auf, vorzugsweise ist das der untere Schalter, wohingegen der jeweils andere Sekundärschalter als passiver Schalter, beispielsweise als Dioden ausgeführt ist. Es wird entsprechend nur je eine Hälfte der beiden Brückenzweige getaktet. Der Übertrager 30 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel galvanisch trennend als Hochfrequenztransformator mit einer ersten Wicklung 31 und einer zweiten Wicklung 32 ausgeführt, die wiederum ohne Festlegung auf eine Richtung der Leistungsübertragung auch als Primärwicklung 31 und Sekundärwicklung 32 bezeichnet werden. Der Übertrager 30 kann ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 haben oder auch spannungstransformierend ausgebildet sein. Auf die Variation des Spannungsübersetzungsverhältnisses des DC/DC-Wandlers hat das feste Übersetzungsverhältnis keinen Einfluss.
Es ist alternativ ebenso möglich, den Übertrager 30 nicht galvanisch trennend auszuführen. Anstatt eines Transformators weist der Übertrager 30 dann beispielsweise zwei Strompfade zwischen jeweils einem der Brückenzweige der Primärschaltbrücke 10 und der Sekundärschaltbrücke 20 auf, sowie eine Anordnung aus zwei Induktivitäten, wobei die eine Induktivität in einem der Strompfade angeordnet ist, während die andere Induktivität zwischen den beiden die Brücken verbindenden Strompfaden liegt. Wenn im Folgenden auf eine galvanisch trennende Ausführung des Übertragers 30 Bezug genommen wird, ist das lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.
Jeder Brückenzweig weist einen Mittelabgriff zwischen seinen beiden in Reihe geschalteten Primär- bzw. Sekundärschaltern 11, 12 oder 13, 14 bzw. 21, 22 auf. Die Mittelabgriffe der beiden Brückenzweige der Primärschaltbrücke 10 sind auf die Primärwicklung 31 des Übertragers 30 geführt. Die Sekundärwicklung 32 ist zum einen am Mittelabgriff der Halbbrücke der Sekundärschaltbrücke 20 angeschlossen und zum anderen an einem Mittelabgriff eines aus einer Reihenschaltung von zwei Kondensatoren 41 und 42 gebildeten passiven Brückenzweigs, der parallel zu dem aus den Sekundärschaltern 21 und 22 gebildeten Brückenzweig der Sekundärbrücke 20 angeordnet ist.
In der 1 sind bei dem Übertrager 30 eine Hauptinduktivität 33 sowie eine primärseitige und eine sekundärseitige Streuinduktivität 34 und 35 in Art eines Ersatzschaltbildes mit eingezeichnet. Die Hauptinduktivität 33 bildet dabei mit den Kondensatoren 41, 42 einen Schwingkreis, der eine Resonanzfrequenz des DC/DC-Wandlers festlegt.
2 illustriert anhand von Spannungsverläufen von Ansteuersignalen von Schaltern eines DC/DC-Wandlers und von innerhalb des DC/DC-Wandlers fließenden Strömen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens für einen DC/DC-Wandler. Das in 2 dargestellte Betriebsverfahren kann beispielsweise von dem in 1 wiedergegebenen DC/DC-Wandler ausgeführt werden. Es wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf 1 erläutert.
Im oberen Teil der 2 sind in vier Diagrammen die Spannungsverläufen von Ansteuersignalen der Primärschalter 12 und 14 und der Sekundärschalter 21, 22 in Abhängigkeit einer Zeit t wiedergegeben. Zugunsten der Verständlichkeit werden die Ansteuersignale der oberen Schalter 11 und 13 nicht explizit diskutiert. Die Ansteuersignale sind beispielsweise für die Primärschalter 11 und 14 bzw. 12 und 13 gleich, wenn die Primärschaltbrücke 10 kreuzweise synchron betrieben wird.
Die Zeitachse ist in 2 für alle Diagramme gleich. Die entsprechenden Ansteuersignale sind daher in jeweils einem Diagramm zusammengefasst (vgl. 1. und 4. Diagramm von oben). Bei den Ansteuersignalen kennzeichnet jeweils eine „1” einen eingeschalteten Schalter und eine „0” einen ausgeschalteten Schalter.
Die beiden Schalter eines Brückenzweigs werden jeweils abwechselnd ein- bzw. ausgeschaltet, wobei jeder der Schalter eines Brückenzweigs innerhalb einer Taktperiode t0 gleichlang ein- bzw. ausgeschaltet ist. Dabei ist eine kurze Totzeit τ zwischen dem Öffnen eines der Schalter eines Zweigs, z. B. des Primärschalters 11, und dem Schließen des anderen Schalters des gleichen Brückenzweigs, also z. B. des Primärschalters 12, vorgesehen. Auf diese Weise wird auch bei dem Vorliegen einer (Aus-)Schaltverzögerung sichergestellt, dass nicht beide Schalter eines Brückenzweigs gleichzeitig leitend sind und die Eingangsstromquelle kurzschließen.
Analog kann eine entsprechende Totzeit auch für die Schaltvorgänge in der Sekundärbrücke vorgesehen sein, wobei sich die Totzeiten in beiden Brücken auch unterscheiden können. Als Taktverhältnis ist das Verhältnis der Einschaltdauer zur Ausschaltdauer eines Schalters innerhalb der Taktperiode t₀ definiert. Vorliegend ist das Taktverhältnis aufgrund der Totzeit für alle Schalter etwas kleiner als eins.
Die Ansteuersignale der Primärschalter und der Sekundärschalter zeigen grundsätzlich den gleichen Verlauf, weisen zueinander jedoch eine Phasenverschiebung auf. Im dargestellten Fall eilt das Ansteuersignal des Sekundärschalters 21 dem des Primärschalters 14 und das Ansteuersignal des Sekundärschalters 22 dem des Primärschalters 12 um eine Zeitdifferenz Δt voraus, die im Beispiel einer Phasenverschiebung von etwa 30° entspricht. Dabei werden alle Schalter, d. h. die Primärschalter 11–14 ebenso wie die Sekundärschalter 21, 22 weich geschaltet, wodurch ein guter Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers erreicht wird.
Der Effekt dieser Phasenverschiebung wird anhand der im unteren Bereich der 2 gezeigten Stromverläufe deutlich. In den vier Diagrammen im unteren Bereich der 2 sind zeitabhängig auf der gleichen Zeitskala wie im oberen Bereich der Stromfluss I₃₁ durch die Primärspule 31, die Stromflüsse I₁₁ und I₁₂ durch die Primärschalter 11 und 12 und der Last-Stromfluss I_ein an den Eingangsklemmen der Primärschaltbrücke 10 dargestellt. Die zuvor beschriebene Phasenverschiebung resultiert in einem zusätzlichen Stromfluss durch die Primärspule 31 in den Zeitabschnitten, in denen der Primärschalter 12 und der Sekundärschalter 21 gleichzeitig geschlossen sind. Dieser Stromfluss führt zu einer Energiedeposition in der primären Streuinduktivität 34 und der sekundären Streuinduktivität 35. Deren Selbstinduktionsspannung führt wiederum zu einer erhöhten Spannung an der Sekundärseite des Übertragers 30.
Als Folge steigt die Ausgangsspannung U_aus gegenüber einem Fall ohne Phasenverschiebung zwischen den Schaltern der Primärschaltbrücke 10 und der Sekundärschaltbrücke 20 an. Durch Variation des Winkels der Phasenverschiebung zwischen 0° und 180° kann die Größe der Spannungserhöhung beeinflusst werden und so das Spannungsübersetzungsverhältnis variiert werden. Für eine effektive Energieübertragung sind Phasenverschiebungswerte kleiner als 90° vorteilhaft.
Bei ausgangsseitiger Belastung des DC/DC-Wandlers ergibt sich allerdings aufgrund der Parallelschaltung der Hauptinduktivität 33 des Übertragers 30 zu einer Reihenschaltung aus der Streuinduktivität 35, den Kondensatoren 41, 42 und einem Lastwiderstand eine inhärente Phasenverschiebung zwischen den primärseitigen und den sekundärseitigen Strömen bei dem Übertrager 30. Diese inhärente Phasenverschiebung sollte bei der Anwendung des beschriebenen Verfahrens vorteilhaft mitberücksichtigt werden. Die Zeitdifferenz Δt ist folglich nicht auf die Schaltzeit der Primärschalter zu beziehen, sondern auf den Zeitpunkt, bei dem keine Spannung an den Sekundärschaltern 21, 22 anliegen würde, wenn diese nicht aktiv geschaltet werden würden. Eine entsprechende Korrektur der anzuwendenden Zeitdifferenz Δt kann bei bekannten Größen der Induktivitäten 33–35 des Übertragers 30 und der Kapazitäten der Kondensatoren 41, 42 und bei bekannter, z. B. gemessener Last rechnerisch erfolgen. Alternativ kann über einen Stromsensor eine Stromnulldurchgangserkennung in der Sekundärbrücke 20 erfolgen, z. B. an einem sekundärseitigen Ausgang des Übertragers 30, oder dieser Zeitpunkt kann über eine Erfassung der über den zu steuernden Schalter abfallenden Spannung bestimmt werden. Der Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs entspricht auch im belasteten Fall dem relevanten Zeitpunkt, ab dem die Zeitdifferenz Δt anzuwenden ist. Als weitere alternative oder zusätzliche Maßnahme kann die Zeitdifferenz Δt und damit die Phasenverschiebung auch als Stellparameter einer Regelung der Ausgangsspannung U_aus eingestellt werden. Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung U_aus von der Phasenverschiebung ist jedoch nicht linear, was bei einer Regelung vorteilhafterweise berücksichtigt wird.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiels eines DC/DC-Wandlers. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesem wie in den folgenden Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in dem Ausführungsbeispiel der 1.
Der in 3 dargestellte DC/DC-Wandler weist wiederum eine erste Schaltbrücke 10 und eine zweite Schaltbrücke 20 auf, die über einen Übertrager 30 miteinander verbunden sind. Wie zuvor wird beispielhaft die erste Schaltbrücke 10 als Primärschaltbrücke 10 und die zweite Schaltbrücke 20 als Sekundärschaltbrücke 20 bezeichnet. Bezüglich der Ausgestaltung der Primärschaltbrücke 10 und des Übertragers 30 wird auf das erste Ausführungsbeispiel gemäß 1 verwiesen.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Sekundärschaltbrücke 20 neben einem ersten aktiven Halbbrückenzweig, gebildet aus zwei Sekundärschaltern 21 und 22 und einem passiven Brückenzweig, aufweisend Kondensatoren 41 und 42, einen weiteren aktiven Halbbrückenzweig auf. Der weitere aktive Halbbrückenzweig wird durch zwei weitere Sekundärschalter 23 und 24 gebildet. Die weiteren Sekundärschalter 23 und 24 sind ebenfalls mit antiparallelen Freilaufdioden 23' und 24' ergänzt.
Der Mittelabgriff des aus den Sekundärschaltern 21 und 22 gebildeten aktiven Brückenzweigs ist mit einem Anschluss der Sekundärwicklung 32 des Übertragers 30 verbunden, wohingegen der zweite Anschluss der Sekundärwicklung 32 über einen Umschalter 51 entweder mit dem Mittelabgriff des passiven Brückenzweigs verbunden werden kann oder über einen weiteren Kondensator 43 mit einem Mittelabgriff des zweiten aktiven, aus den Sekundärschaltern 23 und 24 gebildeten Brückenzweigs, verbunden werden kann. Der Umschalter 51 kann ein elektromechanischer Umschalter, zum Beispiel ein Relais, sein, oder durch eine bidirektionale Halbleiterschalteranordnung gebildet sein.
Der Umschalter 51 ermöglicht es, die Sekundärschaltbrücke 20 in zwei verschiedenen Betriebsarten zu betreiben, bei denen sich die Ausgangsspannung U_aus bei ansonsten gleicher Eingangsspannung U_ein und gleichen Betriebsbedingungen um einen Faktor 2 unterscheidet.
In der ersten Betriebsart ist die Sekundärwicklung 32 mit dem passiven Brückenzweig verbunden. Dieses entspricht genau der im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 1 und dem Betriebsverfahren der 2 beschriebenen Betriebsart.
In der zweiten Betriebsart wird dagegen über den Umschalter 51 die Sekundärwicklung 32 mit der aus den zweiten Schaltern 23 und 24 gebildeten aktiven Halbbrücke verbunden. Dabei wird der weitere Sekundärschalter 24 synchron zum Sekundärschalter 21 und der zweite weiter Sekundärschalter 23 synchron zum Sekundärschalter 22 geschaltet. Die beiden sekundärseitigen aktiven Brückenzweige bilden dementsprechend eine Voll- oder H-Brücke, wobei der weitere Kondensator 43 als Resonanzkondensator des DC/DC-Wandlers fungiert. Am Ausgang stellt sich in dieser zweiten Betriebsart die halbe Ausgangsspannung U_aus verglichen mit der ersten Betriebsart ein. Anders ausgedrückt wird durch den Umschalter 51 die durch den passiven Brückenzweig mit den Kondensatoren gebildete Spannungsverdopplerschaltung entweder hinzu- oder weggeschaltet In jeder der beiden Betriebsarten steht die im Zusammenhang mit der 2 beschriebene Variationsmöglichkeit des Übersetzungsverhältnisses des DC/DC-Wandlers durch Einführen einer Phasenverschiebung zwischen den Primärschaltern 11 bis 14 der Primärschaltbrücke 10 und den Sekundärschaltern 21 bis 24 der Sekundärschaltbrücke 20 zur Verfügung. Die Kombination von Phasenverschiebung und Umschaltung über den Umschalter 51 streckt somit den Spannungsübersetzungsbereich des DC/DC-Wandlers weiter.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers, wiederum aufweisend eine erste Schaltbrücke 10, auch Primärschaltbrücke 10 genannt, eine zweite Schaltbrücke 20, auch Sekundärschaltbrücke 20 genannt, und einen Übertrager 30. Bezüglich der Ausgestaltung der Primärschaltbrücke 10 und des Übertragers 30 wird auf die vorherigen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Sekundärschaltbrücke 20 weist wiederum einen ersten Halbbrückenzweig mit zwei zweiten Schaltern (Sekundärschaltern) 21, 22 und entsprechenden antiparallelen Freilaufdioden 21' und 22' auf, deren Mittelabgriff mit einem Anschluss der Sekundärwicklung 32 des Übertragers 30 verbunden ist. Daneben ist bei der Sekundärschaltbrücke 20 ein zweiter Brückenzweig vorgesehen, der aus einer Reihenschaltung von einem dritten Sekundärschalter 23, zwei Kondensatoren 41, 42 und einem vierten Sekundärschalter 24 gebildet ist. Die Sekundärschalter 23 und 24 sind jeweils wieder um eine antiparallele Freilaufdiode 23' und 24' ergänzt.
Zwischen den Kondensatoren 41 und 42 dieses Brückenzweiges ist ein Mittelabgriff ausgeführt, der mit dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung 32 verbunden ist. Parallel zu der Reihenschaltung der Kondensatoren 41 und 42 ist ein Schalter 52 angeordnet.
Wie mittels des Umschalters 51 im Ausführungsbeispiel der 3 kann durch Betätigen des Schalters 52 in diesem Ausführungsbeispiel die Sekundärschaltbrücke 20 in zwei verschiedene Betriebsarten betrieben werden. In einer ersten Betriebsart ist der Schalter 52 geöffnet und die Sekundärschalter 23 und 24 sind dauerhaft geschlossen. Diese Betriebsart entspricht im Wesentlichen der Betriebsart der Sekundärschaltbrücke im ersten Ausführungsbeispiel der 1 bzw. der ersten Betriebsart im zweiten Ausführungsbeispiel der 3. Bedingt durch die geschlossenen Sekundärschalter 23 und 24 und die zugehörigen Freilaufdioden 23' und 24' sind die Kondensatoren 41 und 42 in dieser Betriebsart unmittelbar mit den Ausgangsleitungen der Sekundärschaltbrücke 20 verbunden.
In einer zweiten Betriebsart ist der Schalter 52 geschlossen und die dritten und vierten Sekundärschalter 23 und 24 werden wie bei einer Voll- oder H-Brücke kreuzweise synchron zu den Sekundärschaltern 22 und 21 geschaltet. Diese Betriebsart entspricht im Wesentlichen der zweiten Betriebsart aus dem Ausführungsbeispiel der 3 und geht ebenfalls mit einer gegenüber der ersten Betriebsart halbierten Ausgangsspannung U_aus einher.
Im Unterschied zum Umschalter 51 des Ausführungsbeispiels der 3 ist hier der Schalter 52 als einfacher Schalter ausgeführt. Es kann auf den zumindest mit Halbleiterbausteinen schwieriger zu realisierenden Umschalter 51 verzichtet werden. Weiterhin wurde beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit dem Kondensator 43 ein separater Resonanzkondensator für die zweite Betriebsart benötigt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 fungieren hingegen in beiden Betriebsarten die Kondensatoren 41 und 42 als Resonanzkondensatoren. Ein separater Resonanzkondensator wird daher nicht benötigt.
Neben der in 4 dargestellten Möglichkeit zur zusätzlichen Variation des Übersetzungsverhältnisses können weitere Methoden mit der im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Phasenverschiebung zwischen der Primärschaltbrücke und der Sekundärschaltbrücke kombiniert werden. Eine weitere Methode ist in 5 aufgezeigt, die beispielsweise mit dem DC/DC-Wandler nach 1 durchgeführt werden kann und im Folgenden mit Bezug auf diese Figur erläutert wird.
5 zeigt in ähnlicher Weise wie 2 Spannungsverläufe von Ansteuersignalen der Primärschalter 11–14 in Abhängigkeit einer Zeit t wiedergegeben. Die Zeitachse ist dabei für alle Diagramme gleich. Im Unterschied zur Ansteuerung der Primärschalter beim Ausführungsbeispiel der 2 werden hier die beiden Brückenzweige der Primärbrücke 10 unterschiedlich angesteuert. Die Primärschalter 13 und 14 werden bezogen auf die Primärschalter 11 und 12 über die oben genannte Totzeit hinaus um eine Zeitdifferenz Δt' verzögert und damit phasenverschoben eingeschaltet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ihr Ausschaltzeitpunkt dagegen nicht verändert: Der Primärschalter 13 wird zeitgleich mit dem Primärschalter 12 und der Primärschalter 14 zeitgleich mit dem Primärschalter 11 ausgeschaltet. Die Primärschalter 13, 14 weisen folglich eine gegenüber ihrer Ausschaltdauer verkürzte Einschaltdauer auf. Das Tastverhältnis ist kleiner eins, insbesondere auch kleiner als das sich durch die Totzeit τ ergebende Tastverhältnis im Ausführungsbeispiel der 2. Als Folge sind die gepulsten Stromspitzen im Stromverlauf des Laststroms I_ein, der im unteren Diagramm dargestellt ist, weniger steil und hoch, was in einer tiefsetzstellenden Wirkung des DC/DC-Wandlers resultiert. In einer Verallgemeinerung des beschriebenen Vorgehens wird das Tastverhältnis der Primärschalter 13, 14 im Vergleich zu den Primärschaltern 11, 12 verändert, insbesondere verkürzt, wobei das zuvor beschriebene gleichzeitige Ausschalten der kreuzweise komplementären Primärschalter einen Spezialfall darstellt.
Ausgehend von einem nominellen Spannungsübersetzungsverhältnis, das sich aufgrund des Übersetzungsverhältnisses des Übertragers 30 ergibt, kann das Spannungsübersetzungsverhältnis durch das im Zusammenhang mit der 2 gezeigte Verfahren vergrößert und durch das im Zusammenhang mit der 5 gezeigte Verfahren verkleinert werden. In Kombination wird so die insgesamt mit einem DC/DC-Wandler zugängliche Variationsbreite des Spannungsübersetzungsverhältnis vorteilhaft über den mit den einzelnen Verfahren erzielbaren Bereich hinaus vergrößert.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ersatzstromanlage mit verschiedenen Stromquellen und einem DC/DC-Wandler. Es sind beispielhaft drei verschiedene Stromquellen 1a, 1b und 1c dargestellt, die über Gleichstromleitungen mit einem DC/DC-Wandler 2 verbunden sind. Dem DC/DC-Wandler 2 ist ein Wechselrichter 3 nachgeschaltet, der in ein – insbesondere lokales – Stromversorgungsnetz 4 einspeist. Beispielhaft und nicht einschränkend sind der Wechselrichter 3 und das Stromversorgungsnetz 4 dreiphasig ausgelegt. Selbstverständlich ist auch eine andere Anzahl an Phasen möglich, insbesondere nur eine Phase.
Im dargestellten Beispiel sei die Stromquelle 1a ein Photovoltaikgenerator, z. B. ein Photovoltaikmodul oder eine Anordnung mehrerer Photovoltaikmodule, die Stromquelle 1b eine Brennstoffzellenanordnung und die Stromquelle 1c eine Batterieanordnung. Um eine umgekehrt ablaufende chemische Reaktion (Elektrolyse, Wasserstofferzeugung) in der Brennstoffzellenanordnung zu verhindern, ist die Stromquelle 1b über eine Diode 5b mit dem DC/DC-Wandler 2 verbunden. Analog ist eine Diode 5c in der Verbindung zwischen der Stromquelle 1c und dem DC/DC-Wandler 2 vorgesehen, um ein unkontrolliertes Aufladen der Batterieanordnung zu verhindern. Um die Batterieanordnung jedoch kontrolliert aufladen zu können, ist parallel zu der Diode 5c ein steuerbarer Schalter 6c angeordnet. Dieses kann ein Halbleiterschalter oder ein Relais sein, der oder das von einer Ladekontrollschaltung der Batterieanordnung angesteuert wird.
In der 6 sind zu den jeweiligen Stromquellen 1a, 1b, 1c beispielhafte Spannungsbereiche für eine Variation der Betriebsspannung angegeben. Die Variation rührt von unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsparametern her, z. B. Sonneneinstrahlung, Ladezustand, Belastung der Ersatzstromanlage. Die Spannungsbereiche reichen von 20 bis 40 V für das Photovoltaikmodul, 30 bis 70 V für die Brennstoffzellenanordnung und 8 bis 80 V für die Batterieanordnung.
Beispielsweise kann in der Batterieanordnung parallel eine Batterie und ein Kondensatorspeicher wie ein Ultra-Cap angeschlossen sein. Der Ultra-Cap könnte dazu verwendet werden, Leistungsspitzen kurzfristig bereit zu stellen, während die Batterie vorzugsweise zur gleichmäßigen Energieabgabe über einen längeren Zeitraum zum Einsatz kommt. Während die Zellspannung der Batterie mit dem Ladezustand nur relativ gering variiert, hängt die Restenergie eines Kondensatorspeichers typischerweise vom Quadrat der Kondesatorspannung ab. Hieraus ergibt sich, dass die Kondensatorspannung des Ultra-Caps um Faktoren, z. B. um einen Faktor 10 zwischen einem vollgeladenen und einem entladenen Zustand variiert.
Generell führt die Anbindung zweier Stromquellen unterschiedlichen Typs zu einem großen Variationsbereich der Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers 2.
Um sich auf die über den großen Bereich variierende Spannung einzustellen, weist der DC/DC-Wandler 2 einen ebenso großen Variationsbereich des Übersetzungsverhältnisses aufweisen. Dieses wird durch eine Ausgestaltung des DC/DC-Wandlers 2 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele von DC/DC-Wandlern aus, bzw. durch seine Eignung, eines der zuvor angegebenen Ausgestaltungen eines Betriebsverfahrens ausführen zu können.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt und fachmännisch ergänzt werden können. Insbesondere ist es möglich, die genannten Merkmale auch in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen, und weitere vorbekannte Verfahrensweisen zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Gleichspannungswandlers zu ergänzen, um eine zusätzliche Erweiterung des Stellbereiches zu erzielen.
Bezugszeichenliste

10: erste Schaltbrücke (Primärschaltbrücke)
11–14: erster Schalter (Primärschalter)
11'–14': Freilaufdiode
20: zweite Schaltbrücke (Sekundärschaltbrücke)
21–24: zweiter Schalter (Sekundärschalter)
21'–24': Freilaufdiode
30: Übertrager
31: erste Wicklung (Primärwicklung)
32: zweite Wicklung (Sekundärwicklung)
33: Hauptinduktivität
34: primärseitige Streuinduktivität
35: sekundärseitige Streuinduktivität
41–43: Kondensator
51: Umschalter
52: Schalter
U_ein: Eingangsspannung
^Uaus: Ausgangsspannung
I_ein: Last-Stromfluss
I₁₁, I₁₂: Stromfluss durch Primärschalter 11, 12
I₃₁: Stromfluss durch Primärspule 31

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 10155828 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit – einer ersten Schaltbrücke (10) mit mindestens zwei ersten Schaltern (11, 12, 13, 14); – einer zweiten Schaltbrücke (20) mit mindestens zwei zweiten Schaltern (21, 22, 23, 24); – einem Übertrager (30) und – mindestens einem Kondensator (41, 42); wobei die erste Schaltbrücke (10) über den Übertrager (30) mit der zweiten Schaltbrücke (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die ersten Schalter (11–14) derart geschaltet werden, dass ein von dem Übertrager (30) und dem mindestens einen Kondensator (41, 42) gebildeter Schwingkreis resonant schwingt und – die zweiten Schalter (21–24) mit gleicher Taktfrequenz phasenverschoben zu den ersten Schaltern (11–14) geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Schalter (11–14, 21–24) spannungslos und/oder stromlos eingeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das phasenverschobene Schalten der zweiten Schalter (21–24) mit einer Phasenverschiebung von größer als 0° und kleiner als 180°, insbesondere kl einer 90° erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ausgangsspannung U_aus des Gleichspannungswandlers gemessen wird und bei dem die Größe der Phasenverschiebung in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der gemessenen Ausgangsspannung U_aus und einem Sollwert der Ausgangsspannung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem kombiniert mit dem phasenverschobenen Schalten der zweiten Schalter (21–24) gegenüber den ersten Schaltern (11–14) eine oder mehrere weitere Maßnahmen zur Änderung eines Spannungsübersetzungsverhältnisses des Gleichspannungswandlers durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als weitere Maßnahme eine Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Schaltphasen der Schalter einer als Vollbrücke ausgeführten ersten Schaltbrücke (10) oder zweiten Schaltbrücke (20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem als weitere Maßnahme eine Änderung eines Tastverhältnisses zwischen einer Einschaltdauer und einer Ausschaltdauer eines der ersten Schalter (11–14) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem als weitere Maßnahme ein Hinzu- und Wegschalten einer Spannungsverdopplerschaltung, aufweisend mindestens zwei Kondensatoren (41, 42), durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Gleichspannungswandler als unidirektionaler Gleichspannungswandler ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltbrücke (20) als Vollbrücke mit zwei Brückenzweigen ausgestaltet ist, wobei jeder der Brückenzweige einen aktiven zweiten Schalter (21–24) und eine Diode als passiven Schalter aufweist.
Gleichspannungswandler mit – einer ersten Schaltbrücke (10) mit mindestens zwei ersten Schaltern (11, 12, 13, 14); – einer zweiten Schaltbrücke (20) mit mindestens zwei zweiten Schaltern (21, 22, 23, 24); – einem Übertrager (30) mit mindestens einer Spule (31, 32); – mindestens einem Kondensator (41, 42, 43) und – einer Ansteuerschaltung für die ersten und zweiten Schalter (11–14, 21–24); dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 11, bei dem die erste Schaltbrücke (10) und/oder die zweite Schaltbrücke (20) eine spannungsverdoppelnde Brücke ist.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 12, bei dem die die erste Schaltbrücke (10) und/oder die zweite Schaltbrücke (20) zwischen einer spannungsverdoppelnden und einer nicht-spannungsverdoppelnden Brücke umschaltbar ist.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 13, bei dem ein Brückenzweig der ersten Schaltbrücke (10) und/oder der zweiten Schaltbrücke (20) eine Reihenschaltung eines ersten oder zweiten Schalters (23), zweier Kondensatoren (41, 42) und eines weiteren ersten oder zweiten Schalters (24) ist, wobei zum Umschalten zwischen einer spannungsverdoppelnden und einer nicht-spannungsverdoppelnden Brücke ein Schalter (52) parallel zu der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren (41, 42) angeordnet ist.
Ersatzstromanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatzstromanlage mindestens zwei Energiequellen (1a, 1b, 1c) unterschiedlichen Typs und einen Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 11 bis 14 aufweist.
Ersatzstromanlage nach Anspruch 15, wobei die mindestens zwei Stromquellen (1a, 1b, 1c) aus der Gruppe einer Batterieanordnung, einer Brennstoffzellenanordnung, eines Kondensatorspeichers und eines Photovoltaikgenerators gewählt sind.