DE102014005124A1 - Circuit arrangement and method for exchanging electrical energy - Google Patents

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Abstract

Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Energie zwischen zumindest einer Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke einerseits und zumindest einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits, mit einem zweigeteilten DC-DC-Steller (10; 10') zum Anschluss der Schaltungsanordnung (1; 1'; 1''; 1''') an den Plus- und Minuspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke, mit einem Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') für zumindest vier Potentialpunkte mit zumindest einer Phase (31, 32, 33) zum Anschluss der Schaltungsanordnung (1; 1'; 1''; 1''') an die Wechselspannungssenke und/oder -quelle und mit einem zumindest dreiteiligen Spannungszwischenkreis (20; 20'), der zwischen den zweigeteilten DC-DC-Steller (10; 10') und den Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') geschalten ist.Circuit arrangement for exchanging electrical energy between at least one DC voltage source (B) and / or sink on the one hand and at least one AC voltage sink and / or source on the other hand, with a two-part DC-DC converter (10; 10 ') for connecting the circuit arrangement (1; 1 ', 1' ', 1' '') to the positive and negative poles of the DC voltage source (B) and / or sink, with an inverter (30; 30 '; 30' '; 30' '; 30A'; 30A 30B '; 30B' '; 30C'; 30C '') for at least four potential points having at least one phase (31, 32, 33) for connecting the circuit arrangement (1; 1 '; 1' '; 1' '' ) to the AC voltage sink and / or source and to an at least three-part voltage intermediate circuit (20; 20 ') connected between the two-part DC-DC controller (10; 10') and the inverter (30; 30 '; 30' '; 30 ''; 30A '; 30A' '; 30B'; 30B ''; 30C '; 30C' ').

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Austausch elektrischer Energie zwischen einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke einerseits und einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits.The invention relates to a circuit arrangement and a method for exchanging electrical energy between a DC voltage source and / or sink on the one hand and an AC voltage sink and / or source on the other hand.

Die Erfindung betrifft ein Teilgebiet der Elektrotechnik, speziell die Leistungselektronik. Die Leistungselektronik beinhaltet allgemein die Umwandlung von elektrischer Energie durch Änderung von Spannung, Strom und/oder Frequenz. Insbesondere betrifft die Erfindung einen gezielten Energieaustausch zwischen einer oder mehreren Gleichspannungsquellen und/oder -senken und ein oder mehrphasigen Wechselspannungsquellen und/oder -senken. Als Gleichspannungsquellen und/oder senken können Batterien, Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, Solarzellen und/oder Brennstoffzellen verwendet werden. Als Wechselspannungssenke und/oder -quelle kann ein Wechselstromnetz oder Drehstromnetz bzw. ein entsprechendes Inselnetz vorgesehen sein. Außerdem sind als Quellen/Senken drei- oder mehrphasige elektrische Maschinen möglich.The invention relates to a sub-field of electrical engineering, especially the power electronics. The power electronics generally involve the conversion of electrical energy by changing voltage, current and / or frequency. In particular, the invention relates to a targeted energy exchange between one or more DC voltage sources and / or sinks and one or more phase AC voltage sources and / or sinks. Batteries, capacitors, in particular double-layer capacitors, solar cells and / or fuel cells can be used as DC voltage sources and / or lower. As AC voltage sink and / or source, an AC mains or three-phase network or a corresponding island network can be provided. In addition, three-phase or multi-phase electrical machines are possible as sources / sinks.

Die Erfindung ist für einen Leistungsbereich der Energiewandlung vorgesehen, der Energiebeträge von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt wandeln kann. Insbesondere ist die Erfindung für elektrische Schaltungen im Niederspannungsbereich und Mittelspannungsbereich vorgesehen.The invention is intended for a power range of energy conversion that can convert energy levels from a few kilowatts to several megawatts. In particular, the invention is intended for electrical circuits in the low voltage and medium voltage range.

Aus dem Dokument DE 10 2009 047 936 A1 ist ein Wechselrichter bekannt, mit dem eine vorliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt werden kann. Dabei wird eine Gleichspannungsquelle über einen Hochsetzsteller an einen zweigeteilten Spannungszwischenkreis angeschlossen. Ein Dreipunktwechselrichter steuert die Einspeisung der elektrischen Energie vom zweigeteilten Spannungszwischenkreis in ein Wechselstromnetz. Dabei muss der zweigeteilte Hochsetzsteller an seinem Eingang auf einen Spannungsbereich von 0 bis 100% der Spannung der Gleichspannungsquelle ausgelegt sein. Weiterhin ist eine Energieübertragung nur von der Gleichspannungsquelle auf das Wechselstromnetz möglich.From the document DE 10 2009 047 936 A1 An inverter is known with which a present DC voltage can be converted into an AC voltage. In this case, a DC voltage source is connected via a boost converter to a two-part voltage intermediate circuit. A three-state inverter controls the supply of electrical energy from the two-part voltage intermediate circuit in an AC network. In this case, the two-part boost converter must be designed at its input to a voltage range of 0 to 100% of the voltage of the DC voltage source. Furthermore, an energy transfer only from the DC voltage source to the AC network is possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Energieaustausch zwischen einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke und einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle bereitzustellen. Die Verbesserung kann zum Beispiel darin liegen, dass preisgünstigere elektrische Bauteile verwendet werden können und/oder eine Energieübertragung in beide Richtungen möglich ist.The invention has for its object to provide an improved energy exchange between a DC voltage source and / or sink and an AC voltage sink and / or source. The improvement may be, for example, that cheaper electrical components can be used and / or energy transfer in both directions is possible.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.This object is solved by the subject matters of the independent claims. Preferred embodiments are the subject matters of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Energie zwischen zumindest einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke einerseits und zumindest einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits mit:

  • – einem zweigeteilten DC-DC-Steller zum Anschluss der Schaltungsanordnung an den Plus- und Minuspol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke,
  • – einem Wechselrichter für zumindest vier Potentialpunkte mit zumindest einer Phase zum Anschluss der Schaltungsanordnung an die Wechselspannungssenke und/oder -quelle und
  • – einem zumindest dreiteiligen Spannungszwischenkreis, der zwischen den zweigeteilten DC-DC-Steller und den Wechselrichter geschaltet ist.
According to one aspect, the invention relates to a circuit arrangement for exchanging electrical energy between at least one DC voltage source and / or sink on the one hand and at least one AC voltage sink and / or source on the other hand with:
  • A two-part DC-DC controller for connecting the circuit arrangement to the positive and negative poles of the DC voltage source and / or sink,
  • - An inverter for at least four potential points with at least one phase for connection of the circuit arrangement to the AC voltage sink and / or source and
  • - An at least three-part voltage intermediate circuit, which is connected between the two-part DC-DC controller and the inverter.

Die Schaltungsanordnung kann zum Austausch elektrischer Energie in beide Richtungen vorgesehen und ausgebildet sein, also in Richtung Gleichspannungsseite und/oder in Richtung Wechselspannungsseite. Alternativ kann die Schaltungsanordnung auch für den Energieaustausch in lediglich eine vorbestimmte Richtung vorgesehen und ausgebildet sein.The circuit arrangement can be provided and designed to exchange electrical energy in both directions, ie in the direction of the DC voltage side and / or in the direction of the AC voltage side. Alternatively, the circuit arrangement can also be provided and designed for the energy exchange in only one predetermined direction.

Die Schaltungsanordnung kann zum Austausch elektrischer Energie zwischen mehreren Gleichspannungsquellen und/oder -senken auf der Gleichspannungsseite ausgelegt sein. Z. B. können mehrere Strings von Solarzellen angeschlossen werden und in individuellen Punkten maximaler Leistung betrieben werden. Jede einzelne DC-Quelle kann über mehrere parallel geschaltete DC-DC-Steller angebunden werden. Hierbei sind beliebige Kombinationen möglich. Weiterhin kann die Schaltungsanordnung auch auf der Wechselspannungsseite für den Anschluss mehrerer Wechselspannungssenken und/oder -quellen ausgebildet sein.The circuit arrangement can be designed to exchange electrical energy between a plurality of DC voltage sources and / or sinks on the DC side. For example, multiple strings of solar cells can be connected and operated at individual points of maximum power. Each individual DC source can be connected via several parallel DC-DC controllers. Any combinations are possible here. Furthermore, the circuit arrangement can also be formed on the alternating voltage side for the connection of a plurality of alternating voltage sinks and / or sources.

Der zweigeteilte DC-DC-Steller ist zumindest zweigeteilt ausgebildet, was bedeutet, dass der zweigeteilte DC-DC-Steller zumindest zwei Schaltungsteile als Halbbrücken aufweist, von denen jeweils ein Schaltungsteil dem Pluspol und eines dem Minuspol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke zugeordnet ist bzw. mit diesen elektrisch verbunden ist. Die Halbbrücken können weiter aufgeteilt sein und weitere Unterbauteile aufweisen. Insbesondere kann der zweigeteilte DC-DC-Steller zwei oder mehrere voneinander unabhängige DC-DC-Steller als seine zwei Schaltungsteile aufweisen, also für jede Halbbrücke zumindest einen eigenen DC-DC-Steller. Der zweigeteilte DC-DC-Steller kann getaktet ansteuerbare Schalter aufweisen, die den Stromfluss zwischen der Gleichspannungsquelle und/oder -senke und dem dreiteiligen Spannungszwischenkreis steuern und/oder regeln.The two-part DC-DC controller is formed at least two parts, which means that the two-part DC-DC controller has at least two circuit parts as half-bridges, of which one circuit part is associated with the positive pole and one of the negative pole of the DC voltage source and / or sink or electrically connected thereto. The half bridges can be further divided and have further subcomponents. In particular, the two-part DC-DC controller may have two or more independent DC-DC controller as its two circuit parts, ie at least one DC-DC controller for each half-bridge. The two-part DC-DC controller can be clocked have controllable switch, which control the current flow between the DC voltage source and / or sink and the three-part voltage intermediate circuit and / or regulate.

Der Wechselrichter für zumindest vier Potentialpunkte ist zumindest als ein 4-Punkt-Wechselrichter ausgebildet. Der Wechselrichter ist dazu ausgebildet und vorgesehen, den Stromfluss und den Energiefluss zwischen vier unterschiedlichen Potentialpunkten des dreiteiligen Spannungszwischenkreises und der Wechselspannungssenke und/oder -quelle zu steuern und/oder zu regeln. Der Wechselrichter kann dazu elektrische Schalter aufweisen, die getaktet durch zum Beispiel eine Pulsweitenmodulation ansteuerbar sind.The inverter for at least four potential points is designed at least as a 4-point inverter. The inverter is designed and provided to control and / or regulate the current flow and the energy flow between four different potential points of the three-part voltage intermediate circuit and the AC voltage sink and / or source. The inverter can for this purpose have electrical switches, which are clocked by, for example, a pulse width modulation can be controlled.

Der zumindest dreiteilige Spannungszwischenkreis ist dazu ausgebildet und vorgesehen, elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite in drei Schaltungsteilen des dreiteiligen Spannungszwischenkreises zwischenzuspeichern und/oder aufzuteilen. Jeder dieser drei Schaltungsteile kann dazu zumindest einen Zwischenspeicher wie zum Beispiel einen Kondensator aufweisen. Der dreiteilige Spannungszwischenkreis kann die vier elektrischen Potentialpunkte für den Wechselrichter bereitstellen und/oder aufweisen. Die vier elektrischen Potentialpunkte können sich dabei alle voneinander unterscheiden, also auf einem jeweils unterschiedlichen elektrischen Potential liegen.The at least three-part voltage intermediate circuit is designed and provided to temporarily store and / or divide electrical energy between the DC voltage side and the AC voltage side into three circuit parts of the three-part voltage intermediate circuit. Each of these three circuit parts can for this purpose have at least one buffer, such as a capacitor. The three-part voltage intermediate circuit can provide and / or have the four electrical potential points for the inverter. The four electrical potential points can all differ from each other, that is to say lie on a respectively different electrical potential.

Die Schaltungsanordnung kann entweder lediglich Anschlüsse für die Gleichspannungsquelle und/oder -senke aufweisen oder die Gleichspannungsquelle und/oder -senke ebenfalls umfassen. Gleiches gilt für die Wechselspannungsseite: Die Schaltungsanordnung kann entweder lediglich Anschlüsse für die Wechselspannungssenke und/oder Quelle aufweisen oder die Wechselspannungssenke und/oder -quelle umfassen. Die jeweiligen Anschlüsse können als Eingänge, als Ausgänge oder als Ein- und Ausgänge der Schaltungsanordnung ausgebildet sein.The circuit arrangement can either have only connections for the DC voltage source and / or sink or also comprise the DC voltage source and / or sink. The same applies to the AC side: The circuit may either have only connections for the AC voltage sink and / or source or include the AC voltage sink and / or source. The respective terminals may be formed as inputs, as outputs or as inputs and outputs of the circuit arrangement.

Die Höhe der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle und/oder -senke kann dabei kleiner als die doppelte Amplitude der Wechselspannung sein, da die leistungselektronische Schaltungsanordnung eine Anpassung an eine variable Höhe der Gleichspannung für den Energieaustausch ermöglicht. Die Wechselspannung kann sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude konstant oder variabel ausgebildet sein. Weiterhin ist die Speisung von elektrischen Maschinen mit drei oder mehr Phasen durch die Schaltungsanordnung problemlos realisierbar, da die Schaltungsanordnung ein in der Amplitude und Frequenz variables Spannungssystem bereitstellt.The amount of DC voltage of the DC voltage source and / or sink can be less than twice the amplitude of the AC voltage, since the power electronic circuit arrangement allows adaptation to a variable level of the DC voltage for the energy exchange. The AC voltage may be constant or variable both in frequency and in amplitude. Furthermore, the feeding of electric machines with three or more phases can be easily implemented by the circuit arrangement, since the circuit arrangement provides a variable in amplitude and frequency voltage system.

Der dreigeteilte Spannungszwischenkreis ist als energetische Schnittstelle zwischen dem zweigeteilten DC-DC-Steller und dem Wechselrichter ausgebildet und vorgesehen. Der zweigeteilte DC-DC-Steller ermöglicht einen Energieaustausch zwischen der Gleichspannungsseite und dem geteilten Spannungszwischenkreis.The tripartite voltage intermediate circuit is designed and provided as an energetic interface between the two-part DC-DC controller and the inverter. The two-part DC-DC controller allows an energy exchange between the DC side and the shared voltage intermediate circuit.

Je nach Ausführung kann ein Energieaustausch zwischen der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite in eine oder beide Richtungen erfolgen. Der Wechselrichter für die zumindest vier Potentialpunkte ermöglicht einen Energieaustausch über vier Potentialpunkte (auch genannt Level, Pole oder Stufen wie bei einem Mehrstufenwechselrichter) mit dem zweigeteilten DC-DC-Steller über den Spannungszwischenkreis. Der Wechselrichter für die zumindest vier Potentialpunkte erzeugt einen Spannungsverlauf mit höherer Qualität bzw. niedrigeren Oberschwingungen als Zwei-Punkt- oder Drei-Punkt-Wechselrichter. Für eine Symmetrierung der Energien in den Kondensatoren ist es vorteilhaft, wenn der Vier-Punkt-Wechselrichter über alle vier Potentiale von der DC-Seite versorgt wird, anstatt ihn nur über die beiden äußeren Potentiale zu versorgen. Dadurch verbessert sich die Qualität der Wechselspannung im Vergleich zu zweipolig gespeisten Wechselrichtern.Depending on the design, an energy exchange between the DC side and the AC side can be done in one or both directions. The inverter for the at least four potential points allows an energy exchange over four potential points (also called level, poles or stages as in a multi-stage inverter) with the two-part DC-DC controller via the voltage intermediate circuit. The inverter for the at least four potential points generates a voltage curve with higher quality or lower harmonics than two-point or three-point inverters. For balancing the energies in the capacitors, it is advantageous if the four-point inverter is supplied by all four potentials from the DC side, instead of supplying it only via the two external potentials. This improves the quality of the AC voltage in comparison to two-pole supplied inverters.

Durch die Aufteilung des Spannungszwischenkreises in zumindest drei Teile ermöglicht die Schaltungsanordnung die Verwendung von kostengünstigeren Leistungselektronik-Bauteilen in dem zweigeteilten DC-DC-Steller, da die einzelnen Bauelemente nur noch für lediglich Bruchteile der Spannung der Gleichspannungsquelle und/oder -senke ausgelegt sein müssen. In einer Ausführungsform ist der zweigeteilte DC-DC-Steller lediglich für maximal 70%, bevorzugt für maximal 60%, besonders bevorzugt für maximal 50%, weiterhin besonders bevorzugt für maximal 30% der Gleichspannung ausgelegt. Im Gegensatz dazu müssen die Bauteile der Leistungselektronik gemäß Stand der Technik für 0 bis 100% der Spannung der Gleichspannungsseite ausgelegt sein. Dadurch werden die Gesamtkosten der Schaltungsanordnung zum Energieaustausch zwischen einer Gleichspannungsseite und einer Wechselspannungsseite reduziert.By dividing the voltage intermediate circuit into at least three parts, the circuit arrangement allows the use of less expensive power electronics components in the two-part DC-DC controller, since the individual components only have to be designed for only fractions of the voltage of the DC voltage source and / or sink. In one embodiment, the two-part DC-DC controller is only designed for a maximum of 70%, preferably for a maximum of 60%, particularly preferably for a maximum of 50%, furthermore particularly preferably for a maximum of 30% of the DC voltage. In contrast, the components of the power electronics according to the prior art must be designed for 0 to 100% of the voltage of the DC side. This reduces the overall cost of the power exchange circuitry between a DC side and an AC side.

Gemäß einer Ausführungsform steuert und/oder regelt der zweigeteilte DC-DC-Steller den Austausch elektrischer Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und/oder -senke und dem dreiteiligen Spannungszwischenkreis. Der Ausdruck ”steuern und/oder regeln” umfasst dabei den englischen Begriff ”controlling”.According to one embodiment, the two-part DC-DC controller controls and / or regulates the exchange of electrical energy between the DC voltage source and / or sink and the three-part voltage intermediate circuit. The term "control and / or regulate" encompasses the English term "controlling".

Gemäß einer Ausführungsform ist ein erster Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers elektrisch mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke verbunden, und ein zweiter Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers ist elektrisch mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke verbunden. Der erste und zweite Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers sind dabei jeweils dafür ausgebildet und vorgesehen, den Stromfluss und Energiefluss zwischen dem jeweiligen Pol der Gleichspannungsseite und einem Potentialpunkt des dreigeteilten Spannungszwischenkreises zu steuern und/oder zu regeln.According to one embodiment, a first circuit part of the two-part DC-DC adjuster is electrically connected to the negative terminal of DC source and / or sink connected, and a second circuit part of the two-part DC-DC adjuster is electrically connected to the positive pole of the DC voltage source and / or sink. The first and second circuit part of the two-part DC-DC adjuster are each designed and provided for controlling and / or regulating the current flow and energy flow between the respective pole of the DC voltage side and a potential point of the three-divided voltage intermediate circuit.

Gemäß einer Ausführungsform weist ein erster Schaltungsteil und ein zweiter Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers jeweils einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller oder einen Hoch-Tiefsetzsteller auf. Der zweigeteilte DC-DC-Steller ist somit als Schaltungselement mit zwei zum Beispiel unabhängig voneinander ansteuerbaren Schaltungsteilen ausgebildet, die jeweils als ein eigenständiger DC-DC-Steller ausgebildet sind. Die zwei Schaltungsteile des zweigeteilten DC-DC-Stellers können weitere Elemente aufweisen und/oder weiter unterteilt sein. Abhängig davon, ob die Schaltungsteile des zweigeteilten DC-DC-Stellers als ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller bzw. ein Hoch-Tiefsetzsteller ausgebildet sind, eignet sich die Schaltungsanordnung selber entweder nur zum Energieaustausch in eine Richtung (also zum Beispiel von der Gleichspannungsseite zur Wechselspannungsseite oder umgekehrt) oder in beide Richtungen.According to one embodiment, a first circuit part and a second circuit part of the two-part DC-DC adjuster each have a boost converter, a buck converter or a boost / buck converter. The two-part DC-DC controller is thus formed as a circuit element with two independently controllable, for example, circuit parts, which are each designed as an independent DC-DC controller. The two circuit parts of the two-part DC-DC controller may have further elements and / or be further subdivided. Depending on whether the circuit parts of the two-part DC-DC controller are designed as a boost converter or buck converter or a high-buck converter, the circuit itself is suitable only for energy exchange in one direction (ie, for example, from the DC voltage side to AC side or vice versa ) or in both directions.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind der erste Schaltungsteil und der zweite Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers symmetrisch zueinander ausgebildet und weisen sich gleichende, einander entsprechende Schaltungselemente auf. Die beiden Schaltungsteile können dabei insbesondere baugleich ausgebildet sein, zum Beispiel als zwei baugleiche Tiefsteller, Hochsteller oder Hoch-Tiefsteller. Die beiden Schaltungsteile können auch asymmetrisch zueinander aufgebaut sein, so dass der erste Schaltungsteil zum Anschluss an den Minuspol der Gleichspannungsseite vorgesehen und ausgebildet ist, während der zweite Schaltungsteil zum Anschluss an den Pluspol der Gleichspannungsseite ausgelegt und vorgesehen ist.In a further development of this embodiment, the first circuit part and the second circuit part of the two-part DC-DC controller are formed symmetrically to each other and have the same, corresponding to each other circuit elements. In this case, the two circuit parts can in particular be of identical design, for example as two identical low plates, high plates or high-low plates. The two circuit parts may also be constructed asymmetrically with respect to one another, so that the first circuit part is provided and designed for connection to the negative pole of the DC voltage side, while the second circuit part is designed and provided for connection to the positive pole of the DC voltage side.

Gemäß einer Ausführungsform weist der dreiteilige Spannungszwischenkreis zumindest drei in Serie geschaltete Kondensatoren auf. Weiterhin weist der dreiteilige Spannungszwischenkreis jeweils zwischen den in Serie geschalteten Kondensatoren und an den beiden äußeren Enden der zumindest drei in Serie geschalteten Kondensatoren elektrische Potentialpunkte zur Kontaktierung sowohl durch den zweigeteilten DC-DC-Steller als auch durch den Wechselrichter auf. Somit werden durch den dreiteiligen Spannungszwischenkreis zumindest vier unterschiedliche Potentialpunkte bereitgestellt. Die drei Kondensatoren können mehrteilig ausgebildet sein, so dass ein einzelner der drei Kondensatoren auch zwei oder mehrere z. B. in Serie oder parallel geschaltete Kondensatoren aufweisen kann. Die drei in Serie geschalteten Kondensatoren dienen als Zwischenspeicher zum Zwischenspeichern der elektrischen Energie auf dem Weg von der Gleichspannungsseite zur Wechselspannungsseite und/oder umgekehrt.According to one embodiment, the three-part voltage intermediate circuit has at least three capacitors connected in series. Furthermore, the three-part voltage intermediate circuit respectively between the series-connected capacitors and at the two outer ends of the at least three series-connected capacitors electrical potential points for contacting both by the two-part DC-DC controller and by the inverter. Thus, at least four different potential points are provided by the three-part voltage intermediate circuit. The three capacitors can be designed in several parts, so that a single one of the three capacitors also two or more z. B. in series or in parallel capacitors may have. The three series-connected capacitors serve as a buffer for temporarily storing the electrical energy on the way from the DC side to the AC side and / or vice versa.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist ein Minuskondensator des dreiteiligen Spannungszwischenkreises über einen ersten Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers dem Minuspol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke zugeordnet. Ein Pluskondensator des dreiteiligen Spannungszwischenkreises ist über einen zweiten Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellers dem Pluspol der Gleichspannungsquelle und/oder Senke zugeordnet. Ein Mittenkondensator ist in Serie mit und zwischen den Minuskondensator und den Pluskondensator geschaltet. Der Minuskondensator, der Pluskondensator und der Mittenkondensator bilden dabei die drei in Serie geschalteten Kondensatoren des dreiteiligen Spannungszwischenkreises. 'Zugeordnet' kann dabei bedeuten, dass das erste bzw. zweite Schaltungsteil den Stromfluss und Energiefluss vom bzw. zum Pol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke zum bzw. vom jeweiligen Kondensator steuert und/oder regelt. Durch das erste und zweite Schaltungsteil kann dabei insbesondere steuerbar und/oder regelbar sein, mit welcher Seite des jeweiligen Kondensators der jeweilige Pol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke verbunden wird.In a development of this embodiment, a minus capacitor of the three-part voltage intermediate circuit is assigned to the negative pole of the DC voltage source and / or sink via a first circuit part of the two-part DC-DC controller. A positive capacitor of the three-part voltage intermediate circuit is assigned to the positive pole of the DC voltage source and / or drain via a second circuit part of the two-part DC-DC controller. A center capacitor is connected in series with and between the negative capacitor and the plus capacitor. The negative capacitor, the positive capacitor and the mid-condenser form the three series-connected capacitors of the three-part voltage intermediate circuit. 'Assigned' may mean that the first or second circuit part controls and / or regulates the current flow and energy flow from or to the pole of the DC voltage source and / or sink to or from the respective capacitor. By the first and second circuit part can be controlled and / or regulated in particular, with which side of the respective capacitor of the respective pole of the DC voltage source and / or sink is connected.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Gleichspannungsquelle und/oder -senke ein Mittelpotential auf. Dabei ist der Mittenkondensator des dreiteiligen Spannungszwischenkreises zweiteilig ausgebildet, wobei das Mittelpotential der Gleichspannungsquelle und/oder -senke elektrisch zwischen den zweiteiligen Mittenkondensator geschaltet ist. Der Minuskondensator und der Pluskondensator sowie die beiden zugehörigen ersten und zweiten Schaltungsteile des zweigeteilten DC-DC-Stellers sind dabei symmetrisch zum Mittelpotential angeordnet und ausgebildet. Dabei kann der Wechselrichter, wenn er zum Beispiel einphasig ausgebildet ist, die Wechselspannung zum Mittelpotential steuern und/oder regeln.In a development of this embodiment, the DC voltage source and / or sink has an average potential. In this case, the middle capacitor of the three-part voltage intermediate circuit is formed in two parts, wherein the middle potential of the DC voltage source and / or sink is electrically connected between the two-part center capacitor. The negative capacitor and the positive capacitor and the two associated first and second circuit parts of the two-part DC-DC controller are arranged symmetrically to the center potential and formed. In this case, the inverter, if it is formed, for example, single-phase, control the AC voltage to the center potential and / or regulate.

In der Ausführungsform mit den drei in Serie geschalteten Kondensatoren kann der Wechselrichter dazu ausgebildet und vorgesehen sein, das elektrische Potential an jeweils einem der vier Potentialpunkte des dreigeteilten Spannungszwischenkreises zu und/oder von einer Phasenspannung der Wechselspannung der Wechselspannungssenke und/oder -quelle zu modulieren. Eine entsprechende Phasenschaltung des Wechselrichters kann somit als Ausgang und/oder Eingang für den Strom auf der Wechselspannungsseite ausgebildet und vorgesehen sein. Der Wechselrichter steuert und/oder regelt die elektrische Verbindung zwischen den vier Potentialpunkten des dreigeteilten Spannungszwischenkreises und zu den Strom- bzw. Spannungseingängen und/oder -ausgängen der Schaltungsanordnung auf dem Wechselspannungsseite. Der Wechselrichter kann weiterhin elektronische Schalter aufweisen, die zum Beispiel mittels einer Pulsweitenmodulation so getaktet sein können, dass sich die gewünschte Wechselspannung bzw. Gleichspannung ergibt. Die Schalter können als leistungselektronische Bauteile ausgebildet sein.In the embodiment with the three capacitors connected in series, the inverter can be designed and provided to modulate the electrical potential at respectively one of the four potential points of the three-divided voltage intermediate circuit and / or from a phase voltage of the AC voltage of the AC voltage sink and / or source. A corresponding phase circuit of the inverter can thus be used as output and / or input for the current on the AC voltage side formed and provided. The inverter controls and / or regulates the electrical connection between the four potential points of the tripartite voltage intermediate circuit and to the current or voltage inputs and / or outputs of the circuit arrangement on the AC side. The inverter may further comprise electronic switches, which may be clocked, for example, by means of a pulse width modulation so that the desired AC voltage or DC voltage results. The switches can be designed as power electronic components.

Gemäß einer Ausführungsform steuert und/oder regelt der Wechselrichter eine elektrische Kontaktierung zwischen elektrischen Potentialpunkten des dreiteiligen Spannungszwischenkreises und der Wechselspannungssenke und/oder -quelle. Dies kann zum Beispiel durch eine Pulsweitenmodulation erfolgen.According to one embodiment, the inverter controls and / or regulates an electrical contact between electrical potential points of the three-part voltage intermediate circuit and the AC voltage sink and / or source. This can be done for example by a pulse width modulation.

Gemäß einer Ausführungsform moduliert der Wechselrichter die Spannung an elektrischen Potentialpunkten des dreiteiligen Spannungszwischenkreises mittels einer Pulsweitenmodulation zu einer Ausgangswechselspannung für die Wechselspannungssenke. Alternativ oder zusätzlich kann der Wechselrichter eine Eingangswechselspannung der Wechselspannungsquelle als ein PWM-Signal modulieren und an elektrische Potentialpunkte des dreiteiligen Spannungszwischenkreises anlegen.According to one embodiment, the inverter modulates the voltage at electrical potential points of the three-part voltage intermediate circuit by means of a pulse width modulation to an AC output voltage for the AC voltage sink. Alternatively or additionally, the inverter can modulate an input AC voltage of the AC voltage source as a PWM signal and apply it to electrical potential points of the three-part voltage intermediate circuit.

Der Begriff modulieren kann ein „demodulieren” umfassen.The term modulate may include a "demodulate".

Gemäß einer Ausführungsform ist der Wechselrichter zweiphasig ausgebildet und moduliert eine Wechselspannung als Summe zweier Phasenspannungen an zwei seiner Phasenschaltungsteilen. Alternativ kann der Wechselrichter dreiphasig mit drei Phasenschaltungsteilen ausgebildet sein und eine Wechselspannung an den drei Phasenspannungsschaltungsteilen modulieren. Für die Einspeisung von Energie in ein Wechselspannungsnetz bzw. für die Bildung einer Wechselspannung am Ausgang der Schaltungsanordnung ist der Wechselrichter bevorzugt ein- oder zweiphasig ausgebildet. Für die Einspeisung von Energie in ein Drehstromnetz, für die Versorgung einer Drehstrommaschine oder allgemein zur Bildung eines Drehspannungssystems ist der Wechselrichter bevorzugt dreiphasig ausgebildet. Bei Industriemaschinen und/oder Maschinen aus dem Automobilbereich mit mehr als drei elektrischen Phasen kann der Wechselrichter um eine entsprechende Anzahl von Phasenschaltungsteilen erweitert ausgebildet sein.According to one embodiment, the inverter is biphasic and modulates an AC voltage as the sum of two phase voltages at two of its phase circuit parts. Alternatively, the inverter may be three-phase formed with three phase circuit parts and modulate an AC voltage on the three phase voltage circuit parts. For the supply of energy in an AC voltage network or for the formation of an AC voltage at the output of the circuit arrangement of the inverter is preferably one or two-phase design. For the supply of energy in a three-phase network, for the supply of a three-phase machine or generally for the formation of a three-phase voltage system, the inverter is preferably formed three-phase. In industrial machines and / or machines in the automotive sector with more than three electrical phases, the inverter can be formed extended by a corresponding number of phase-switching parts.

In einer Ausführungsform ist der Wechselrichter als 4-Punkt-Wechselrichter, als 2 × 2-Punkt-Wechselrichter, als 2 × 3-Punkt-Wechselrichter oder als 1 × 3-Punkt-Wechselrichter in Kombination mit einem 1 × 2-Punkt Wechselrichter ausgebildet. in jedem Fall ist der Wechselrichter dazu ausgebildet und vorgesehen, zumindest vier unterschiedliche Potentialpunkte anzusteuern und/oder zu regeln. insbesondere kann der Wechselrichter z. B. als ein 4-Level Diode-Clamped Wechselrichter, als ein 4-Level T-Type Wechselrichter, als ein 4-Level Multi-Point-Clamped Wechselrichter oder ein 4-Level Active-Neutral-Point-Clamped Wechselrichter ausgebildet sein.In one embodiment, the inverter is designed as a 4-point inverter, a 2 × 2-point inverter, a 2 × 3-point inverter or a 1 × 3-point inverter in combination with a 1 × 2-point inverter , In any case, the inverter is designed and provided to control and / or regulate at least four different potential points. In particular, the inverter z. B. as a 4-level diode-clamped inverter, as a 4-level T-type inverter, as a 4-level multi-point clamped inverter or a 4-level active-neutral-point-clamped inverter.

Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Austausch elektrischer Energie zwischen zumindest einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke einerseits und zumindest einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits, wobei

  • – ein zweigeteilter DC-DC-Steller die elektrischen Verbindungen zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle und/oder -senke einerseits und elektrischen Potentialpunkten eines dreiteiligen Spannungszwischenkreises andererseits steuert und/oder regelt und
  • – ein Wechselrichter die elektrischen Verbindungen zwischen der Wechselspannungssenke und/oder -quelle den elektrischen Potentialpunkten des dreiteiligen Spannungszwischenkreises steuert und/oder regelt.
One aspect relates to a method for exchanging electrical energy between at least one DC voltage source and / or sink on the one hand and at least one AC voltage sink and / or source on the other hand, wherein
  • - A two-part DC-DC controller controls the electrical connections between the positive and negative poles of the DC voltage source and / or sink on the one hand and electrical potential points of a three-part voltage intermediate circuit on the other hand and / or regulates and
  • - An inverter controls the electrical connections between the AC voltage sink and / or source the electrical potential points of the three-part voltage intermediate circuit and / or regulated.

Mittels des Verfahrens kann die Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt angesteuert werden.By means of the method, the circuit arrangement according to the first aspect can be controlled.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Einzelne, in den Figuren gezeigte Merkmale der Ausführungsformen können mit anderen, zum Beispiel in anderen Figuren gezeigten Ausführungsformen kombiniert werden. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in FIGS. Individual features of the embodiments shown in the figures may be combined with other embodiments shown, for example, in other figures. It shows:

1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung mit einem zweigeteilten DC-DC-Steller, einem dreigeteilten Spannungszwischenkreis und einem dreiphasigen 4-Punkt-Wechselrichter; 1 a circuit diagram of a circuit arrangement with a two-part DC-DC controller, a tripartite voltage intermediate circuit and a three-phase 4-point inverter;

2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform, bei der eine Gleichspannungsquelle einen Spannungs-Mittelpunkt aufweist, und bei der ein mittlerer Kondensator eines Spannungszwischenkreises zweigeteilt ausgebildet ist, wobei der mittlerer Potentialpunkt geerdet ist; 2 a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment, in which a DC voltage source has a voltage center, and in which a middle capacitor of a voltage intermediate circuit is formed into two parts, wherein the middle potential point is grounded;

3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform, bei der ein zweigeteilter DC-DC-Steller in jedem seiner beiden Schaltungsteile mehrere parallele DC-DC-Steller aufweist; 3 a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment, in which a two-part DC-DC controller in each of its two circuit parts comprises a plurality of parallel DC-DC controller;

4 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform, bei der mehrere Gleichspannungsquellen über parallele DC-DC-Steller eines zweigeteilten DC-DC-Stellers an einen dreigeteilten Spannungszwischenkreis angeschlossen sind; 4 a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment, in which several DC voltage sources are connected via parallel DC-DC controllers of a two-part DC-DC controller to a three-part voltage intermediate circuit;

5 in sechs Diagrammen, wie einzelne Schalter eines 4-Punkt-Wechselrichters so angesteuert werden, dass mit Hilfe eines Trägerverfahrens eine Wechselspannung als Summe einzelner Phasenspannungen erzeugt wird; 5 in six diagrams, how individual switches of a 4-point inverter are controlled so that an AC voltage is generated as the sum of individual phase voltages by means of a carrier method;

6A ein Schaltbild eines dreigeteilten Spannungszwischenkreises mit einem 4-Level Diode-Clamped Inverter als Wechselrichter; 6A a circuit diagram of a three-part voltage intermediate circuit with a 4-level diode-clamped inverter as an inverter;

6B ein Schaltbild eines dreigeteilten Spannungszwischenkreises mit einem ersten 4-Level T-Type Inverter als Wechselrichter; 6B a circuit diagram of a three-part voltage intermediate circuit with a first 4-level T-type inverter as an inverter;

6C ein Schaltbild eines dreigeteilten Spannungszwischenkreises mit einem zweiten 4-Level T-Type Inverter als Wechselrichter; 6C a circuit diagram of a three-part voltage intermediate circuit with a second 4-level T-type inverter as an inverter;

7A ein Schaltbild eines dreigeteilten Spannungszwischenkreises mit einem 4-Level Multi-Point-Clamped Inverter als Wechselrichter; 7A a circuit diagram of a three-part voltage intermediate circuit with a 4-level multi-point clamped inverter as an inverter;

7B ein Schaltbild eines dreigeteilten Spannungszwischenkreises mit einem 4-Level Active-Neutral-Point Clamped Inverter als Wechselrichter; 7B a circuit diagram of a three-part voltage intermediate circuit with a 4-level Active-Neutral-Point Clamped inverter as an inverter;

8A ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform mit einem 2 × 2-Level-Wechselrichter als Wechselrichter mit getrennten Wicklungen; 8A a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment with a 2 × 2-level inverters as inverters with separate windings;

8B ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform mit einem 2 × 3-Level-Wechserichter als Wechselrichter mit getrennten Wicklungen; 8B a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment with a 2 × 3-level Wechselrichter as a inverter with separate windings;

9A ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform mit einem 2 × 2-Level-Wechselrichter als Wechselrichter mit induktiver Kopplung zwischen zwei Halbbrücken des Wechselrichters und 9A a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment with a 2 × 2-level inverter as an inverter with inductive coupling between two half-bridges of the inverter and

9B ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform mit einem 2 × 3-Level-Wechselrichter als Wechselrichter mit induktiver Kopplung zwischen zwei Halbbrücken des Wechselrichters. 9B a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment with a 2 × 3-level inverter as an inverter with inductive coupling between two half-bridges of the inverter.

1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung 1 zum Austausch elektrischer Energie zwischen einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke B einerseits und einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits. Die Schaltungsanordnung 1 weist einen zweigeteilten DC-DC-Steller 10 auf, der mit dem Plus- und Minuspol der Gleichspannungsquelle B verbunden ist. Der zweigeteilte DC-DC-Steller 10 regelt den Stromfluss von und zu einem dreigeteilten Spannungszwischenkreis 20. Der Spannungszwischenkreis 20 ist zwischen den zweigeteilten DC-DC-Steller 10 und einen Wechselrichter 30 zwischengeschaltet, der als dreiphasiger 4-Punkt-Wechselrichter ausgebildet ist. Der Wechselrichter 30 weist drei Phasenschaltungsteile 31, 32 und 33 auf, die jeweils einen Ausgang (und/oder Eingang) aufweisen, an dem die Schaltungsanordnung jeweils eine Phasenspannung Ua', Ua'' und U3''' bereitstellt. Eine Wechselspannung Ua setzt sich aus den drei einzelnen Phasenspannungen Ua', Ua'' und Ua''' zusammen, die an den drei Phasenschaltungsteilen 31, 32, 33 des Wechselrichters 30 bereitgestellt werden. 1 shows a circuit diagram of a circuit arrangement 1 for the exchange of electrical energy between a DC voltage source and / or sink B on the one hand and an AC voltage sink and / or source on the other. The circuit arrangement 1 has a two-part DC-DC controller 10 on, which is connected to the plus and minus pole of the DC voltage source B. The two-part DC-DC controller 10 regulates the current flow from and to a tripartite voltage intermediate circuit 20 , The voltage intermediate circuit 20 is between the two-part DC-DC controller 10 and an inverter 30 interposed, which is designed as a three-phase 4-point inverter. The inverter 30 has three phase circuit parts 31 . 32 and 33 on, each having an output (and / or input), at which the circuit arrangement in each case a phase voltage U a ' , U a'' and U 3''' provides. An alternating voltage U a is composed of the three individual phase voltages U a ' , U a'' and U a''' which are connected to the three phase circuit parts 31 . 32 . 33 of the inverter 30 to be provided.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele sind Ausführungsformen, bei denen in der Regel ein Energieübertrag von einer Gleichspannungsquelle zu einer Wechselstromsenke erfolgt. Alternativ oder zusätzlich könnte die Gleichspannungsquelle B auch als eine Gleichspannungssenke ausgebildet sein, die von der Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannung versorgt wird, die von einer Wechselspannungsquelle mit der Wechselspannung Ua eingespeist wird. Lediglich der Übersichtlichkeit halber werden die Figuren nur so beschrieben, dass ein Energieübertrag von der Gleichspannungsseite auf die Wechselspannungsseite erfolgt. Eine Energieübertragung in die Gegenrichtung ist – auch wenn nicht explizit beschrieben – ebenfalls möglich und realisierbar.The embodiments illustrated in the figures are embodiments in which there is usually an energy transfer from a DC voltage source to an AC sink. Alternatively or additionally, the DC voltage source B could also be designed as a DC voltage sink, which is supplied by the circuit arrangement with a DC voltage which is fed by an AC voltage source with the AC voltage U a . Only for the sake of clarity, the figures are only described so that a transfer of energy from the DC side takes place on the AC side. An energy transfer in the opposite direction is - even if not explicitly described - also possible and feasible.

Der zweigeteilte DC-DC-Steller 10 weist einen ersten Schaltungsteil 11 und einen zweiten Schaltungsteil 12 auf. Der erste Schaltungsteil 11 ist mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle B verbunden. Der zweite Schaltungsteil 12 ist mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle B verbunden. Der erste Schaltungsteil 11 und der zweite Schaltungsteil 12 sind jeweils als ein Hoch-Tief-Setzsteller ausgebildet. Dazu weist der erste Schaltungsteil 11 eine Minusspule Ln auf, über die der erste Schal– tungsteil 11 mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle B verbunden ist. Die Minusspule Ln wirkt als eine Speicherdrossel, kurz als 'Drossel' bezeichnet. Der erste Schaltungsteil 11 weist weiterhin einen äußeren Minusschalter Snl auf, sowie einen inneren Minusschalter Snh. Je nach Schalterstellung des äußeren Minusschalters Snl und des inneren Minusschalters Snh steuert und/oder regelt der erste Schaltungsteil 11, mit welchem Potentialpunkt des dreigeteilten Spannungszwischenkreises 20 der Minuspol der Gleichspannungsquelle B wie lange verbunden ist bzw. wird.The two-part DC-DC controller 10 has a first circuit part 11 and a second circuit part 12 on. The first circuit part 11 is connected to the negative pole of the DC voltage source B. The second circuit part 12 is connected to the positive pole of the DC voltage source B. The first circuit part 11 and the second circuit part 12 are each designed as a high-low setter. For this purpose, the first circuit part 11 a negative coil L n on which the first circuit part 11 is connected to the negative pole of the DC voltage source B. The negative coil L n acts as a storage choke, in short referred to as 'choke'. The first circuit part 11 also has an outer negative switch S nl , and an inner negative switch S nh . Depending on the switch position of the outer negative switch S nl and the inner negative switch S nh controls and / or controls the first circuit part 11 , with which potential point of the tripartite voltage intermediate circuit 20 the negative terminal of the DC voltage source B is how long is connected or is.

Analog dazu weist der zweite Schaltungsteil 12 eine Plusspule Lp auf, die als Speicherdrossel dient. Über einen inneren Plusschalter Spl und einen äußeren Plusschalter Sph steuert und/oder regelt der zweite Schaltungsteil 12, mit welchem Potentialpunkt des Spannungszwischenkreises 20 der Pluspunkt der Gleichspannungsquelle B verbunden wird. Die beiden Schaltungsteile 11 und 12 sind als Halbbrücken des zweigeteilten DC-DC-Stellers ausgebildet.Analogously, the second circuit part 12 a positive coil L p , which serves as a storage choke. About an inner plus switch S pl and controls an external plus switch S ph and / or controls the second circuit part 12 , with which potential point of the voltage intermediate circuit 20 the plus point of the DC voltage source B is connected. The two circuit parts 11 and 12 are designed as half bridges of the two-part DC-DC controller.

Der dreiteilige Spannungszwischenkreis 20 weist drei in Serie geschaltete Kondensatoren auf, nämlich einen Pluskondensator Cp, einen Mittenkondensator C0 und einen Minuskondensator Cn. An diesen drei Kondensatoren liegt jeweils die Plusspannung UCp, die Mittenspannung UC0 und die Minusspannung UCn an, wie in 1 gezeigt.The three-part voltage intermediate circuit 20 has three series-connected capacitors, namely a plus capacitor C p , a center capacitor C 0 and a negative capacitor C n . In each case, the positive voltage U Cp , the center voltage U C0 and the negative voltage U Cn are applied to these three capacitors, as in FIG 1 shown.

Durch die drei in Serie geschalteten Kondensatoren stellt der dreigeteilte Spannungszwischenkreis 20 vier unterschiedliche Potentialpunkte bereit: An der Plusseite des Pluskondensators Cp den Pluspotentialpunkt PP, an der gegenüberliegenden Seite des Pluskondensators Cp den Plusmittenpotentialpunkt PP0, der gleichzeitig an der positiven Seite des Mittenkondensators C0 anliegt. An der anderen Seite des Mittenkondensators C0, nämlich zwischen dem Mittenkondensator C0 und dem Minuskondensator Cn ist der Minusmittenpotentialpunkt PN0 angeordnet. Auf der anderen Seite des Kondensators Cn, also auf der Höhe des niedrigsten elektrischen Potentials, ist ein Minuspotentialpunkt PN angeordnet.Due to the three capacitors connected in series, the three-part voltage intermediate circuit provides 20 four different potential points provided: On the plus side of the positive capacitor C p to a positive potential point PP, on the opposite side of the positive capacitor C p the plus mid-potential point PP0 which rests simultaneously on the positive side of the center capacitor C 0th On the other side of the center capacitor C 0 , namely between the center capacitor C 0 and the negative capacitor C n , the minus center potential point PN0 is arranged. On the other side of the capacitor C n , ie at the level of the lowest electrical potential, a negative potential point PN is arranged.

Der erste Schaltungsteil 11 des DC-DC-Stellers 10 steuert und/oder regelt, ob der Minuspol der Spannungsquelle B über die Drossel Ln mit dem Minuspotentialpunkt PN oder dem Minusmittenpotentialpunkt PN0 verbunden ist. Der zweite Schaltungsteil 12 des zweigeteilten DC-DC-Stellers 10 steuert und/oder regelt, ob der Pluspol der Gleichspannungsquelle B über die Speicherdrossel Lp mit dem Pluspotentialpunkt PP oder dem Plusmittenpotentialpunkt PP0 verbunden ist.The first circuit part 11 of the DC-DC controller 10 controls and / or regulates whether the negative terminal of the voltage source B is connected via the inductor L n to the negative potential point PN or the minus center potential point PN0. The second circuit part 12 of the two-part DC-DC controller 10 controls and / or regulates whether the positive pole of the DC voltage source B via the storage inductor L p is connected to the positive potential point PP or the plus-mid potential point PP0.

Der Wechselrichter 30 weist in jedem Phaseschaltungsteil 31, 32 und 33 einen Positivschalter Spi, einen Mittepositivschalter Sp0i, einen Mittenegativschalter Sn0i und einen Negativschalter Sni auf, wobei der Buchstabe i für die jeweilige Phase steht mit i = 1, 2 oder 3. Über diese vier Schalter steuert und/oder regelt der Wechselrichter 30 für jeden Phasenschaltungsteil, welcher Potentialpunkt des Zwischenkreises 20 an einem der Ausgangspotentiale der Phasenspannungen Ua', Ua'' und Ua''' anliegt. Aus diesen drei Phassenspannungen Ua', Ua'' und Ua''' setzt sich die Ausgangswechselspannung Ua zusammen.The inverter 30 points in each phase circuit part 31 . 32 and 33 a positive switch S pi , a middle positive switch S p0i , a center negative switch S n0i and a negative switch S ni , wherein the letter i stands for the respective phase with i = 1, 2 or 3. The inverter controls and / or regulates these four switches 30 for each phase circuit part, which potential point of the intermediate circuit 20 at one of the output potentials of the phase voltages U a ' , U a'' and U a''' is present. From these three phase voltages U a ' , U a'' and U a''' , the output AC voltage U a is composed.

Der zweigeteilte DC-DC-Steller 10 kann zum Beispiel aus zwei identischen Hoch-Tief-Setzstellern bestehen, deren Halbbrücken aus den Schaltern Sph und Spl bzw. Snh und Snl bestehen, und die an den Pluskondensator Cp bzw. den Minuskondensator Cn angeschlossen sind. Die Schalter des DC-DC-Stellers 10 und/oder die Schalter des Wechselrichters 30 können als leistungselektronische Halbleiterschalter ausgebildet sein, wie zum Beispiel als MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder als IGBT (insulated-gate bipolar transistor) mit oder ohne antiparallel geschalteter Diode. Über die Drosseln Lp und Ln wird die Gleichspannungsquelle B mit der Spannung UB an die Schaltungsanordnung angeschlossen. Für den Fall, dass die Spannungsquelle B keinen weiteren Anschluss zum Beispiel als Mittelpotential (vgl. unten 2) an ein bestimmtes Erd- oder Bezugspotential benötigt, kann eine der beiden Drosseln Lp oder Ln weggelassen werden.The two-part DC-DC controller 10 may for example consist of two identical high-low setters whose half-bridges consist of the switches S ph and S pl and S nh and S nl , and which are connected to the positive capacitor C p and the negative capacitor C n . The switches of the DC-DC controller 10 and / or the switches of the inverter 30 can be designed as a power electronic semiconductor switch, such as a MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor) or as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor) with or without antiparallel connected diode. About the inductors L p and L n , the DC voltage source B is connected to the voltage U B to the circuit arrangement. In the event that the voltage source B no further connection, for example, as an average potential (see below 2 ) to a particular ground or reference potential, one of the two inductors L p or L n may be omitted.

Der für die Schaltungsanordnung 1 zulässige, variable Spannungsbereich von UB geht von der Mittenspannung UC0 bis zu der Summe der drei Teilspannungen UCp + UC0 + UC0. Somit erfüllt die Gleichspannung UB die Gleichung UC0 ≤ UB ≤ UCp + UC0 + UCn. Wird das Verhältnis der Mittenspannung UC0 zu den aus Symmetriegründen üblicherweise, aber nicht notwendigerweise im Wesentlichen gleich hoch gewählten äußeren Spannungen UCp gleich UCn entsprechend gewählt, ist der Spannungsbereich für typische Anwendungen ausreichend groß, zum Beispiel bei Anwendungen bei denen Batterien, Solarzellen, Kondensatoren, Brennstoffzellen etc. als Gleichspannungsquelle mit variabler Spannungshöhe zum Einsatz kommen.The one for the circuit arrangement 1 permissible, variable voltage range of U B goes from the center voltage U C0 to the sum of the three partial voltages U Cp + U C0 + U C0 . Thus, the DC voltage U B satisfies the equation U C0 ≦ U B ≦ U Cp + U C0 + U Cn . If the ratio of the center voltage U C0 to the outer voltages U Cp chosen to be equal to U Cn for reasons of symmetry is usually, but not necessarily substantially equal, the voltage range is sufficiently high for typical applications, for example in applications in which batteries, solar cells, Capacitors, fuel cells, etc. are used as DC voltage source with variable voltage level.

Durch diese Anordnung der Schaltungsanordnung 1 kann die Sperrspannung der Halbleiterbauelemente im zweigeteilten DC-DC-Steller (wie z. B. die vier Schalter Sph, Spl, Snh und Snl) deutlich kleiner gewählt werden als in konventionellen Schaltungen mit Hoch-Tiefsetzstellern. Dadurch wird der Bauteilaufwand für die Leistungshalbleiter reduziert. Weiterhin weisen Leistungshalbleiter, die für kleinere Sperrspannungen ausgebildet sind, einen reduzierten Ohmschen Widerstand im eingeschalteten Zustand auf. Dies hat zur Folge, dass die in den Halbleitern auftretenden Verluste bei Verwendung von kommerziell verfügbaren Standardbauteilen allein durch diese Schaltungstopologie verringert werden können.By this arrangement of the circuit arrangement 1 For example, the blocking voltage of the semiconductor components in the two-part DC-DC controller (such as the four switches S.sub.ph , S.sub.pl , S.sub.nh and S.sub.nl ) can be chosen to be significantly smaller than in conventional circuits with high-buck converters. This reduces the component costs for the power semiconductors. Furthermore, power semiconductors which are designed for smaller blocking voltages have a reduced ohmic resistance in the switched-on state. As a result, the losses occurring in the semiconductors can be reduced by using only commercially available standard components by this circuit topology alone.

Weiterhin sind Leistungshalbleiter mit niedriger Sperrspannung in der Lage, bei höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten, was grundsätzlich den Bauaufwand der Drosseln Lp und Ln verringert bzw. Verluste durch Oberschwingungen im Strom vermindert. Da die über diese beiden Drosseln auftretende Spannungszeitfläche durch den Anschluss des geteilten DC-DC-Stellers 10 an den beiden Teilspannungen UCp und UCn deutlich kleiner als bei konventionellen Hoch-Tiefsetzstellern ausfällt, wird der Bauaufwand dieser Drosseln stark reduziert. Somit sinkt insgesamt der Bauaufwand der Drosseln und der Wirkungsgrad des DC-DC-Stellers 10 steigt.Furthermore, power semiconductors with low blocking voltage are able to operate at higher switching frequencies, which basically reduces the construction costs of the inductors L p and L n and reduces losses due to harmonics in the current. Since the voltage time surface occurring across these two reactors is due to the connection of the split DC-DC controller 10 at the two partial voltages U Cp and U Cn significantly smaller than conventional Hoch-Tiefsetzstellern fails, the construction cost of these chokes is greatly reduced. Thus, overall, the construction cost of the chokes and the efficiency of the DC-DC actuator decreases 10 increases.

2 zeigt in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 1' für eine Spannungsquelle mit einem Mittelanschluss, der zum Beispiel elektrisch auf Masse liegt. Die Schaltungsanordnung 1' weist einen Spannungszwischenkreis 20 auf, bei dem der Mittenkondensator aus zwei in Serie geschalteten Einzelkondensatoren besteht, nämlich dem Mitten-Minuskondensator C0n und dem Mitten-Pluskondensator C0p. Das Mittenpotential der Gleichspannungsquelle liegt ebenso wie der mittlere Potentialpunkt des Spannungszwischenkreises 20' auf elektrisch Masse. 2 shows a circuit diagram of an embodiment of a circuit arrangement 1' for a voltage source having a center terminal which is electrically grounded, for example. The circuit arrangement 1' has a voltage intermediate circuit 20 in which the center capacitor consists of two series-connected single capacitors, namely the center minus capacitor C 0n and the center plus capacitor C 0p . The middle potential of the DC voltage source is as well as the average potential point of the voltage intermediate circuit 20 ' on electrical ground.

3 zeigt eine Schaltungsanordnung 1'', mit der sowohl die Betriebseigenschaften als auch der leistungselektronische Aufwand der Schaltungsanordnung durch eine Parallelisierung von mehreren DC-DC-Stellern weiter verbessert worden ist. Der zweigeteilte DC-DC-Steller 10' weist einen ersten Schaltungsteil 11' und einen zweiten Schaltungsteil 12' auf. Es könnten auch mehr als zwei jeweils parallele DC-DC-Steller vorgesehen sein. Beide Schaltungsteile, also beide Halbbrücken, weisen jeweils zwei parallele DC-DC-Steller auf, was einen Einsatz der Schaltungsanordnung 1'' für einen Energieaustausch in beide Richtungen ermöglicht, also von der Gleichspannungsseite zur Wechselspannungsseite und umgekehrt. 3 shows a circuit arrangement 1'' with which both the operating characteristics and the power electronic complexity of the circuit arrangement has been further improved by parallelizing several DC-DC actuators. The two-part DC-DC controller 10 ' has a first circuit part 11 ' and a second circuit part 12 ' on. It could also be provided more than two parallel DC-DC controller in each case. Both circuit parts, so both half-bridges, each have two parallel DC-DC controller, which is an application of the circuit arrangement 1'' allows for an energy exchange in both directions, ie from the DC side to the AC side and vice versa.

Durch ein versetztes Takten der einzelnen Halbbrücken im zweigeteilten DC-DC-Steller 10' wird der Bauaufwand sowohl der Drosseln Lp1, Lp2, Ln1 und Ln2 als auch der Kondensatoren aufgrund einer geringeren Wechselstrombelastung gesenkt. Im Teillastbereich kann die Abschaltung einzelner Halbbrücken zu Vorteilen im Wirkungsgrad führen. Weisen die beiden als Halbbrücken ausgebildeten Schaltungsteile 11' und 12' jeweils zwei aktive Halbleiterschalter auf, nämlich die Schalter Sp/nhx und Sp'nlx (mit x = 1, 2, ... als Nummer der Phase des DC-DC-Stellers), kann in beide Richtungen elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Spannungszwischenkreis 20 ausgetauscht werden. Soll die Schaltungsanordnung 1'' nur für eine Anwendung verwendet werden, die lediglich den Energieaustausch in einer Richtung erfordert, so kann jeweils ein aktiver Schalter jeweils durch eine Diode ersetzt werden.By staggered clocking of the individual half-bridges in the two-part DC-DC controller 10 ' The construction cost of both the inductors L p1 , L p2 , L n1 and L n2 and the capacitors is lowered due to a lower AC load. In the partial load range, switching off individual half-bridges can lead to advantages in efficiency. Assign the two circuit parts designed as half bridges 11 ' and 12 ' in each case two active semiconductor switches, namely the switches S p / nhx and S p'nlx (with x = 1, 2, ... as the number of the phase of the DC-DC-controller), can in both directions electrical energy between the DC voltage source and the voltage intermediate circuit 20 be replaced. Should the circuit arrangement 1'' be used only for an application that requires only the energy exchange in one direction, so each one active switch can be replaced by a respective diode.

So können für den Energiefluss aus der Gleichspannungsquelle in Richtung hin zum Spannungszwischenkreis 20 für den Hochsetzstellerbetrieb die Schalter Sphx und Snlx durch Dioden ersetzt werden. Diese Anwendung ist zum Beispiel bei der Verwendung von Solarzellen als Gleichspannungsquelle bzw. Gleichspannungsquellen sinnvoll, da der Aufwand zur Ansteuerung der aktiven Schalter reduziert wird. Ist eine Anwendung mit einem Energiefluss lediglich in Richtung hin zur Gleichspannungsquelle B vorgesehen, also aus dem Spannungszwischenkreis 20 heraus, so können die Schalter Splx und Snhx für den Betrieb als Tiefsetzsteller durch Dioden ersetzt werden.Thus, for the energy flow from the DC voltage source towards the voltage source 20 for the boost converter operation, the switches S phx and S nlx are replaced by diodes. This application is useful, for example, in the use of solar cells as a DC voltage source or DC voltage sources, as the effort to control the active switch is reduced. If an application with an energy flow is provided only in the direction of the DC voltage source B, ie from the voltage intermediate circuit 20 out, so the switch S plx and S nhx can be replaced by diodes for operation as a buck converter.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung als Schaltungsanordnung 1''', bei dem mehrere, zum Beispiel voneinander verschiedene Gleichspannungsquellen an die Schaltungsanordnung 1''' angeschlossen sind. Im Schaltbild, das in 4 gezeigt ist, sind diese beispielhaft als Gleichspannungsquelle B1 und Gleichspannungsquelle B2 gezeigt. Es sind aber auch Ausführungsformen analog realisierbar, bei denen mehr als zwei Gleichspannungsquellen an die Schaltungsanordnung 1''' angeschossen bzw. anschließbar sind. 4 shows an embodiment of the circuit arrangement as a circuit arrangement 1''' in which a plurality of, for example, mutually different DC voltage sources to the circuit arrangement 1''' are connected. In the circuit diagram, the in 4 are shown, these are shown by way of example as DC voltage source B1 and DC voltage source B2. However, embodiments can also be implemented analogously in which more than two DC voltage sources are connected to the circuit arrangement 1''' are shot or connected.

Dazu weist der zweigeteilte DC-DC-Steller 10'' für jede Spannungsquelle einen DC-DC-Steller in seinem ersten Schaltungsteil 11' und in seinem zweiten Schaltungsteil 12' auf. Die Gleichspannungsquellen B1, B2, usw. können dabei unabhängig voneinander ausgebildet sein und somit unterschiedliche Gleichspannungen bereitstellen sowie unterschiedliche Variationen der Spannungshöhe aufweisen. Die Schaltungsanordnung 1''' ermöglicht für jede angeschlossene Gleichspannungsquelle eine individuelle Spannungsanpassung, was zum Beispiel im Bereich der Photovoltaik ein Maximum-Tower-Point-Tracking (kurz MPP-Tracking) für jeden einzelnen über den jeweiligen DC-DC-Steller angeschlossenen Modulstrang ermöglicht. Ein solcher Modulstrang kann mehrere Solarmodule aufweisen, die jeweils als Strang wie eine der Gleichspannungsquellen B1 bzw. B2 usw. angeschlossen werden können.This is indicated by the two-part DC-DC controller 10 '' for each voltage source, a DC-DC converter in its first circuit part 11 ' and in its second circuit part 12 ' on. The DC voltage sources B1, B2, etc. can be formed independently of each other and thus provide different DC voltages and have different variations in the voltage level. The circuit arrangement 1''' allows for each DC voltage source connected an individual voltage adjustment, which allows, for example in the field of photovoltaic maximum tower point tracking (MPP tracking) for each connected via the respective DC-DC controller module string. Such a module string may comprise a plurality of solar modules, which may each be connected as a string such as one of the DC voltage sources B1 and B2, etc.

Sind die Gleichspannungsquellen als Batterien ausgebildet, ermöglicht die Schaltungsanordnung 1''' die Anbindung von mehreren Batteriestacks, wo jeder Batteriestack abhängig vom jeweiligen Ladezustand und unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Strömen bei verschiedenen Spannungen auf- oder entladen werden kann. An die Schaltungsanordnung 1''' kann auch eine Kombination aus verschiedenen Gleichspannungsquellen angeschlossen werden, wie zum Beispiel eine Kombination aus Batterien und Brennstoffzellen, aus Batterien und (Super-)kondensator-Speicher, aus Photovoltaik und Batterie, etc. Die Schaltungsanordnung 1''' ist flexibel, was den Anschluss unterschiedlicher Gleichspannungsquellen und/oder -senken betrifft.If the DC voltage sources are designed as batteries, the circuit arrangement allows 1''' the connection of several battery stacks, where each battery stack can be charged or discharged independently of each other with different currents at different voltages depending on the respective state of charge. To the circuit arrangement 1''' Also, a combination of different DC power sources can be connected, such as a combination of batteries and fuel cells, batteries and (super) capacitor storage, photovoltaic and battery, etc. The circuitry 1''' is flexible in terms of connecting different DC sources and / or sinks.

Jeder einzelne DC-DC-Steller als Unterbauteil des zweigeteilten DC-DC-Steller 10' kann dabei für die jeweilige Gleichspannungsquelle als mehrphasiger, parallel geschalteter Hoch-Tiefsetzschalter ausgebildet sein, analog zu den DC-DC-Stellern in den Schaltungsteilen 11' und 12' in 3. Alle einzelnen DC-DC-Steller können aus Modulen mit gleichen Bauteilen ausgebildet sein, also mit gleichen Transistoren, Dioden, Drosseln und/oder Kondensatoren. Diese Baugruppen lassen sich zur flexiblen Nutzung gemäß den Anforderungen der jeweiligen Gleichspannungsquelle verschalten, also abhängig von deren Anzahl, deren Stromstärke, deren Energieleistung, etc. Jede Gleichspannungsquelle kann über einen oder mehrere DC-DC-Steller des zweigeteilten DC-DC-Stellers 10' an den Spannungszwischenkreis 20 angebunden sein. Somit ist die Schaltungsanordnung 1''' modular ausgebildet und ermöglicht damit eine hohe Skalierbarkeit für den Aufbau des Gesamtsystems, sowie eine einfache Fertigung und Installation.Each individual DC-DC controller as a subcomponent of the two-part DC-DC controller 10 ' can be designed for the respective DC voltage source as a multi-phase, parallel switched high-Tiefsetzschalter, analogous to the DC-DC-controllers in the circuit parts 11 ' and 12 ' in 3 , All individual DC-DC controllers may be formed of modules with the same components, ie with the same transistors, diodes, chokes and / or Capacitors. These modules can be interconnected for flexible use according to the requirements of the respective DC voltage source, that is, depending on their number, their current strength, their energy output, etc. Each DC voltage source can via one or more DC-DC controller of the two-part DC-DC controller 10 ' to the voltage intermediate circuit 20 be connected. Thus, the circuit arrangement 1''' modular design and thus enables a high scalability for the construction of the entire system, as well as a simple production and installation.

Der Wechselrichter 30, der für vier Potentialpunkte ausgebildet ist, also zum Beispiel als 4-Punkt-Wechselrichter bzw. 4-Level-Wechselrichter, ist in den Figuren in einem funktionalen Schaltbild mit Schaltern dargestellt. Der Wechselrichter 30 erzeugt aus der Gleichspannung UB bzw. den Teilspannungen des Spannungszwischenkreises 20 eine Wechselspannung Ua. Die Grundschwingungsamplitude der Wechselspannung Ua sowie deren Frequenz sind über den Wechselrichter 30 frei einstellbar.The inverter 30 , which is designed for four potential points, so for example as a 4-point inverter or 4-level inverter is shown in the figures in a functional diagram with switches. The inverter 30 generated from the DC voltage U B or the partial voltages of the voltage intermediate circuit 20 an AC voltage U a . The fundamental amplitude of the AC voltage U a and their frequency are on the inverter 30 freely adjustable.

Dazu werden bis zu vier diskrete Spannungsstufen verwendet, nämlich die vier Potentialpunkte PP, PP0, PN0 und PN des Spannungszwischenkreises 20.For this purpose, up to four discrete voltage stages are used, namely the four potential points PP, PP0, PN0 and PN of the voltage intermediate circuit 20 ,

5 zeigt in insgesamt sechs Diagrammen, wie durch die Schalterstellungen des Wechselrichters 30, genauer die Schalterstellungen der Phasenschaltungsteile 31, 32 bzw. 33, eine Wechselspannung Ua erzeugt wird. Im obersten Diagramm ist ein Sollwert einer Soll-Wechselspannung Ua* gezeigt, der am Ausgang des Wechselrichters 30 abgegriffen bzw. bereitsgestellt werden soll. 5 shows in a total of six diagrams, as by the switch positions of the inverter 30 , more precisely, the switch positions of the phase circuit parts 31 . 32 respectively. 33 , an AC voltage U a is generated. The uppermost diagram shows a nominal value of a nominal AC voltage U a * which is present at the output of the inverter 30 should be tapped or provided.

In 5 ist im zweiten Diagramm von oben der tatsächlich bereitgestellte Spannungsverlauf der Ausgangsspannung Ua dargestellt, die sich aufgrund von Schalterstellungen im Wechselrichter 30 ergibt und als eine Phasenspannung bereitgestellt wird.In 5 is shown in the second diagram from above the actually provided voltage waveform of the output voltage U a , which is due to switch positions in the inverter 30 yields and is provided as a phase voltage.

In den vier Potentialpunkten PP, PP0, PN0 und PN werden jeweils die folgenden vier Spannungsstufen bereitgestellt:

  • – +UCp + UC0/2, wenn Schalter Spy aktiv ist,
  • – +UC0/2, wenn Schalter Sp0y aktiv ist,
  • – UC0/2, wenn Schalter Sn0y aktiv ist und
  • – –UCn – UC0/2, wenn Schalter Sny aktiv ist.
In each of the four potential points PP, PP0, PN0 and PN, the following four voltage levels are provided:
  • - + U Cp + U C0 / 2, when switch S py is active,
  • - + U C0 / 2, if switch S p0y is active,
  • - U C0 / 2, if switch S n0y is active and
  • - U Cn - U C0 / 2, if switch S ny is active.

Dabei steht y für die Nummer des jeweiligen Phasenschaltungsteils, in dem der Schalter angeordnet ist, siehe auch 1. Der Wechselrichter 30 steuert und/oder regelt die einzelnen Schalter so, dass in jedem Phasenschaltungsteil 31, 32 und 33 jeweils nur einer der vier genannten Schalter aktiv ist, also nur einer der vier Potentialpunkte des Spannungszwischenkreises 20 mit einem Ausgang des Wechselrichters 30 verbunden ist.Where y is the number of the respective phase circuit part in which the switch is arranged, see also 1 , The inverter 30 controls and / or regulates the individual switches so that in each phase circuit part 31 . 32 and 33 in each case only one of the four switches mentioned is active, ie only one of the four potential points of the voltage intermediate circuit 20 with an output of the inverter 30 connected is.

Die zugehörigen Schaltsignale der einzelnen Schalter des Wechselrichters 30 lassen sich durch ein geeignetes Trägerverfahren erzeugen. Die Schaltsignale für die vier Schalter einer Phase sind in den unteren vier Diagrammen der 5 gezeigt. Der Spannungsverlauf der Ausgangswechselspannung Ua entsteht mit vier Stufen ('Levels') für eine Phase. Dabei wird der Oberschwingungsgehalt der Wechselspannung Ua im Vergleich zu 2-Punkt oder auch 3-Punkt Umrichtern deutlich reduziert.The associated switching signals of the individual switches of the inverter 30 can be produced by a suitable carrier method. The switching signals for the four switches of a phase are in the lower four diagrams of the 5 shown. The voltage curve of the output AC voltage U a arises with four levels ('Levels') for one phase. In this case, the harmonic content of the AC voltage U a is significantly reduced compared to 2-point or 3-point converters.

Im Betrieb können die Teilspannungen am Spannungszwischenkreis 20 dynamisch gemäß den Anforderungen an die Wechselspannungsamplitude angepasst werden. Damit wird durch die Schaltungsanordnung eine Reduktion der Schaltverluste in den Halbleiterbauteilen durch eine gezielte Absenkung der Teilspannungen im Spannungszwischenkreis 20 ermöglicht. Alternativ kann auch eine höhere Spannung im Spannungszwischenkreis erzeugt werden als durch die Gleichspannung UB bereitgestellt wird, wenn die Last auf der Wechselrichterseite eine höhere Spannung erfordert. Dies kann zum Beispiel bei batteriegespeisten Antrieben der Fall sein.During operation, the partial voltages at the voltage intermediate circuit 20 be dynamically adjusted according to the requirements of the AC voltage amplitude. Thus, by the circuit arrangement, a reduction of the switching losses in the semiconductor components by a targeted lowering of the partial voltages in the voltage intermediate circuit 20 allows. Alternatively, a higher voltage can be generated in the voltage intermediate circuit than is provided by the DC voltage U B , when the load on the inverter side requires a higher voltage. This can be the case, for example, with battery-powered drives.

Durch diese Optimierung wird der Oberschwingungsgehalt in der Wechselspannung Ua gezielt reduziert. Die Schaltzustände der Halbleiterschalter werden so gewählt, dass auf der einen Seite die gewünschte Grundschwingung der Wechselspannung Ua erzeugt wird, und auf der anderen Seite die Belastung der Kondensatoren im Spannungszwischenkreis 20 zum Beispiel symmetrisch erfolgt. Dabei werden vorzugsweise Ströme in den Kondensatoren des Spannungszwischenkreises 20 eingestellt, die entweder über den Zeitbereich einer Taktperiode oder über den Zeitbereich einer Periode der Grundschwingung der Wechselspannung Ua mittelwertfrei sein, was durch eine geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter gewährleistet werden kann. Dies kann durch redundante Schaltzustände realisiert werden, die gemäß den Anforderungen für bestimmte Zeitdauern aktiv sind. Die zugehörigen Schaltmuster können so optimiert werden, dass ein möglichst effizienter Betrieb sowohl des Wechselrichters 30 als auch des zweigeteilten DC-DC-Stellers 10 ermöglicht wird. Dabei kann das Verhältnis der inneren Spannung, also der Mittenspannung UC0, zu den beiden äußeren Spannungen UCp und UCn als Freiheitsgrad vorteilhaft für die Optimierung genutzt werden. Die Optimierung der Schaltmuster und die Wahl der Teilspannungen im Spannungszwischenkreis 20 kann so eingestellt werden, dass der Oberschwingungsgehalt in der Wechselspannung Ua gezielt reduziert wird und/oder bestimmte Oberschwingungen minimiert werden.This optimization systematically reduces the harmonic content in the AC voltage U a . The switching states of the semiconductor switches are chosen so that on the one hand, the desired fundamental oscillation of the AC voltage U a is generated, and on the other hand, the load of the capacitors in the voltage intermediate circuit 20 for example symmetrically. In this case, currents are preferably in the capacitors of the voltage intermediate circuit 20 set to be averaging either over the time range of a clock period or over the time range of a period of the fundamental of the AC voltage U a , which can be ensured by a suitable control of the semiconductor switch. This can be realized by redundant switching states, which are active according to the requirements for certain periods of time. The associated switching patterns can be optimized so that the most efficient operation of both the inverter 30 as well as the two-part DC-DC controller 10 is possible. In this case, the ratio of the internal voltage, that is, the center voltage U C0 , to the two external voltages U Cp and U Cn can be advantageously used as the degree of freedom for the optimization. The optimization of the switching patterns and the choice of partial voltages in the voltage intermediate circuit 20 can be adjusted so that the harmonic content is selectively reduced in the AC voltage U a and / or certain harmonics are minimized.

Ausführungsformen des Wechselrichters Embodiments of the inverter

Zum Abgreifen der vier Potentialpunkte des Spannungszwischenkreises 20 über den an die vier Potentialpunkte angekoppelten Wechselrichter 30 können verschiedene Ausführungsformen eines Wechselrichters verwendet werden.For picking up the four potential points of the voltage intermediate circuit 20 over the inverter coupled to the four potential points 30 For example, various embodiments of an inverter may be used.

6A zeigt einen dreigeteilten Spannungszwischenkreis 20, an dessen Potentialpunkte ein Wechselrichter 30' angeschlossen ist, der als ein 4-Level-Diode-Clamped Wechselrichter ausgebildet ist. Dieser ist mit einem entsprechenden Steuerverfahren zum Beispiel aus dem Artikel ”A new link potential control scheme for four-level-inverter with passive rectifier” von Rae-Young Kim und Yo-Han Lee und Dong-Seok Hyun bekannt. Die in diesem Artikel vorgestellten Steuerverfahren können prinzipiell auf andere 4-Punkt-Wechselrichter übertragen werden. Ein Vorteil des Wechselrichters 30' ist eine geringe Spannungsbelastung der Halbleiter im Sperrbetrieb. So müssen die drei Halbleiterschalter im oberen und unteren Zweig lediglich Sperrspannungen mit mindestens der jeweiligen Kondensatorspannung UCp/0/n standhalten. Die sogenannten Clamp-Dioden, welche die Verbindung zu den beiden Zwischenpotentialen des Zwischenkreises darstellen, sollten eine Mindestsperrspannung von UCp bzw. UCn (an den oberen und unteren Dioden) sowie UCp + UC0 bzw. UCn + UC0 (an den mittleren zwei Dioden) aufweisen. Die höhere Sperrspannung der mittleren Dioden kann durch die Serienschaltung von zwei oder mehreren Dioden realisiert werden. Der Wechselrichter 30' lässt sich aus Standard-Halbbrückenmodulen mit den zusätzlichen Clamp-Dioden aufbauen. Die Clamp-Dioden können durch aktiv geschaltete Transistoren ersetzt sein. 6A shows a tripartite voltage intermediate circuit 20 , at whose potential points an inverter 30 ' is connected, which is designed as a 4-level diode-clamped inverter. This is known with a corresponding control method, for example, from the article "A new link potential control scheme for four-level inverters with passive rectifier" by Rae-Young Kim and Yo-Han Lee and Dong-Seok Hyun. The control methods presented in this article can in principle be transferred to other 4-point inverters. An advantage of the inverter 30 ' is a low voltage load of the semiconductor in the blocking mode. Thus, the three semiconductor switches in the upper and lower branch only have to withstand blocking voltages with at least the respective capacitor voltage U Cp / 0 / n . The so-called clamp diodes, which represent the connection to the two intermediate potentials of the intermediate circuit, should have a minimum blocking voltage of U Cp or U Cn (at the upper and lower diodes) and U Cp + U C0 or U Cn + U C0 (at the middle two diodes). The higher blocking voltage of the middle diodes can be realized by the series connection of two or more diodes. The inverter 30 ' can be made up of standard half-bridge modules with the additional clamp diodes. The clamp diodes can be replaced by actively switched transistors.

6B und 6C zeigen in einem Schaltbild Wechselrichter 30'' und 30''', die als 4-Level-T-Type Inverter ausgebildet sind, die als sogenannte ”nested multilevel configuration” aus dem gleichnamigen Artikel von dos Santos Junior, E. C. und Muniz, J. H. G. und da Silva, E. R. C. und Jacobina, C. W. bekannt sind. 6B and 6C show inverter in a circuit diagram 30 '' and 30 ''' , which are designed as a 4-level T-type inverter, which are known as so-called "nested multilevel configuration" from the same article by dos Santos Junior, EC and Muniz, JHG and da Silva, ERC and Jacobina, CW.

Im Vergleich zu 4-Level Diode-Clamped Wechselrichtern entfallen die vier Clamp Dioden pro Phase. Die Wechselrichter 30'' und 30''' weisen einen oberen und einen unteren Halbleiterschalter auf, deren Sperrspannungen für die Summe der Kondensatorspannungen (UCp + UC0 + UCn) im Spannungszwischenkreis 20 ausgelegt sind. Die beiden mittleren Schalter, die eine Verbindung zu den Zwischenpotentialen des Spannungszwischenkreises 20 bereitstellen, sind durch leistungselektronische Bauelemente derart ausgeführt, dass sie in beide Richtungen sperrfähig und leitfähig sind. Dies kann zum Beispiel mit der in 6B und 6C gezeigten Ausführungsform durch die Serienschaltung von zwei entgegengesetzt angeordneten Standardhalbleiterschaltern mit integrierter antiparalleler Diode realisiert werden. Bei einer alternativen Verwendung von speziellen, rückwärts sperrfähigen Transistoren kann jeweils auf die beiden Dioden verzichtet werden. Somit werden die beiden Transistoren in entgegengesetzter Durchlassrichtung direkt parallel geschaltet. Die zugehörigen Halbleiter sollten dabei mindestens eine Sperrspannung von UCp + UC0 bzw. UCn + UC0 aufweisen.Compared to 4-level diode-clamped inverters, the four clamp diodes per phase are eliminated. The inverters 30 '' and 30 ''' have an upper and a lower semiconductor switch whose blocking voltages for the sum of the capacitor voltages (U Cp + U C0 + U Cn ) in the voltage intermediate circuit 20 are designed. The two middle switches, which connect to the intermediate potentials of the voltage intermediate circuit 20 are performed by power electronic components so that they are able to block and conduct in both directions. This can be done, for example, with the in 6B and 6C embodiment shown by the series connection of two oppositely arranged standard semiconductor switches with integrated anti-parallel diode can be realized. In an alternative use of special reverse blocking transistors can be dispensed with each of the two diodes. Thus, the two transistors are connected in parallel in the opposite forward direction. The associated semiconductors should have at least one blocking voltage of U Cp + U C0 or U Cn + U C0 .

7A zeigt in einem Schaltbild einen Wechselrichter 30A', der als 4-Level Multi-Point-Clamped Wechselrichter ausgebildet ist, der zum Beispiel aus dem Artikel ”Multilevel Converters for UPS applications: Comparison and Implementation” von Lega, A. und Munk-Nielson, S. and Blaabjerg, F. and Casadei, D. bekannt ist. Die Wechselrichterschaltung 30A' weist für den Pluskondensator Cp und den Minuskondensator Cn jeweils eine Halbbrücke auf, die zwei Leistungshalbleiterschalter aufweist. Die Sperrspannung der dabei beteiligten Bauelemente sollte zumindest UCp bzw. UCn betragen. An die beiden Mittelpunkte der beiden Halbbrücken ist eine weitere Halbbrücke angeschlossen, deren Mittelpunkt den Anschlusspunkt der Ausgangsspannung Ua bereitstellt. Die Sperrspannungen dieser Halbleiterbauelemente sollte zumindest UCp + UC0 bzw. UCn + UC0 betragen. Ein Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass der Wechselrichter 30A' aus konventionellen Halbbrücken aufgebaut werden kann und keine zusätzlichen Halbleiterschalter wie zum Beispiel Dioden benötigt. 7A shows a circuit diagram of an inverter 30A ' , which is designed as a 4-level multi-point clamped inverter, for example, from the article "Multilevel Converters for UPS applications: Comparison and Implementation" by Lega, A. and Munk-Nielson, S. and Blaabjerg, F. and Casadei, D. is known. The inverter circuit 30A ' has for the positive capacitor C p and the negative capacitor C n each have a half-bridge, which has two power semiconductor switch. The blocking voltage of the components involved should be at least U Cp or U Cn . To the two centers of the two half-bridges, a further half-bridge is connected, the center of which provides the connection point of the output voltage U a . The blocking voltages of these semiconductor components should be at least U Cp + U C0 or U Cn + U C0 . An advantage of this circuit is that the inverter 30A ' can be built from conventional half-bridges and no additional semiconductor switches such as diodes needed.

7B zeigt in einem Schaltbild eine weitere Ausführungsform eines Wechselrichters 30A'' als ein 4-Level Active-Neutral-Point-Clamped Inverter. Ein solcher Wechselrichter ist zum Beispiel aus dem Artikel ”A new four-level PWM inverter topology for high power applications – effect of switching strategies an power losses distribution” von Perantzakis, G. S. and Xepapas, F. H. and Manias, S. N. bekannt. Der Wechselrichter 30A'' weist einen 3-Level-Neutral-Point-Clamped (NPC) Inverter auf mit aktiven Schaltern parallel zu den beiden Clamp-Dioden, dessen Mittelanzapfung über eine Halbbrücke an die beiden Zwischenpotentiale des Zwischenkreises angebunden ist. Diese zusätzliche Halbbrücke sollte Bauteile mit einer Mindestsperrspannung von UC0 aufweisen. Die Halbleiterbauelemente des NPCs sollte für die Spannungen UCp + UC0 bzw. UCn + UC0 ausgelegt sein. Der Wechselrichter 30A'' weist konventionelle Halbbrücken auf, ohne zusätzliche Bauelemente zu benötigen. Der Wechselrichter 30A'' ermöglicht ein Optimieren der Leit- und Schaltverluste in den Halbleiterbauelementen durch redundante Schaltzustände, ohne die Oberschwingungen in der Wechselspannung negativ zu beeinflussen. 7B shows a circuit diagram of another embodiment of an inverter 30A '' as a 4-level Active-Neutral-Point-Clamped Inverter. Such an inverter is known, for example, from the article "A new four-level PWM inverter topology for high power applications" by Perantzakis, GS and Xepapas, FH and Manias, SN. The inverter 30A '' has a 3-level neutral-point-clamped (NPC) inverter with active switches in parallel to the two clamp diodes, whose center tap is connected via a half-bridge to the two intermediate potentials of the DC link. This additional half-bridge should have components with a minimum blocking voltage of U C0 . The semiconductor components of the NPC should be designed for the voltages U Cp + U C0 and U Cn + U C0 . The inverter 30A '' has conventional half bridges without requiring additional components. The inverter 30A '' allows optimization of the conduction and switching losses in the semiconductor devices by redundant switching states, without negatively affecting the harmonics in the AC voltage.

8A zeigt einen Wechselrichter 30B', der als ein 2 × 2-Punkt-Wechselrichter ausgebildet ist. Für die Speisung von einzelnen, separaten Wicklungen, wie sie zum Beispiel bei Transformatoren und elektrischen Maschinen Bestandteile sind, bietet der Wechselrichter 30B' Vorteile bezüglich seines Bauaufwands. Jede einzelne Phase des 2 × 2-Punkt-Wechselrichters weist zwei Halbbrücken auf, die die beiden Anschlüsse einer Wicklung der elektrischen Maschine speisen. Diejenige Halbbrücke, die an den Mittenkondensator C0 angeschlossen ist, kann mit reduzierter Sperrspannung entsprechend zu UC0 ausgeführt sein. Die Halbbrücke dient durch hochfrequentes Schalten vorteilhaft zur Pulsbreitenmodulation (PWM) der anteiligen Spannung. Die zweite Halbbrücke ist an den äußeren Klemmen des Zwischenkreises angeschlossen und sollte deshalb mit einer Sperrspannung von mindestens UCp + UC0 + UCn ausgeführt sein. Die zweite Halbbrücke dient der niederfrequenten Umschaltung für die äußeren Spannungsniveaus des Spannungszwischenkreises 20. Durch die Schaltungsanordnung mit dem Wechselrichter 30B' kann eine Wicklung der Maschine bzw. des Transformators mit folgenden vier Spannungsniveaus für Ua gespeist werden: +UC0 + UCn, UCn, –UCp, und –UC0 – UCp. 8A shows an inverter 30B ' which is formed as a 2 × 2-point inverter. The inverter offers the power supply for individual, separate windings, as are components of transformers and electrical machines, for example 30B ' Benefits in terms of construction costs. Each individual phase of the 2 × 2-point inverter has two half-bridges which feed the two terminals of a winding of the electric machine. The half-bridge which is connected to the center capacitor C 0 can be designed with a reduced blocking voltage corresponding to U C0 . The half-bridge is used by high-frequency switching advantageous for pulse width modulation (PWM) of the proportionate voltage. The second half-bridge is connected to the outer terminals of the intermediate circuit and should therefore be designed with a blocking voltage of at least U Cp + U C0 + U Cn . The second half-bridge is used for low-frequency switching for the external voltage levels of the voltage intermediate circuit 20 , By the circuit arrangement with the inverter 30B ' For example, one winding of the machine or transformer can be supplied with the following four voltage levels for U a : + U C0 + U Cn , U Cn , -U Cp , and -U C0 - U Cp .

Der Mittenkondensator C0 kann wie in 2 dargestellt zweiteilig aufgeteilt sein, wobei eine oder beide Halbbrücken des Wechselrichters durch einen 3-Punkt-Wechselrichter ersetzt wird. Dies ist in einem Schaltbild in 8B gezeigt. Der mittlere Anschluss des 3-Punkt Wechselrichters ist an das mittlere Potential angeschlossen. Dadurch wird die mögliche Stufenzahl im Spannungsverlauf erhöht, wodurch die Spannungsqualität weiter gesteigert wird. Der 3-Punkt-Wechselrichter kann entweder als T-Type oder NPC 3-Punkt Wechselrichter realisiert sein. Grundsätzlich kann zum Anschluss an einen Transformator oder an eine Maschine die Schaltungsanordnung eine Kombination aus zwei 2-Punkt Wechselrichtern, zwei 3-Punkt-Wechselrichtern oder einem 2-Punkt und einem 3-Punkt Wechselrichter aufweisen.The center capacitor C 0 may be as in 2 be divided into two parts, with one or both half-bridges of the inverter is replaced by a 3-point inverter. This is in a schematic in 8B shown. The middle connection of the 3-point inverter is connected to the middle potential. As a result, the possible number of steps in the voltage curve is increased, whereby the voltage quality is further increased. The 3-point inverter can be realized either as T-type or NPC 3-point inverter. In principle, for connection to a transformer or to a machine, the circuit arrangement may comprise a combination of two 2-point inverters, two 3-point inverters or one 2-point and one 3-point inverter.

9A und 9B zeigen Schaltbilder einer weiteren Ausführungsform des Wechselrichters als Wechselrichter 30C' bzw. 30C''. Dabei sind die beiden Halbbrücken einer Phase des jeweiligen Wechselrichters mit Hilfe von zwei Drosseln oder einer magnetisch gekoppelten Drossel verschaltet. Dadurch kann der Wechselrichter 30C' bzw. 30C'' beliebig viele Phasen für ein Wechselspannungssystem und/oder ein Drehspannungssystem erzeugen. Die Eigenschaften der Wechselrichter 30C' und 30C'' sind dabei vergleichbar zu den Eigenschaften der in den 8A und 8B gezeigten Wechselrichter 30B' und 30B''. Wie in diesen Ausführungsformen, können auch in den Wechselrichtern 30C' und 30C'' eine oder beide Halbbrücken durch 3-Punkt Umrichter in allen Kombinationen ersetzt werden. 9A and 9B show circuit diagrams of another embodiment of the inverter as an inverter 30C ' respectively. 30C '' , In this case, the two half-bridges of a phase of the respective inverter are connected by means of two reactors or a magnetically coupled throttle. This allows the inverter 30C ' respectively. 30C '' Generate any number of phases for an AC voltage system and / or a three-phase voltage system. The characteristics of the inverters 30C ' and 30C '' are comparable to the properties of the in the 8A and 8B shown inverter 30B ' and 30B '' , As in these embodiments, also in the inverters 30C ' and 30C '' one or both half-bridges are replaced by 3-point converters in all combinations.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Schaltungsanordnungcircuitry
11
Schaltungsanordnungcircuitry
1''1''
Schaltungsanordnungcircuitry
1'''1'''
Schaltungsanordnungcircuitry
1010
zweigeteilter DC-DC-Stellertwo-part DC-DC controller
10'10 '
zweigeteilter DC-DC-Stellertwo-part DC-DC controller
1111
erster Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellersfirst circuit part of the two-part DC-DC controller
11'11 '
erster Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellersfirst circuit part of the two-part DC-DC controller
1212
zweiter Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellerssecond circuit part of the two-part DC-DC controller
12'12 '
zweiter Schaltungsteil des zweigeteilten DC-DC-Stellerssecond circuit part of the two-part DC-DC controller
2020
SpannungszwischenkreisVoltage link
20'20 '
Spannungszwischenkreis mit MittenpotentialVoltage intermediate circuit with center potential
3030
Wechselrichterinverter
30'30 '
4-Level Diode-Clamped Wechselrichter4-level diode-clamped inverter
30''30 ''
4-Level T-Type Wechselrichter4-level T-type inverter
30'''30 '' '
4-Level T-Type Wechselrichter4-level T-type inverter
30A'30A '
4-Level Multi-Point-Clamped Wechselrichter4-level multi-point clamped inverter
30A''30A ''
4-Level Active-Neutral-Point-Clamped Wechselrichter4-level Active-Neutral-Point-Clamped inverter
30B'30B '
2 × 2-Punkt Wechselrichter2 × 2-point inverter
30B''30B ''
2 × 3-Punkt Wechselrichter2 × 3-point inverter
30C'30C '
2 × 2-Punkt Wechselrichter2 × 2-point inverter
300''300 ''
2 × 3-Punkt Wechselrichter2 × 3-point inverter
3131
Phasenschaltungsteil für die erste PhasePhase switching part for the first phase
3232
Phasenschaltungsteil für die zweite PhasePhase switching part for the second phase
3333
Phasenschaltungsteil für die dritte PhasePhase circuit part for the third phase
BB
GleichspannungsquelleDC voltage source
B1B1
erste Gleichspannungsquellefirst DC voltage source
B2B2
zweite Gleichspannungsquellesecond DC voltage source
Cn C n
Minuskondensatorminus capacitor
C0 C 0
Mittenkondensatormid capacitor
C0n C 0n
Mitten-MinuskondensatorMiddle-minus capacitor
C0p C 0p
Mitten-PluskondensatorMiddle-Plus capacitor
Cn C n
Pluskondensatorplus capacitor
Ln L n
Minusspuleminus coil
Lp L p
Plusspuleplus coil
PPPP
PluspotentialpunktPlus potential point
PP0PP0
Plus-MittenpotentialpunktPlus mid potential point
PN0PN0
Minus-MittenpotentialpunktMinus-center potential point
PNPN
MinuspotentialpunktMinus potential point
Snh S nh
innere Minusschalterinternal minus switch
Snl S nl
äußerer Minusschalterexternal minus switch
Sph Ph
äußerer Plusschalterouter plus switch
Spl S pl
innerer Minusschalterinternal minus switch
Sn1 S n1
Negativschalter der ersten PhaseNegative switch of the first phase
Sn2 S n2
Negativschalter der zweiten PhaseNegative switch of the second phase
Sn3 S n3
Negativschalter der dritten PhaseNegative switch of the third phase
Sn01 S n01
Mitte-Negativschalter der ersten PhaseCenter-negative switch of the first phase
Sn02 S n02
Mitte-Negativschalter der zweiten PhaseCenter-negative switch of the second phase
Sn03 S n03
Mitte-Negativschalter der dritten PhaseCenter-negative switch of the third phase
Sp1 S p1
Positivschalter der ersten PhasePositive switch of the first phase
Sp2 S p2
Positivschalter der zweiten PhasePositive switch of the second phase
Sp3 P3
Positivschalter der dritten PhasePositive switch of the third phase
Sp01 S p01
Mitte-Positivschalter der ersten PhaseCenter-positive switch of the first phase
Sp02 S p02
Mitte-Positivschalter der zweiten PhaseCenter-positive switch of the second phase
Sp03 S p03
Mitte-Positivschalter der dritten PhaseCenter-positive switch of the third phase
UCn U Cn
Minusspannungminus voltage
UC0 U C0
Mittenspannungcenter voltage
UC0n U C0n
Mitten-MinusspannungMiddle-minus voltage
UC0p U C0p
Mitten-PlusspannungMiddle-Plus voltage
UCp U Cp
Plusspannungplus voltage
Ua U a
WechselspannungAC
Ua' U a '
Phasenspannung der ersten PhasePhase voltage of the first phase
Ua'' U a ''
Phasenspannung der zweiten PhasePhase voltage of the second phase
Ua''' U a '''
Phasenspannung der dritten PhasePhase voltage of the third phase
Ua* U a *
SollwechselspannungShould ac
UB U B
GleichspannungDC
UB/2 U B / 2
HalbgleichspannungHalf DC

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009047936 A1 [0004] DE 102009047936 A1 [0004]

Claims (15)

Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Energie zwischen zumindest einer Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke einerseits und zumindest einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits, mit – einem zweigeteilten DC-DC-Steller (10; 10') zum Anschluss der Schaltungsanordnung (1; 1'; 1''; 1''') an den Plus- und Minuspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke, – einem Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A'; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') für zumindest vier Potentialpunkte mit zumindest einer Phase (31, 32, 33) zum Anschluss der Schaltungsanordnung (1; 1'; 1''; 1''') an die Wechselspannungssenke und/oder -quelle und – einem zumindest dreiteiligen Spannungszwischenkreis (20; 20'), der zwischen den zweigeteilten DC-DC-Steller (10; 10') und den Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') geschalten ist.Circuit arrangement for exchanging electrical energy between at least one DC voltage source (B) and / or sink on the one hand and at least one AC voltage sink and / or source on the other hand, with - a two-part DC-DC converter ( 10 ; 10 ' ) for connecting the circuit arrangement ( 1 ; 1'; 1''; 1''' ) to the plus and minus pole of the DC voltage source (B) and / or sink, - an inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A '; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) for at least four potential points with at least one phase ( 31 . 32 . 33 ) for connecting the circuit arrangement ( 1 ; 1'; 1''; 1''' ) to the AC voltage sink and / or source and - an at least three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) between the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) and the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) is switched. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der zweigeteilte DC-DC-Steller (10; 10') den Austausch elektrischer Energie zwischen der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke und dem dreiteiligen Spannungszwischenkreis (20; 20') steuert und/oder regelt.Circuit arrangement according to Claim 1, in which the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) the exchange of electrical energy between the DC voltage source (B) and / or sink and the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) controls and / or regulates. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Schaltungsteil (11; 11') des zweigeteilten DC-DC-Stellers (10; 10') elektrisch mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke verbunden ist, und ein zweiter Schaltungsteil (12; 12') des zweigeteilten DC-DC-Stellers (10; 10') elektrisch mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke verbunden ist.Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, a first circuit part ( 11 ; 11 ' ) of the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) is electrically connected to the negative pole of the DC voltage source (B) and / or sink, and a second circuit part ( 12 ; 12 ' ) of the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) is electrically connected to the positive pole of the DC voltage source (B) and / or sink. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein erster Schaltungsteil (11; 11') und ein zweiter Schaltungsteil (12; 12') des zweigeteilten DC-DC-Stellers (10; 10') jeweils einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller oder einen Hoch-Tiefsetzsteller aufweist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein a first circuit part ( 11 ; 11 ' ) and a second circuit part ( 12 ; 12 ' ) of the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) each having a boost converter, a buck converter or a boost / buck converter. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei der erste Schaltungsteil (11; 11') und der zweite Schaltungsteil (12; 12') des zweigeteilten DC-DC-Stellers (10; 10') symmetrisch zueinander ausgebildet sind und sich gleichende, einander entsprechende Schaltungselemente aufweisen.Circuit arrangement according to claim 4, wherein the first circuit part ( 11 ; 11 ' ) and the second circuit part ( 12 ; 12 ' ) of the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) are symmetrical to each other and have the same, corresponding to each other circuit elements. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der dreiteilige Spannungszwischenkreis (20; 20') – zumindest drei in Serie geschaltete Kondensatoren (Cp, C0, Cn) aufweist und – jeweils zwischen den in Serie geschalteten Kondensatoren (Cp, C0, Cn) und an den beiden äußeren Enden der zumindest drei in Serie geschalteten Kondensatoren (Cp, C0, Cn) elektrische Potentialpunkte (PP, PP0, PN0, PN) zur Kontaktierung sowohl durch den zweigeteilten DC-DC-Steller (10; 10') als auch durch den Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') aufweist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) - at least three series-connected capacitors (C p , C 0 , C n ) and - in each case between the series-connected capacitors (C p , C 0 , C n ) and at the two outer ends of the at least three connected in series Capacitors (C p , C 0 , C n ) electrical potential points (PP, PP0, PN0, PN) for contacting both by the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) as well as through the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) having. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei – ein Minuskondensator (Cn) des dreiteiligen Spannungszwischenkreises (20; 20') über einen ersten Schaltungsteil (11; 11') des zweigeteilten DC-DC-Stellers (10; 10') dem Minuspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke zugeordnet ist, – ein Pluskondensator (Cp) des dreiteiligen Spannungszwischenkreises (20; 20') über einen zweiten Schaltungsteil (12; 12') des zweigeteilten DC-DC-Stellers (10; 10') dem Pluspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke zugeordnet ist und – ein Mittenkondensator (C0; C0p, C0n) in Serie zwischen den Minuskondensator (Cn) und den Pluskondensator (Cp) geschalten ist.Circuit arrangement according to Claim 6, in which - a minus capacitor (C n ) of the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) via a first circuit part ( 11 ; 11 ' ) of the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) is assigned to the negative pole of the DC voltage source (B) and / or sink, - a positive capacitor (C p ) of the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) via a second circuit part ( 12 ; 12 ' ) of the two-part DC-DC controller ( 10 ; 10 ' ) is associated with the positive pole of the DC voltage source (B) and / or sink, and - a middle capacitor (C 0 ; C 0p , C 0n ) is connected in series between the negative capacitor (C n ) and the positive capacitor (C p ). Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke ein Mittelpotential aufweist und der Mittenkondensator (C0p, C0n) zweiteilig ausgebildet ist, wobei das Mittelpotential der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke elektrisch zwischen den zweiteiligen Mittenkondensator (C0p, C0n) geschalten ist.Circuit arrangement according to claim 7, wherein the DC voltage source (B) and / or sink has a center potential and the center capacitor (C 0p , C 0n ) is formed in two parts , wherein the center potential of the DC voltage source (B) and / or sink electrically between the two-part Middle capacitor (C 0p , C 0n ) is switched. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') dazu ausgebildet und vorgesehen ist, das elektrische Potential an jeweils einem der vier Potentialpunkte (PP, PP0, PN0, PN) des dreigeteilten Spannungszwischenkreises (20; 20') zu und/oder von einer Phasenspannung (Ua', Ua'', Ua''') der Wechselspannung (Ua) der Wechselspannungssenke und/oder -quelle zu modulieren.Circuit arrangement according to one of claims 6 to 8, wherein the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) is designed and provided, the electrical potential at each one of the four potential points (PP, PP0, PN0, PN) of the tripartite voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) to and / or from a phase voltage (U a ' , U a'' , U a''' ) of the AC voltage (U a ) of the AC voltage sink and / or source to modulate. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') eine elektrische Kontaktierung zwischen elektrischen Potentialpunkten (PP, PP0, PN0, PN) des dreiteiligen Spannungszwischenkreises (20; 20') und der Wechselspannungssenke und/oder -quelle steuert und/oder regelt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) an electrical contact between potential points (PP, PP0, PN0, PN) of the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) and the AC voltage sink and / or source controls and / or regulates. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') elektrische Potentialpunkte (PP, PP0, PN0, PN) des dreiteiligen Spannungszwischenkreises (20; 20') mittels einer Pulsweitenmodulation zu einer Ausgangswechselspannung (Ua) für die Wechselspannungssenke moduliert, und/oder wobei der Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') eine Eingangswechselspannung (Ua) der Wechselspannungsquelle als ein PWM-Signal an elektrische Potentialpunkte (PP, PP0, PN0, PN) des dreiteiligen Spannungszwischenkreises legt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) electrical potential points (PP, PP0, PN0, PN) of the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) modulated by means of a pulse width modulation to an output AC voltage (U a ) for the AC voltage sink, and / or wherein the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) sets an AC input voltage (U a ) of the AC voltage source as a PWM signal to electrical potential points (PP, PP0, PN0, PN) of the three-part voltage intermediate circuit. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') zweiphasig mit zwei Phasenschaltungsteilen (31, 32, 33) ausgebildet ist und eine Wechselspannung (Ua) als Summe zweier Phasenspannungen (Ua', Ua'', Ua''') an den zwei Phasenschaltungsteilen (31, 32, 33) moduliert und/oder demoduliert.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) two-phase with two phase circuit parts ( 31 . 32 . 33 ) is formed and an alternating voltage (U a ) as the sum of two phase voltages (U a ' , U a'' , U a''' ) at the two phase circuit parts ( 31 . 32 . 33 ) modulated and / or demodulated. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') dreiphasig mit drei Phasenschaltungsteilen (31, 32, 33) ausgebildet ist und eine Wechselspannung (Ua) als Summe dreier Phasenspannungen (Ua', Ua'', Ua''') an den drei Phasenschaltungsteilen (31, 32, 33) moduliert und/oder demoduliert.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 11, wherein the inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) three-phase with three phase circuit parts ( 31 . 32 . 33 ) is formed and an alternating voltage (U a ) as the sum of three phase voltages (U a ' , U a'' , U a''' ) at the three phase circuit parts ( 31 . 32 . 33 ) modulated and / or demodulated. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wechselrichter als 4-Punkt-Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''), als 2 × 2-Punkt Wechselrichter (30B'; 30C'), als 2 × 3-Punkt Wechselrichter (30B''; 30C'') oder als eine Kombination aus einem 1 × 2-Punkt-Wechselrichter und einem 1 × 3-Punkt-Wechselrichter ausgebildet ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the inverter is designed as a 4-point inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A '' ), as a 2 × 2-point inverter ( 30B '; 30C ' ), as a 2 × 3-point inverter ( 30B ''; 30C '' ) or a combination of a 1 × 2-point inverter and a 1 × 3-point inverter. Verfahren zum Austausch elektrischer Energie zwischen zumindest einer Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke einerseits und zumindest einer Wechselspannungssenke und/oder -quelle andererseits, wobei – ein zweigeteilter DC-DC-Steller (10; 10') die elektrischen Verbindungen zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle (B) und/oder -senke einerseits und elektrischen Potentialpunkten (PP, P0; PN0; PN) eines dreiteiligen Spannungszwischenkreis (20; 20') andererseits steuert und/oder regelt, – ein Wechselrichter (30; 30'; 30''; 30'''; 30A'; 30A''; 30B'; 30B''; 30C'; 30C'') die elektrischen Verbindungen zwischen der Wechselspannungssenke und/oder -quelle und vier unterschiedlichen elektrischen Potentialpunkten (PP, PP0, PN0; PN) des dreiteiligen Spannungszwischenkreises (20; 20') steuert und/oder regelt.Method for exchanging electrical energy between at least one DC voltage source (B) and / or sink on the one hand and at least one AC voltage sink and / or source on the other hand, wherein - a two-part DC-DC converter ( 10 ; 10 ' ) the electrical connections between the plus and minus poles of the DC voltage source (B) and / or sink on the one hand and electrical potential points (PP, P0, PN0, PN) of a three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) controls and / or regulates - an inverter ( 30 ; 30 '; 30 ''; 30 '''; 30A '; 30A ''; 30B '; 30B ''; 30C '; 30C '' ) the electrical connections between the AC voltage sink and / or source and four different electrical potential points (PP, PP0, PN0; PN) of the three-part voltage intermediate circuit ( 20 ; 20 ' ) controls and / or regulates.
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