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    • 专利摘要:
    Beschrieben wird ein elektrischer Schaltwandler, der mehrere Halbleiterschalter aufweist, die mehrere primärseitige Wandlertransformatorwicklungen getaktet bestromen und mit einem die Halbleiterschalter steuernden Schaltregler, wobei der Schaltwandler einen Wandlertransformator mit mindestens zwei Primärwicklungen aufweist, wobei jeder Primärwicklung je ein Kondensator und je ein Halbleiterschalter zugeordnet ist, wobei der Schaltregler die den Primärwicklungen zugeordneten Halbleiterschalter synchron taktet und wobei jeder Primärwicklung eine Diode zugeordnet ist, die einen Ladungsausgleich zwischen den Primärwicklungen verhindert. DOLLAR A Damit kann sowohl eine hohe Spannungsfestigkeit realisiert werden als auch eine Symmetrierung von in Reihe geschalteten Kondensatoren vorgenommen werden.
    公开号:DE102004020792A1
    申请号:DE200410020792
    申请日:2004-04-28
    公开日:2005-11-24
    发明作者:Dieter Röttger；Heribert Dr. Schmidt
    申请人:Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV；Leopold Kostal GmbH and Co KG；
    IPC主号:H02M3-28
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltwandler,der mehrere Halbleiterschalter aufweist, die mehrere primärseitigeWandlertransformatorwicklungen getaktet bestromen, und mit einemdie Halbleiterschalter steuernden Schaltregler.
    [0002] DerartigeSchaltwandler sind dafürvorgesehen, aus Gleichspannungen von mehreren hundert Volt, wiesie beispielsweise von größeren Solargeneratoranordnungengeliefert werden, Hilfsspannungen mit geringen Leistungen z. B.zum Betrieb von elektronischen Schaltungen zu erzeugen.
    [0003] Prinzipiellwerden fürAnwendungen, bei denen Hilfsspannungen erzeugt werden, oft Schaltnetzteilemit Sperrwandlern eingesetzt. Diese eignen sich bei geringem Leistungsbedarf,sind einfach aufgebaut und kostengünstig sowie robust und betriebssicher.
    [0004] Problematischbei bestimmten Anwendungen wie z. B. der Photovoltaik ist, dasssolche Schaltungen fürEingangsspannungen von bis zu 1000 V geeignet sein müssen. Dabeisind Leistungshalbleiter erforderlich, die eine wesentlich größere Spannungsfestigkeitaufweisen, da diese, wenn sie nicht leiten, zusätzlich zur Eingangsspannungnoch die rückübersetzteSpannung von der Sekundär-auf die Primärwicklungstandhalten müssen.Solche Halbleiterschalter (mit Spannungsfestigkeiten bis zu 1300 V)sind aber mit den geforderten dynamischen Eigenschaften kaum verfügbar oderaber sehr teuer.
    [0005] WeitereSchaltnetzteil-Topologien sind bekannt, jedoch aufwendiger und kommendaher für denLow-Cost-Einsatz kaum in Frage.
    [0006] BeiWechselrichtern mit hohen Zwischenkreisspannungen werden häufig zweiKondensatoren in Reihe im Zwischenkreis eingesetzt. Der Grund hierfür ist zumeinen die begrenzte Spannungsfestigkeit von Kondensatoren, zum anderenwird oft eine Mittelanzapfung benötigt. Damit sich bei dieserReihenschaltung die Spannungen nicht ungleichmäßig aufteilen, werden zur Symmetrierungmeist ohmsche Widerständeeingesetzt. Diese sind jedoch groß, kostspielig, aufwendig inder Montage, verursachen Verlustleistung und verringern dadurchden Wirkungsgrad.
    [0007] Ausdem Bereich der Batterieladetechnik sind Schaltungstopologien bekannt,bei denen mehrere Wicklungen eines Transformators synchron auf unterschiedlicheEnergiespeicher aufgeschaltet werden. Diese unterscheiden sich abervon der erfindungsgemäßen Schaltunggrundsätzlich,da mit diesen vorbekannten Schaltungen ein Ladungsausgleich bewirktwird, also von einer Primärwicklungzu einer anderen Energie übertragenwird.
    [0008] DieeuropäischePatentschrift EP 0767 983 B1 beschreibt eine derartige Schaltung aus demBereich Ladungstechnik. Allerdings läßt diese Schaltung nicht nureine Entladung der Energiespeicher zu, sondern gleicht auch Ladungenaus, was in der hier angestrebten Wechselrichter-Applikation Problemebereiten und zu einem sehr großenTransformator führenwürde.
    [0009] Ausder EP 0 775 378 B1 isteine weitere Schaltung aus dem Bereich Ladungstechnik bekannt. EinLadungsausgleich, der in einer Wechselrichter- Applikation Probleme bereiten kann,findet hier ebenfalls statt.
    [0010] Esstellte sich daher die Aufgabe, einen einfachen und kostengünstig aufgebautenelektrischen Schaltwandler zu schaffen, der für hohe Eingangsspannungen (z.B. bis zu 1000 V) geeignet ist und gleichzeitig die Symmetrierungdes Zwischenkreises vornehmen kann.
    [0011] DieseAufgabe wird erfindungsgemäß dadurchgelöst,dass der Schaltwandler einen Wandlertransformator mit mindestenszwei Primärwicklungen aufweist,dass jeder Primärwicklungje ein Kondensator und je ein Halbleiterschalter zugeordnet ist, dassder Schaltregler die den Primärwicklungenzugeordneten Halbleiterschalter synchron taktet und dass jeder Primärwicklungeine Diode zugeordnet ist, die einen Ladungsausgleich zwischen denPrimärwicklungenverhindert.
    [0012] Besondersvorteilhaft ist hierbei, dass die Spannungsfestigkeit der Sperrwandlerbauteile,insbesondere die der Leistungshalbleiter, nur ein Bruchteil derSpannungsfestigkeit bei bekannten Sperrwandlertopologien entsprechenmuss, wodurch vergleichsweise kostengünstige Halbleiterschalter verwendetwerden können.
    [0013] Ebenfallsvorteilhaft ist, dass je Primärwicklungdes Wandlertransformators nur ein Halbleiterschalter benötigt wird.
    [0014] DieZeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispieledes erfindungsgemäßen Schaltwandlers.
    [0015] 1 zeigtdie fürdie Beschreibung der Erfindung wesentlichen Schaltungsteile eineselektrischen Schaltwandlers fürhohe Eingangsspannungen, der zwei Primärwicklungen aufweist.
    [0016] Die 2 zeigtin einer schematischen Darstellung, wie der anhand der 1 beschriebene Schaltwandlermit mehr als zwei Primärkreisenausgeführtwerden kann. Hierbei sind gleiche bzw. gleichwirkende Schaltungselementemit den gleichen Bezugszeichen wie in der 1 bezeichnetworden. Zur deutlicheren Darstellung wurden Schaltungselemente,die fürdas Verständnisder Verallgemeinerung nicht unbedingt erforderlich sind, in dieserFigur nicht gezeigt.
    [0017] Diedem in der 1 dargestellten SchaltwandlerzugeführteEingangsspannung, im folgenden als Zwischenkreisspannung (ZK) bezeichnet, liegtan einer Reihenschaltung von zwei als Energiespeicher fungierendenKondensatoren, im folgenden Zwischenkreis-Kondensatoren (C10, C11)genannt, an.
    [0018] Jederder beiden Zwischenkreis-Kondensatoren (C10, C11) ist Teil einesvon zwei primären Schaltkreisendes Schaltwandlers, zu dem des weiteren noch jeweils ein Halbleiterschalter(T1, T2) sowie eine Primärwicklung(W1, W2) eines Wandlertransformators (Tr1) gehört.
    [0019] Esist erforderlich, die beiden Primärwicklungen (W1, W2) auf einemeinzigen Transformator (Tr1) aufzubringen, damit eine magnetischeKopplung der Primärspulengegeben ist. Vorteilhaft dabei ist, dass ein zweiter Transformator überflüssig wird.
    [0020] BeideprimärenSchaltkreise werden synchron betrieben; entsprechend werden beideHalbleiterschalter (T1, T2) synchron angesteuert. Hierzu wird vorteilhafterweisenur ein einziger Schaltregler (I100) benötigt. Mit einer Level-Shifter-Anordnung,in diesem Ausführungsbeispielrealisiert mit einem Kondensator (C1), einem Widerstand (R3) undeiner Zener-Diode (D3), kann der zweite Halbleiterschalter (T2)mit einer aus dem Ansteuersignal des ersten Halbleiterschalters(T1) abgeleiteten Spannung angesteuert werden.
    [0021] Einbesonderer Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung bestehtdarin, dass der Betrieb des Schaltwandlers (I100) nicht direkt mitder Zwischenkreisspannung (ZK) erfolgt, sondern dass sich die Zwischenkreisspannung(ZK) überdie beiden Zwischenkreis-Kondensatoren (C10, C11) – bezogenauf das sich am Verbindungspunkt der Zwischenkreis-Kondensatoren (C1,C11) einstellende Potenzial – ineine positive und eine negative Zwischenkreisspannung (ZK+, ZK–) aufteilt,welche an den beiden primärenSchaltkreisen anliegen. Damit erhält jeder der beiden Schaltkreisepraktisch nur noch die Hälfteder Zwischenkreisspannung (ZK) zugeführt, woraus eine entsprechendgeringere erforderliche Spannungsfestigkeit der Halbleiterschalter (T1,T2) resultiert.
    [0022] DieSymmetrierung der Zwischenkreisspannungen (ZK+, ZK–) wirdinsbesondere durch die mit den Primärwicklungen (W1, W2) in Reiheliegenden Dioden (D1, D2) bewirkt.
    [0023] Istdie Zwischenkreisspannung unsymmetrisch, so wird nur von dem Zwischenkreis-Kondensator(C10 bzw. C11) Energie entnommen, der die höhere Spannung aufweist, wobeinur der zugehörige Zwischenkreis-Kondensator (C10bzw. C11) belastet wird. Die Dioden (D1 bzw. D2) verhindern einedirekte Rückspeisung über diePrimärwicklungenund somit auch einen direkten Ladungsausgleich, wie er beim eingangszitierten Stand der Technik bewußt herbeigeführt wurde.Damit ist sichergestellt, dass der Transformators (Tr1) nur für die Leistungdimensioniert sein muss, die maximal von der Sekundärseite entnommenwird und dass er nicht füreinen etwaigen Ladungsaustausch größer ausgelegt werden muss.
    [0024] EinLadungsausgleich überdie beiden Primärwicklungen(W1, W2) würdeeinen erheblich größeren Übertragererfordern.
    [0025] Derverwendete Schaltregler (I100) besitzt vorteilhafterweise eine unterlagerteStromregelung. Mittels zweier in Reihe geschalteter Shuntwiderstände (R1,R2) kann der Schaltreglers (I100) die Summe des Stromes und damitein Maß für die Größe des magnetischenGesamtflusses im Transformator (Tr1), der durch beide Primärwicklungen(W1, W2) verursacht wird, erfassen. Hierfür liegt die Masse des Schaltreglers(I100) am unteren Shuntwiderstand (R2) und damit geringfügig unterhalbdes Potenzials am Verbindungspunkt der Zwischenkreis-Kondensatoren(C10, C11). Eine Verfälschungdes abgetasteten Stromes durch den Eigenverbrauch des Schaltreglers(I100), der durch die zweite Primärwicklung (W2) fließt und nicht über dieShunt-Widerstände (R1,R2) erfaßtwird, ist hier sehr gering und vernachlässigbar.
    [0026] Die Übermittlungder Regelgröße von der Sekundär- auf diePrimärseiteerfolgt hier, wie bei Sperrwandlern vielfach üblich, über einen Optokoppler (I200).
    [0027] Die 2 zeigtanhand eines vereinfachten Schaltbildes, wie der in der 1 dargestellteSchaltwandler mit n (mit n > 2)Primärkreisenausgeführt werdenkann. Die dem Schaltwandler zugeführte Zwischenkreisspannungverteilt sich hier auf eine Reihenschaltung von n Kondensatoren(C10, C11, Cn), wodurch sich die Spannungsbelastung jedes Primärkreisesentsprechend verringert. Je zusätzlichemPrimärkreiswird weiterhin je ein Level-Shifter, ein zusätzlicher Halbleiterschalter(Tn), eine weitere Diode (Dn), sowie eine weitere Primärwicklung(Wn) am Wandlertransformator (Tr1) benötigt. Die Funktionsweise entsprichthierbei der der in der 1 beschriebenen Schaltung, wobeihier der Schaltregler n (n > 2)statt – wiedargestellt – zweiPrimärkreisesynchron steuert.
    C1,D3, R3 Level-Shifter C10,C11, Cn Zwischenkreis-Kondensatoren D1,D2, Dn Dioden I100 Schaltregler I200 Optokoppler R1,R2 Shuntwiderstände T1,T2, Tn Halbleiterschalter Tr1 Transformator W1,W2, Wn Primärwicklungen ZK Zwischenkreisspannung ZK+ positiveZwischenkreisspannung ZK– negativeZwischenkreisspannung
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Elektrischer Schaltwandler, der mehrereHalbleiterschalter aufweist, die mehrere primärseitige Wandlertransformatorwicklungengetaktet bestromen, und mit einem die Halbleiterschalter steuernden Schaltregler, dadurchgekennzeichnet, dass der Schaltwandler einen Wandlertransformator (Tr)mit mindestens zwei Primärwicklungen(W1, W2, Wn) aufweist, dass jeder Primärwicklung je ein Kondensator(C10, C11, Cn) und je ein Halbleiterschalter (T1, T2, Tn) zugeordnetist, dass der Schaltregler (I100) die den Primärwicklungen (W1, W2, Wn) zugeordnetenHalbleiterschalter (T1, T2, Tn) synchron taktet und dass jeder Primärwicklungeine Diode (D1, D2, Dn) zugeordnet ist, die einen Ladungsausgleich zwischenden Primärwicklungen(W1, W2, Wn) verhindert.
    [2] Elektrischer Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die den Primärwicklungen (W1, W2, Wn) zugeordnetenKondensatoren (C10, C11, Cn) in Reihe geschaltet sind, und dassdie dem Schaltwandler zugeführteZwischenkreisspannung (ZK) an den in Reihe geschalteten Kondensatoren(C10, C11, Cn) anliegt.
    [3] Elektrischer Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der Schaltregler (I100) den zweiten und gegebenenfallsweitere Halbleiterschalter (T2, Tn) über jeweils eine Level-Shifter-Anordnung(C1, D3, R3), insbesondere bestehend aus einer RC-Kombination (C1,R3) und einer Zener-Diode (D3), ansteuert.
    [4] Elektrischer Schaltwandler nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der Schaltwandler einen Wandlertransformator(Tr) mit genau zwei Primärwicklungen(W1, W2) aufweist.
    [5] Elektrischer Schaltwandler nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, dass der Schaltregler (I100) eine unterlagerte Stromregelungaufweist.
    [6] Elektrischer Schaltwandler nach Anspruch 4 oder 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Ströme, die durch die beiden Primärwicklungen (W1,W2) des Wandlertransformators (Tr) fließt, dadurch erfaßt wird,dass zwei Widerstände(R1, R2) in den Primärkreisenin Reihe geschaltet sind und dabei jeweils mit einer Seite an derMittelanzapfung des Zwischenkreises anliegen.
    [7] Elektrischer Schaltwandler nach Anspruch 6, bei demder Schaltregler (I100) als Schaltregler-IC ausgeführt ist,das den Strom erfassen kann, indem eine virtuelle Masse für das Schaltregler-IC(I100) erzeugt wird, an der der Masseanschluß des Schaltregler-IC sowieder Punkt der Widerstände(R1, R2) anliegt, der das negativste Potenzial hat, und bei dem zusätzlich derStromeingang den Punkt der Widerstände abtastet, der das höchste Potenzialaufweist.
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    引用文献:
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    法律状态:
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    2011-02-03| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2013-02-12| R016| Response to examination communication|
    2013-03-19| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2013-12-12| R020| Patent grant now final|Effective date: 20130907 |
    2019-04-01| R084| Declaration of willingness to licence|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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