DE102012107122A1

DE102012107122A1 - Inverter circuit for use in e.g. single-phase inverter to convert electrical energy of photovoltaic generator into alternating current power supply, has controller clocking switches of inverter sub circuits to form alternating current

Info

Publication number: DE102012107122A1
Application number: DE102012107122A
Authority: DE
Inventors: Jens Friebe; Klaus Rigbers; Peter Zacharias; Benjamin Sahan; Christian Nöding; Samuel Vasconcelos Araújo; Vladimir Scarpa
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2013-02-14

Abstract

The circuit (1) has a shared buffer capacitor (7) coupled between input lines (2, 3). A controller clocks four switches (S1-S4) e.g. MOSFETs, of a series circuit (10) to provide equal voltages successively between two intermediate points (12, 13) with different potentials relative to a midpoint (8) of the shared buffer capacitor. The controller clocks eight switches of inverter sub circuits (14) to form alternating current (AC). The midpoint of the shared buffer capacitor is connected with a midpoint (11) between the two of four switches of the series circuit. An independent claim is also included for a method for operating an inverter circuit for forming AC.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung zur Formung eines insbesondere sinusförmigen Wechselstroms mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichterschaltung zur Formung eines insbesondere sinusförmigen Wechselstroms mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 12. The invention relates to an inverter circuit for shaping a particular sinusoidal alternating current having the features of the preamble of independent claim 1 and a method for operating an inverter circuit for forming a particular sinusoidal alternating current having the features of the preamble of independent claim 12.

Die Wechselrichterschaltung und das Verfahren können in einem Wechselrichter zum Einsatz kommen, mit dem elektrische Energie von einer Gleichstromquelle in ein Wechselstromnetz eingespeist wird. Die Gleichstromquelle kann insbesondere ein Photovoltaikgenerator sein.The inverter circuit and method can be used in an inverter, with which electrical energy is fed from a DC power source into an AC grid. The DC power source may in particular be a photovoltaic generator.

Die Schalter der hier beschriebenen Wechselrichterschaltung sind typischerweise Halbleiterschalter, die inhärente antiparallele Dioden aufweisen oder mit entsprechenden externen Dioden parallel geschaltet sind. Zwingend sind derartige antiparallele Dioden für die Funktion der hier beschriebenen Wechselrichterschaltungen jedoch nicht.The switches of the inverter circuit described herein are typically semiconductor switches having inherent antiparallel diodes or connected in parallel with corresponding external diodes. However, such antiparallel diodes are not mandatory for the function of the inverter circuits described here.

Die Formung des Wechselstroms kann insbesondere durch Pulsweitenmodulation, aber z. B. auch durch Pulsdichtemodulation, eine Zweipunktregelung oder eine Hystereseregelung erfolgen.The shaping of the alternating current can in particular by pulse width modulation, but z. B. also be done by pulse density modulation, a two-step control or hysteresis.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Zur Formung eines Wechselstroms durch eine Wechselrichterschaltung sind Pulsweitenmodulationsverfahren bekannt. Als Maßnahme zur Reduzierung der Spannungszeitflächen am Ausgang der Wechselrichterschaltung bei der Pulsweitenmodulation ist der Einsatz von Schaltungen bekannt, die mehrere Spannungsniveaus für die Pulsweitenmodulation bereitstellen. Man spricht hierbei von Multilevel-Schaltungen. For shaping an alternating current through an inverter circuit, pulse width modulation methods are known. As a measure for reducing the voltage-time areas at the output of the inverter circuit in the pulse width modulation, the use of circuits that provide multiple voltage levels for the pulse width modulation is known. This is called multilevel circuits.

Zu den bekannten Multilevel-Schaltungen gehört die NPC (Neutral Point Clamped)-Wechselrichterschaltung. Bei dieser sind vier Schalter zwischen zwei Eingangsleitungen für eine Eingangsgleichspannung in Reihe geschaltet. Der Mittelpunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Schalter der Reihenschaltung bildet den Ausgang für den Wechselstrom. Die Zwischenpunkte zwischen dem ersten und zweiten sowie zwischen dem zweiten und dritten Schalter sind jeweils über eine Diode mit dem Mittelpunkt einer geteilten Pufferkapazität zwischen den Eingangsleitungen, d. h. dem Mittelpunkt eines geteilten Gleichspannungszwischenkreises, verbunden. Diese Dioden werden auch als Clamping-Dioden bezeichnet. Durch Schließen von unterschiedlichen Kombinationen der vier Schalter kann der Ausgang der NPC-Schaltung bezogen auf den Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises auf das Potential null, ein um die halbe Eingangsgleichspannung erhöhtes Potential und ein um die halbe Eingangsgleichspannung reduziertes Potential gelegt werden. Dabei stellen die Clamping-Dioden als passive Schaltelemente die elektrische Verbindung zu dem Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises her. Bei bekannten NPC-Wechselrichterschaltungen werden der erste und der vierte Schalter der Reihenschaltung zwischen den Eingangsleitungen zur Formung des Wechselstroms hochfrequent getaktet, typischerweise im kHz-Bereich, während der direkt an den Ausgang angrenzende zweite und dritte Schalter der Reihenschaltung mit der Frequenz des Wechselstroms von typischerweise 50 Hz getaktet werden. Known multilevel circuits include the NPC (Neutral Point Clamped) inverter circuit. In this four switches are connected in series between two input lines for an input DC voltage. The midpoint between the second and third switches of the series arrangement forms the output for the alternating current. The intermediate points between the first and second and between the second and third switches are each connected via a diode with the center of a shared buffer capacitance between the input lines, i. H. the center of a shared DC intermediate circuit, connected. These diodes are also referred to as clamping diodes. By closing different combinations of the four switches, the output of the NPC circuit can be zeroed with respect to the center of the divided DC link, a potential increased by half the DC input voltage and a potential reduced by half the DC input voltage. In this case, the clamping diodes as passive switching elements establish the electrical connection to the center of the DC intermediate circuit. In known NPC inverter circuits, the first and fourth switches of the series connection are clocked high frequency between the input lines for forming the alternating current, typically in the kHz range, while the second and third switches directly adjacent to the output are typically connected at the frequency of the alternating current 50 Hz are clocked.

Aus der DE 101 40 747 A1 ist eine als ANPC (Active NPC) bezeichnete Wechselrichterschaltung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche 1 und 12 bekannt. Hier sind gegenüber einer NPC-Schaltung statt der Clamping-Dioden zusätzliche Schalter vorgesehen. Auf diese Weise können zusätzliche Kommutierungspfade für den Wechselstrom bereitgestellt werden. Bis auf diesen Aspekt bleibt der grundsätzliche Betrieb gegenüber einer bekannten NPC-Wechselrichterschaltung unverändert.From the DE 101 40 747 A1 is an inverter circuit known as ANPC (Active NPC) having the features of the preambles of independent claims 1 and 12 known. Here, additional switches are provided in place of the clamping diodes in comparison to an NPC circuit. In this way additional commutation paths for the alternating current can be provided. Apart from this aspect, the basic operation remains unchanged compared to a known NPC inverter circuit.

Aus der US 5,198,971 A ist eine Wechselrichterschaltung für einen dreiphasigen Wechselrichter bekannt, bei der für jede Phase ein Paar von Halbbrücken zwischen die Eingangsleitungen geschaltet ist, an denen die durch eine Pufferkapazität stabilisierte Eingangsgleichspannung anliegt. Die beiden Halbbrücken jedes Paars sind durch zwei Schalter ausgebildet. Die Mittelpunkte der beiden Halbbrücken jedes Paars sind an äußere Anschlüsse von zwei magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln angeschlossen. Die beiden gekoppelten Drosseln werden als Interphase Transformer (IPT) bezeichnet. Der Mittelpunkt zwischen den beiden Drosseln bildet den Ausgang für die jeweilige Phase des Wechselstroms. Zusätzlich sind die drei Phasen des Wechselstroms über einen Neutral Forming Transformer (NFT) mit einem Neutralleiter verbunden. Bei dieser bekannten Wechselrichterschaltung werden die beiden Schalter der beiden Halbbrücken jedes Paars für jede Phase des Wechselstroms versetzt zueinander getaktet. Hierdurch sollen Spannungsoberschwingungen bei dem ausgegebenen Wechselstrom unterdrückt werden.From the US 5,198,971 A For example, an inverter circuit for a three-phase inverter is known in which, for each phase, a pair of half-bridges are connected between the input lines to which the input DC voltage stabilized by a buffer capacity is applied. The two half-bridges of each pair are formed by two switches. The midpoints of the two half bridges of each pair are connected to external terminals of two magnetically coupled and electrically series chokes. The two coupled chokes are called Interphase Transformers (IPT). The midpoint between the two chokes forms the output for the respective phase of the alternating current. In addition, the three phases of the alternating current are connected to a neutral conductor via a Neutral Forming Transformer (NFT). In this known inverter circuit, the two switches of the two half-bridges of each pair are clocked offset for each phase of the alternating current. As a result, voltage harmonics are to be suppressed at the output AC.

Aus der EP 1 137 160 B1 ist eine Wechselrichterschaltung für einen dreiphasigen Wechselrichter bekannt, die bis auf die magnetische Kopplung der beiden Drosseln der für jede Phase vorgesehenen Wechselrichterteilschaltung entspricht, wie sie aus der US 5,198,971 A hervorgeht. Zusätzlich wird hier eine Ausführungsform der beiden Halbbrücken als asymmetrische Halbbrücken mit jeweils nur einem Schalter und einer Diode als passivem Schaltelement offenbart.From the EP 1 137 160 B1 is an inverter circuit for a three-phase inverter is known, which corresponds to the magnetic coupling of the two chokes of the provided for each phase inverter subcircuit, such as she out of the US 5,198,971 A evident. In addition, an embodiment of the two half-bridges as asymmetrical half-bridges, each with only one switch and a diode as a passive switching element is disclosed here.

Aus John Salmon, et al.: PWM Inverters Using Split-Wound Coupled Inductors, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 45, No. 6, November/December 2009 ist auch eine Wechselrichterschaltung mit einem Paar von versetzt getakteten asymmetrischen Halbbrücken je Phase des ausgegebenen Wechselstroms bekannt, bei der an die Mittelpunkte der Halbbrücken angeschlossene Drosseln sowohl elektrisch in Reihe geschaltet als auch magnetisch gekoppelt sind. Diese Wechselrichterschaltung wird hier als Alternative zu einem NPC-Wechselrichter beschrieben, der die oben beschriebene NPC-Wechselrichterschaltung einmal für jede Phase des ausgegebenen Wechselstroms aufweist.Out John Salmon, et al .: PWM Inverters Using Split-Wound Coupled Inductors, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 6, November / December 2009 Also known is an inverter circuit having a pair of offset-clocked asymmetrical half-bridges per phase of the output alternating current, in which chokes connected to the midpoints of the half-bridges are both electrically connected in series and magnetically coupled. This inverter circuit will be described here as an alternative to an NPC inverter having the above-described NPC inverter circuit once for each phase of the output alternating current.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichterschaltung bereitzustellen, die den ausgegebenen Wechselstrom in besonders effizienter Weise durch Pulsweitenmodulation formt und dennoch frei von Spannungsoberschwingungen großer Amplitude bereitstellt.The invention has for its object to provide an inverter circuit that shapes the output AC in a particularly efficient manner by pulse width modulation and still provides free from voltage harmonics large amplitude.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Wechselrichterschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichterschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by an inverter circuit having the features of independent patent claim 1 and by a method for operating an inverter circuit having the features of independent claim 13. Preferred embodiments of the inverter circuit according to the invention and the method according to the invention are defined in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Eine erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung zur Formung eines Wechselstroms weist zwei Eingangsleitungen für eine Eingangsgleichspannung und eine geteilte Pufferkapazität zwischen den Eingangsleitungen auf. Für jede Phase des Wechselstroms ist eine Reihenschaltung von vier Schaltern zwischen den Eingangsleitungen vorgesehen, wobei ein Mittelpunkt der geteilten Pufferkapazität mit einem Mittelpunkt zwischen dem zweiten und dritten Schalter der Reihenschaltung verbunden ist. Für jede Phase ist weiterhin eine mindestens zwei weitere Schalter aufweisende Wechselrichterteilschaltung vorgesehen, die zwischen einen ersten Zwischenpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter der Reihenschaltung und einen zweiten Zwischenpunkt zwischen dem dritten und dem vierten Schalter der Reihenschaltung geschaltet ist und die einen Ausgang für die jeweilige Phase des Wechselstroms aufweist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung eine die Schalter taktende Steuerung auf, die alle Schalter jeder Reihenschaltung langsam taktet, um zwischen den beiden Zwischenpunkten nacheinander gleiche Spannungen mit unterschiedlichem Potentialbezug zu dem Mittelpunkt der geteilten Pufferkapazität bereitzustellen, und die zumindest die mindestens zwei weiteren Schalter jeder Wechselrichterteilschaltung schnell taktet, um den Wechselstrom zu formen. Die Steuerung muss die mindestens zwei weiteren Schalter jedoch nicht zwangsläufig gleichzeitig schnell takten. Die voranstehende Definition ist vielmehr bereits erfüllt, wenn die Steuerung jeden der mindestens zwei weiteren Schalter innerhalb einer Periode des Wechselstroms häufiger taktet als alle Schalter jeder Reihenschaltung.An inverter circuit according to the invention for forming an alternating current has two input lines for a DC input voltage and a shared buffer capacitance between the input lines. For each phase of the alternating current, a series connection of four switches is provided between the input lines, wherein a center of the divided buffer capacitance is connected to a midpoint between the second and third switches of the series circuit. For each phase, there is further provided an inverter subcircuit having at least two further switches, which is connected between a first intermediate point between the first and the second switch of the series connection and a second intermediate point between the third and the fourth switch of the series circuit and which has an output for the respective one Phase of the alternating current has. Furthermore, the inverter circuit according to the invention has a switch clocking control which slowly clocks all the switches of each series circuit to provide between the two intermediate points successively equal voltages with different potential reference to the center of the shared buffer capacity, and the at least two further switches each inverter subcircuitry quickly clocked to shape the alternating current. However, the controller does not necessarily need to clock the at least two other switches simultaneously. Rather, the above definition is already met if the controller clocks each of the at least two other switches more frequently within a period of the AC current than all the switches of each series circuit.

Obwohl die neue Wechselrichterschaltung eine Anordnung von Schaltern aufweisen kann, die derjenigen bei einer ANPC-Wechselrichterschaltung entspricht, ist sie mit einer ANPC-Wechselrichterschaltung niemals identisch. Der wesentliche Unterschied liegt in der anderen Verwendung der Reihenschaltung von vier Schaltern zwischen den Eingangsleitungen, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der geteilten Pufferkapazität, d. h. dem Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises auf der Eingangsseite der Wechselrichterschaltung verbunden ist. Bei der neuen Wechselrichterschaltung werden die Schalter dieser Reihenschaltung nur langsam, typischerweise mit der Frequenz des zu formenden Wechselstroms und maximal mit der doppelten Frequenz dieses Wechselstroms getaktet, um für die den Wechselstrom formende Wechselrichterteilschaltung unterschiedliche Potentiale an den Zwischenpunkten zwischen dem ersten und zweiten sowie dem dritten und vierten Schalter bereitzustellen. Dabei bleibt aber ein Potentialunterschied zwischen diesen beiden Zwischenpunkten konstant. Verschoben wird nur das Spannungsniveau, d. h. das Potential gegenüber dem Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises. Dies impliziert, dass die Potentialunterschiede zwischen den beiden Zwischenpunkten gegenüber der Eingangsgleichspannung an den Eingangsleitungen reduziert sind. Typischerweise betragen sie jeweils die Hälfte der Eingangsgleichspannung. Entsprechend sind die bei der Pulsweitenmodulation zur Formung des Wechselstroms in der Wechselrichterteilschaltung auftretenden Spannungsvariationen immer auf die Hälfte der Eingangsgleichspannung beschränkt. Alle Bauteile der Wechselrichterteilschaltung müssen daher ausschließlich für die halbe Eingangsgleichspannung ausgelegt werden; und auch über jeden der vier Schalter der Reihenschaltung fällt maximal die halbe Eingangsgleichspannung ab, so dass auch diese Schalter nur für die halbe Eingangsgleichspannung dimensioniert werden müssen. Eine kleinere Dimensionierung von elektrischen Bauteilen, d. h. eine geringere Spannungsfestigkeit dieser Bauteile, geht nicht nur mit reduzierten Kosten für die Bereitstellung der Bauteile, sondern auch mit reduzierten Schalt- und Durchlassverlusten einher.Although the new inverter circuit may have an arrangement of switches similar to that of an ANPC inverter circuit, it is never identical to an ANPC inverter circuit. The main difference lies in the other use of the series connection of four switches between the input lines, the center of which is connected to the center of the shared buffer capacitance, ie the center of the shared DC link on the input side of the inverter circuit. In the new inverter circuit, the switches of this series circuit are clocked slowly, typically at the frequency of the alternating current to be formed and maximally at twice the frequency of this alternating current, for the alternating current forming inverter subcircuit to have different potentials at the intermediate points between the first and second and third and fourth switch. However, a potential difference between these two intermediate points remains constant. Only the voltage level is shifted, ie the potential with respect to the center of the divided DC intermediate circuit. This implies that the potential differences between the two intermediate points are reduced compared to the input DC voltage at the input lines. Typically, they are each half of the DC input voltage. Accordingly, the voltage variations occurring in the pulse width modulation for shaping the alternating current in the inverter subcircuit are always limited to half the input DC voltage. All components of the inverter subcircuit must therefore be designed exclusively for half the DC input voltage; and also over each of the four switches of the series connection falls off at most half the DC input voltage, so that these switches only for half Input DC voltage must be dimensioned. Smaller sizing of electrical components, ie, lower dielectric strength of these components, is accompanied not only by reduced cost of component provision, but also by reduced switching and forward losses.

Praktisch schließt die Steuerung der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung für jeweils eine halbe Periodendauer des Wechselstroms gleichzeitig den ersten und dritten Schalter der Reihenschaltung und dann für jeweils eine halbe Periodendauer gleichzeitig den zweiten und vierten Schalter der Reihenschaltung. Dabei schließt der Begriff "halbe Periodendauer" hier auch Zeiträume ein, die etwas, bspw. bis maximal wenige Prozent, kürzer sind als genau das 0,500-fache der Periodendauer. Typischerweise werden die vier Schalter der Reihenschaltung jedoch paarweise für Zeiträume geschlossen, die auf weniger als 1 Prozent an die halbe Periodendauer herankommen. Hingegen taktet die Steuerung die mindestens zwei weiteren Schalter der Wechselrichterteilschaltung mindestens 10-mal, vorzugsweise mindestens 100-mal häufiger als alle Schalter der Reihenschaltung. Typischerweise liegt die Frequenz, mit der die mindestens zwei weiteren Schalter getaktet werden, wobei das Takten auch durch Pausen unterbrochen sein kann, über 10 kHz und kann beispielsweise 16 oder 32 kHz betragen.In practice, the control of the inverter circuit according to the invention for each half a period of the alternating current simultaneously closes the first and third switches of the series circuit and then for each half a period simultaneously the second and fourth switches of the series circuit. The term "half period" here also includes periods that are somewhat, for example. Up to a maximum of a few percent, shorter than exactly 0.500 times the period. Typically, however, the four switches in the series connection are closed in pairs for periods approaching less than one percent of half the period. On the other hand, the controller clocks the at least two further switches of the inverter subcircuit at least 10 times, preferably at least 100 times more frequently than all the switches of the series connection. Typically, the frequency at which the at least two further switches are clocked, wherein the clocks may also be interrupted by pauses, is above 10 kHz and may be for example 16 or 32 kHz.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der neuen Wechselrichterschaltung weist jede Wechselrichterteilschaltung zwischen den Zwischenpunkten zwischen dem ersten und dem zweiten sowie dem dritten und dem vierten Schalter der Reihenschaltung mindestens zwei Halbbrücken auf. Die Mittelpunkte dieser Halbbrücken sind dabei an äußere Anschlüsse von zwei magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln angeschlossen. Ein Mittelpunkt zwischen den beiden Drosseln wiederum führt zu dem Ausgang, über den der geformte Wechselstrom abgegeben wird. Dabei kann zwischen dem Mittelpunkt der beiden Drosseln und dem Ausgang mindestens eine weitere Drossel vorgesehen sein. Die beiden Halbbrücken können jeweils zwei Schalter aufweisen. Sie können aber auch als asymmetrische Halbbrücken mit einem Schalter und einem passiven Schaltelement, d. h. einer Diode, ausgebildet sein. In diesem Fall kann jede der beiden Halbbrücken konkret einen Halbleiterschalter mit antiparalleler Diode und eine mit der Diode des Schalters mit gleicher Durchlassrichtung in Reihe geschaltete Diode aufweisen.In a particularly preferred embodiment of the new inverter circuit, each inverter subcircuit has at least two half-bridges between the intermediate points between the first and the second and the third and the fourth switch of the series connection. The centers of these half bridges are connected to external terminals of two magnetically coupled and electrically connected in series throttles. A mid-point between the two chokes, in turn, leads to the output through which the shaped alternating current is delivered. In this case, at least one further throttle may be provided between the center of the two throttles and the output. The two half bridges can each have two switches. But they can also be used as asymmetric half-bridges with a switch and a passive switching element, i. H. a diode, be formed. In this case, each of the two half bridges may concretely have a semi-conductor switch with antiparallel diode and a diode connected in series with the diode of the switch with the same forward direction.

Da alle Schalter der Wechselrichterschaltung verglichen mit einer herkömmlichen NPC-Schaltung nur mit der halben Zwischenkreisspannung belastet werden und die als Freilaufdioden dienenden Dioden der Halbleiterschalter der Wechselrichterteilschaltung durch das Filter entkoppelt sind und so nicht bestromt werden, können die Halbleiterschalter, wenn die über die Wechselrichterschaltung fließenden Leistungen nicht zu groß werden, nicht nur als IGBTs sondern auch als MOSFETs ausgebildet sein. Auch die Schalter der Reihenschaltung sind wegen ihrer Taktung mit nur niedriger Frequenz sowohl als IGBTs als auch als weniger aufwändige MOSFETs ausführbar. Since all switches of the inverter circuit are compared with a conventional NPC circuit loaded only with half the DC link voltage and serving as freewheeling diodes of the semiconductor switches of the inverter subcircuit are decoupled by the filter and are not energized, the semiconductor switches, when flowing through the inverter circuit Services are not too large, not only as IGBTs but also be designed as MOSFETs. Also, the switches of the series connection are executable because of their clocking with only low frequency both as IGBTs and less expensive MOSFETs.

Getaktet werden die Schalter der beiden Halbbrücken von der Steuerung der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung vorzugsweise derart, dass die beiden Halbbrücken als parallel geschaltete Wandler im Interleaving-Mode betrieben werden. Dabei kann an dem Mittelpunkt zwischen den beiden magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln durch abgestimmte Taktung der Schalter der beiden Halbbrücken auch die Hälfte der über den Halbbrücken abfallenden Spannung eingestellt werden. Auf diese Weise kann an dem Mittelpunkt zwischen den beiden magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln sowohl das an dem ersten Zwischenpunkt zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter der Reihenschaltung anliegende Potential als auch das an dem zweiten Zwischenpunkt zwischen dem dritten Schalter und dem vierten Schalter der Reihenschaltung anliegende Potential als auch jeweils die Hälfte der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenpunkt eingestellt werden. So wird ein ausgangsseitiges Filter mit noch geringeren Spannungszeitflächen belastet. Dies hat insbesondere Auswirkungen auf eine nachgeschaltete Drossel, die entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.The switches of the two half-bridges are clocked by the controller of the inverter circuit according to the invention preferably such that the two half-bridges are operated as parallel-connected converter in the interleaving mode. It can be set at the midpoint between the two magnetically coupled and electrically connected in series chokes by tuned clocking the switch of the two half-bridges and half of the voltage drop across the half-bridges. In this way, at the mid-point between the two magnetically coupled and electrically series-connected inductors, both the potential applied at the first intermediate point between the first switch and the second switch of the series circuit and at the second intermediate point between the third switch and the fourth Switch the series connection potential applied as well as each half of the voltage between the first and the second intermediate point can be adjusted. Thus, an output-side filter is loaded with even lower voltage time surfaces. This has particular effects on a downstream throttle, which can be dimensioned correspondingly smaller.

Das Prinzip mit den über ein Paar von magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln kombinierten Halbbrücken kann auch kaskadiert werden. Bei der ersten Kaskadierung weist jede Wechselrichterteilschaltung mindestens zwei Paare von Halbbrücken auf, deren Mittelpunkte paarweise an äußere Anschlüsse eines von zwei Paaren von magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln angeschlossen sind. Die beiden zwischen den beiden Drosseln jeweils eines der beiden Paare liegenden Mittelpunkte sind dann an äußere Anschlüsse von zwei weiteren magnetisch gekoppelten und elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln angeschlossen, wobei ein Mittelpunkt zwischen den beiden weiteren Drosseln zu dem Ausgang für den Wechselstrom führt. Zwischen diesem Mittelpunkt zwischen den beiden weiteren Drosseln und dem Ausgang kann noch eine weitere Drossel vorgesehen sein. In dieser ersten Kaskadierungsstufe können an dem Mittelpunkt zwischen den beiden weiteren Drosseln insgesamt neun Spannungsniveaus eingestellt werden, nämlich 1/2, 3/8, 1/4, 1/8, 0, –1/8, –1/4, –3/8 und –1/2 der Eingangsgleichspannung. Die Steuerung taktet dazu die Schalter der beiden Paare von Halbbrücken in einem abgestimmten Interleaving-Mode.The principle with the half-bridges combined via a pair of magnetically coupled and electrically series chokes can also be cascaded. In the first cascading, each inverter subcircuit has at least two pairs of half-bridges, the midpoints of which are connected in pairs to external terminals of one of two pairs of magnetically coupled and electrically series-connected inductors. The two intermediate points between the two chokes of one of the two pairs are then connected to the outer terminals of two further magnetically coupled and electrically connected reactors, wherein a midpoint between the two further chokes leads to the output for the alternating current. Between this middle point between the two further throttles and the output, a further throttle may be provided. In this first cascading stage, a total of nine voltage levels can be set at the midpoint between the two further chokes, namely 1/2, 3/8, 1/4, 1/8, 0, -1/8, -1/4, -3 / 8 and -1/2 of the DC input voltage. The controller clocks to the Switch of the two pairs of half-bridges in a tuned interleaving mode.

Bei der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung kann die Wechselrichterteilschaltung einen zwischen die beiden Zwischenpunkte der Reihenschaltung geschalteten Stützkondensator aufweisen. Die über diesem Stützkondensator abfallende Spannung bleibt beim Umschalten der Schalter der Reihenschaltung gleich, so dass der Stützkondensator nicht umgeladen werden muss. Der nahe den Halbbrücken der Wechselrichterteilschaltung angeordnete Stützkondensator stabilisiert bereits bei geringer Kapazität die über der Wechselrichterteilschaltung abfallende Spannung über die hochfrequente Taktung der Schalter der Wechselrichterteilschaltung hinweg. Durch den Interleaving-Mode beim Takten mehrerer Halbbrücken der Wechselrichterteilschaltung nivellieren sich die Stromflüsse zwischen den Zwischenpunkten der Reihenschaltung im hochfrequent getakteten Betrieb der Wechselrichterteilschaltung bereits etwas, so dass die Kapazität des Stützkondensators besonders klein ausfallen kann.In the inverter circuit according to the invention, the inverter subcircuit may have a backup capacitor connected between the two intermediate points of the series circuit. The voltage drop across this backup capacitor remains the same when switching the switches of the series connection, so that the backup capacitor does not need to be reloaded. The support capacitor arranged near the half-bridges of the inverter subcircuit already stabilizes the voltage drop across the inverter subcircuit via the high-frequency clocking of the switches of the inverter subcircuit even at low capacitance. Due to the interleaving mode when clocking several half-bridges of the inverter subcircuit, the current flows between the intermediate points of the series circuit in the high-frequency clocked operation of the inverter subcircuit level something, so that the capacity of the backup capacitor can be particularly small.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung durch deren Steuerung umgesetzt und wurde daher bereits bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung mitbeschrieben. The inventive method is implemented in the inverter circuit according to the invention by their control and was therefore already described in the description of the inverter circuit according to the invention.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen. Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the relative arrangement and operative connection of several components - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. The invention is explained in more detail below with reference to embodiments with reference to the accompanying drawings and described.

1 zeigt den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung für einen einphasigen Wechselrichter. 1 shows the basic structure of the inverter circuit according to the invention for a single-phase inverter.

2 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform einer Wechselrichterteilschaltung der Wechselrichterschaltung gemäß 1. 2 shows a first possible embodiment of an inverter subcircuit of the inverter circuit according to 1 ,

3 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Wechselrichterteilschaltung der Wechselrichterschaltung gemäß 1. 3 shows a second possible embodiment of the inverter subcircuit of the inverter circuit according to 1 ,

4 zeigt noch eine weitere mögliche Ausführungsform der Wechselrichterteilschaltung des Wechselrichters gemäß 1. 4 shows yet another possible embodiment of the inverter subcircuit of the inverter according to 1 ,

5 zeigt eine Ausführungsform eines Filters, das Teil der Wechselrichterteilschaltung gemäß 3 oder 4 sein kann. 5 shows an embodiment of a filter, the part of the inverter subcircuit according to 3 or 4 can be.

6 zeigt eine andere Ausführungsform des Filters, das Teil der Wechselrichterteilschaltung gemäß 3 oder 4 sein kann. 6 shows another embodiment of the filter, the part of the inverter subcircuit according to 3 or 4 can be.

7 zeigt die Zusammenfassung der Ausführungsform der Wechselrichterteilschaltung gemäß 3 mit der Wechselrichterschaltung gemäß 1, wobei das Filter gemäß 5 oder 6 zur Anwendung kommen kann. 7 shows the summary of the embodiment of the inverter subcircuit according to 3 with the inverter circuit according to 1 , wherein the filter according to 5 or 6 can be used.

8 zeigt eine bezüglich der Anzahl ihrer Halbbrücken erweiterte Ausführungsform der Wechselrichterschaltung. 8th shows an embodiment of the inverter circuit extended with respect to the number of half-bridges.

9 zeigt ein ausgangsseitiges Filter der Wechselrichterschaltung gemäß 8. 9 shows an output side filter of the inverter circuit according to 8th ,

10 zeigt einen Schaltzustand einer Wechselrichterschaltung gemäß 7 mit dem Filter gemäß 5, in dem – bei Stromfluss in ein Wechselstromnetz – eine halbe Eingangsgleichspannung mit positivem Vorzeichen gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 10 shows a switching state of an inverter circuit according to 7 with the filter according to 5 , in which - when there is a current flow in an AC mains - there is half the input DC voltage with a positive sign to ground at the output.

11 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß 10, in dem – weiterhin bei Stromfluss in das Wechselstromnetz – ein Viertel der Eingangsgleichspannung mit positiven Vorzeichen gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 11 shows a switching state of the inverter circuit according to 10 , in which - continues to be at current flow in the AC mains - a quarter of the DC input voltage with positive sign to ground at the output.

12 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß 10 und 11, in dem – weiterhin bei Stromfluss in das Wechselstromnetz – ebenfalls ein Viertel der Eingangsgleichspannung mit positivem Vorzeichen gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 12 shows a switching state of the inverter circuit according to 10 and 11 , in which - continues to be at current flow in the AC network - also a quarter of the DC input voltage with a positive sign to ground at the output.

13 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß den 10 bis 12, in dem – weiterhin bei Stromfluss in das Wechselstromnetz – eine Spannung von null gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 13 shows a switching state of the inverter circuit according to the 10 to 12 , in which - continues to be at power flow into the AC mains - a voltage of zero to ground at the output.

14 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß den 10 bis 13, in dem – jetzt bei Stromfluss aus dem Wechselstromnetz – ebenfalls eine Spannung von null gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 14 shows a switching state of the inverter circuit according to the 10 to 13 , in which - now with current flow from the AC mains - also a voltage of zero to ground at the output is applied.

15 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß den 10 bis 14, in dem – wieder bei Stromfluss aus dem Wechselstromnetz – ein Viertel der Eingangsgleichspannung mit negativem Vorzeichen gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 15 shows a switching state of the inverter circuit according to the 10 to 14 , in which - again at current flow from the AC mains - a quarter of the input DC voltage with negative sign to ground at the output is applied.

16 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß den 10 bis 15, in dem – wieder bei Stromfluss aus dem Wechselstromnetz – ein Viertel der Eingangsgleichspannung mit negativem Vorzeichen gegenüber Masse am Ausgang anliegt; und 16 shows a switching state of the inverter circuit according to the 10 to 15 in which - again at current flow from the AC mains - one quarter of the input DC voltage with negative sign to ground at the output is applied; and

17 zeigt einen Schaltzustand der Wechselrichterschaltung gemäß den 10 bis 16, in dem – wieder bei Stromfluss aus dem Wechselstromnetz – die Hälfte der Eingangsgleichspannung mit negativem Vorzeichen gegenüber Masse am Ausgang anliegt. 17 shows a switching state of the inverter circuit according to the 10 to 16 , in which - again at current flow from the AC mains - half of the DC input voltage with a negative sign to ground at the output is applied.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Die in 1 gezeigte Wechselrichterschaltung 1 ist für einen einphasigen Wechselrichter vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 1 weist zwei Eingangsleitungen 2 und 3 zum Anschluss an eine Gleichstromquelle auf. Zwischen den Eingangsleitungen 2 und 3 liegt die von der Gleichstromquelle für die Wechselrichterschaltung 1 bereitgestellte Eingangsgleichspannung U_DC an. Diese Eingangsgleichspannung U_DC wird in einem geteilten Gleichspannungszwischenkreis 4 auf zwei zwischen die Eingangsleitungen 2 und 3 in Reihe geschaltete Kondensatoren 5 und 6 einer geteilten Pufferkapazität 7 aufgeteilt. Ein Mittelpunkt 8 des Gleichspannungszwischenkreises 4 und der Pufferkapazität 7 ist mit Masse 9 verbunden. Hinter dem Gleichspannungszwischenkreis 4 ist eine Reihenschaltung 10 aus vier Schaltern S1, S2, S3 und S4 zwischen die Eingangsleitungen 2 und 3 geschaltet, wobei ein Mittelpunkt 11 dieser Reihenschaltung mit dem Mittelpunkt 8 des Gleichspannungszwischenkreises 4 verbunden ist. Zwischen Zwischenpunkte 12 und 13 der Reihenschaltung 10, die zwischen dem ersten Schalter S1 und dem zweiten Schalter S2 sowie dem dritten Schalter S3 und dem vierten Schalter S4 liegen, ist eine Wechselrichterteilschaltung 14 geschaltet, die einen Ausgang 15 für einen Wechselstrom aufweist, um diesen gegenüber Masse 9 in ein Wechselstromnetz 16 einzuspeisen. Die Schalter S1 bis S4 der Reihenschaltung 10 sind Halbleiterschalter mit inhärenten oder externen antiparallelen Dioden D1 bis D4. Von den Schaltern S1 bis S4 werden die Schalter S1 und S3 und dann die Schalter S2 und S4 jeweils gleichzeitig für die Dauer einer Halbwelle des Wechselstroms geschlossen. Die beiden anderen Schalter sind jeweils geöffnet. Wenn die Schalter S1 und S3 geschlossen sind, liegt am Zwischenpunkt 13 das Potential 0 der Masse 9 an, während der Zwischenpunkt 12 demgegenüber auf einem um U_DC/2, d. h. der Hälfte der Eingangsspannung U_DC höheren Potential liegt. Wenn die Schalter S2 und S4 hingegen geschlossen sind, liegt der Zwischenpunkt 12 auf dem Potential 0 der Masse 9 und der Zwischenpunkt 13 demgegenüber auf einem um U_DC/2 niedrigeren Spannungsniveau. Die Spannung, d. h. die Potentialdifferenz zwischen den Zwischenpunkten 12 und 13 bleibt jedoch mit U_DC/2 sowohl bezüglich ihres Betrags als auch ihres Vorzeichens gleich. Unterschiedlich ist ausschließlich der Potentialbezug der Spannung zur Masse 9. Da über der Wechselrichterteilschaltung 14 immer nur die halbe Eingangsspannung U_DC abfällt, können alle Bauteile der Wechselrichterteilschaltung 14 auf diese Spannung U_DC/2 ausgelegt sein. Dasselbe gilt für die Schalter S1 bis S4, da auch über ihnen jeweils maximal die halbe Eingangswechselspannung U_DC abfällt. In the 1 shown inverter circuit 1 is intended for a single-phase inverter. The inverter circuit 1 has two input lines 2 and 3 for connection to a DC power source. Between the input lines 2 and 3 is that of the DC power source for the inverter circuit 1 provided input _DC voltage U _DC . This _DC input voltage U _DC is in a shared DC voltage intermediate circuit 4 on two between the input lines 2 and 3 series connected capacitors 5 and 6 a shared buffer capacity 7 divided up. A center 8th of the DC intermediate circuit 4 and the buffer capacity 7 is with mass 9 connected. Behind the DC voltage intermediate circuit 4 is a series connection 10 of four switches S1, S2, S3 and S4 between the input lines 2 and 3 switched, with a midpoint 11 this series circuit with the center 8th of the DC intermediate circuit 4 connected is. Between waypoints 12 and 13 the series connection 10 , which are between the first switch S1 and the second switch S2 and the third switch S3 and the fourth switch S4, is an inverter subcircuit 14 switched, which has an output 15 for an alternating current, to this ground 9 in an AC network 16 feed. The switches S1 to S4 of the series connection 10 are semiconductor switches with inherent or external anti-parallel diodes D1 to D4. From the switches S1 to S4, the switches S1 and S3 and then the switches S2 and S4 are each closed simultaneously for the duration of a half cycle of the alternating current. The other two switches are each open. When switches S1 and S3 are closed, it is at the intermediate point 13 the potential 0 the crowd 9 on, while the intermediate point 12 in contrast, is at a higher by U _DC / 2, ie half of the input voltage U _DC potential. On the other hand, when the switches S2 and S4 are closed, the intermediate point is located 12 at the potential 0 of the mass 9 and the intermediate point 13 in contrast, at a voltage level lower by U _DC / 2. The voltage, ie the potential difference between the intermediate points 12 and 13 remains the same with U _DC / 2 both in terms of their amount and their sign. The only difference is the potential reference of the voltage to ground 9 , Because over the inverter subcircuit 14 only half the input voltage U _DC drops, all components of the inverter subcircuit 14 be designed for this voltage U _DC / 2. The same applies to the switches S1 to S4, since also above them in each case a maximum of half the input AC voltage U _DC drops.

Indem die Wechselrichterteilschaltung 14 beim Schließen der Schalter S1 und S3 eine gegenüber Masse 9 positive Eingangsspannung aufweist, werden die Schalter S1 und S3 für positive Ausgangsspannungen gegenüber Masse 9 geschlossen. Umgekehrt werden die Schalter S2 und S4 für negative Ausgangsspannungen gegenüber Masse 9 geschlossen. Somit sind für den Fall eines Leistungsfaktors nahe eins weitestgehend die Schalter S1 und S3 für die positive Ausgangsstromhalbwelle und weitestgehend die Schalter S2 und S4 für die negative Ausgangsstromhalbwelle eingeschaltet.By the inverter subcircuit 14 when closing the switches S1 and S3 one to ground 9 has positive input voltage, the switches S1 and S3 are positive output voltages to ground 9 closed. Conversely, the switches S2 and S4 become negative output voltages to ground 9 closed. Thus, for the case of a power factor close to one, the switches S1 and S3 for the positive output current half-wave and, as far as possible, the switches for the negative output current half-cycle are switched on.

2 zeigt eine Ausführungsform der Wechselrichterteilschaltung 14 zwischen den Zwischenpunkten 12 und 13 gemäß 1. Die Wechselrichterteilschaltung 14 weist hier eine Halbbrücke 17 mit zwei zwischen die Zwischenpunkte 12 und 13 in Reihe geschalteten Schaltern S5 und S6 auf. Ein Mittelpunkt 18 der Halbbrücke 17 zwischen den Schaltern S5 und S6 ist über eine Drossel 19 als Filter 20 mit dem Ausgang 15 für den Wechselstrom verbunden. Die Schalter S5 und S6 werden versetzt zueinander getaktet, um den durch die Drossel 19 zu dem Ausgang 15 fließenden Strom durch Pulsweitenmodulation zu formen. Die Schalter S5 und S6 sind als Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden D5 und D6 ausgebildet. Parallel zu der Halbbrücke 17 weist die Wechselrichterteilschaltung 14 einen Pufferkondensator 21 auf, der die Spannungsdifferenz zwischen den Zwischenpunkten 12 und 13 über die von den Zwischenpunkten 12 und 13 zu dem Mittelpunkt 18 fließenden gepulsten Ströme hinweg konstant hält. Da jedoch die Schalter S5 und S6 mit hoher Frequenz von typischerweise oberhalb 10 kHz und versetzt zueinander getaktet werden, reicht eine kleine Kapazität des Stützkondensators 21 aus. Dieser Stützkondensator 21 kann auch bei den im Folgenden beschriebenen Wechselrichterteilschaltungen 14 vorhanden sein, auch wenn er in den zugehörigen Figuren nicht dargestellt ist. 2 shows an embodiment of the inverter subcircuit 14 between the intermediate points 12 and 13 according to 1 , The inverter subcircuit 14 here has a half bridge 17 with two between the intermediate points 12 and 13 connected in series switches S5 and S6. A center 18 the half bridge 17 between the switches S5 and S6 is via a throttle 19 as a filter 20 with the exit 15 connected for the AC. The switches S5 and S6 are clocked offset to each other by the throttle 19 to the exit 15 to shape flowing current by pulse width modulation. The switches S5 and S6 are formed as semiconductor switches with anti-parallel diodes D5 and D6. Parallel to the half bridge 17 indicates the inverter subcircuit 14 one buffer capacitor 21 on that the voltage difference between the intermediate points 12 and 13 about those of the waypoints 12 and 13 to the center 18 constant flow of pulsed currents. However, since the switches S5 and S6 are clocked at a high frequency of typically above 10 kHz and offset from each other, a small capacitance of the backup capacitor is sufficient 21 out. This backup capacitor 21 can also with the inverter subcircuits described below 14 be present, even if it is not shown in the accompanying figures.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Wechselrichterteilschaltung 14. Hier sind zwei parallel zueinander zwischen die Zwischenpunkte 12 und 13 geschaltete Halbbrücken 17 vorgesehen. Beide Halbbrücken 17 weisen zwei Schalter S5 und S6 bzw. S7 und S8 mit antiparallelen Dioden D5 und D6 bzw. D7 und D8 auf. Die Mittelpunkte 18 beider Halbbrücken 17 sind mit dem Filter 20 verbunden, dessen Aufbau im Einzelnen hier nicht dargestellt ist. Am Ausgang 15 hinter dem Filter 20 gibt die Wechselrichterteilschaltung 14 den gewünschten Wechselstrom an das Wechselstromnetz 16 aus. Die beiden Halbbrücken 17 sind hier nicht als Teile einer Wechselrichtervollbrücke in H-Form vorgesehen, sondern als parallel geschaltete Wandler, die im Interleaving-Mode betrieben werden. Die Taktung aller Schalter S5 bis S8 erfolgt zur Formung des Wechselstroms an dem Ausgang 15 durch hochfrequente Pulsweitenmodulation. 3 shows a second embodiment of the inverter subcircuit 14 , Here are two parallel to each other between the intermediate points 12 and 13 switched half bridges 17 intended. Both half bridges 17 have two switches S5 and S6 or S7 and S8 with anti-parallel diodes D5 and D6 or D7 and D8. The centers 18 both half bridges 17 are with the filter 20 connected, whose structure is not shown in detail here. At the exit 15 behind the filter 20 gives the inverter subcircuit 14 the desired alternating current to the AC mains 16 out. The two half bridges 17 are not provided here as parts of an inverter full bridge in H-shape, but as a parallel-connected converter, which are operated in interleaving mode. The timing of all switches S5 to S8 takes place to form the alternating current at the output 15 by high-frequency pulse width modulation.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Wechselrichterteilschaltung 14, bei der zwei Halbbrücken 17 als asymmetrische Halbbrücken mit jeweils einem Schalter S5 bzw. S8 mit antiparalleler Diode D5 bzw. D8 und einem passiven Schaltelement in Form einer mit der antiparallelen Diode mit gleicher Durchlassrichtung in Reihe geschalteten Diode D6 bzw. D7 vorgesehen sind. Auch hier sind die Mittelpunkte 18 der beiden Halbbrücken 17 an das Filter 20 angeschlossen. Dadurch sind die als Freilaufdioden dienenden Dioden D5 und D8 der Schalter S5 und S8 entkoppelt und müssen im Betrieb der Wechselrichterteilschaltung 14 keinen Strom tragen. Wenn die über die Wechselrichterschaltung 1 fließenden Leistungen nicht zu groß werden, können die Schalter S5 und S8 daher nicht nur als IGBTs sondern auch als MOSFETs ausgebildet werden. Auch die Schalter S1 bis S4 der Reihenschaltung 10 können bei niedrigen über die Wechselrichterschaltung 1 fließenden Leistungen wegen ihrer Taktung mit nur niedriger Frequenz sowohl als IGBTs als auch als weniger aufwändige MOSFETs ausgeführt werden, da alle Schalter S1 bis S12 der Wechselrichterschaltung 1 mit maximal der halben Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 4 beaufschlagt werden. 4 shows a further embodiment of the inverter subcircuit 14 , at the two half bridges 17 are provided as asymmetric half-bridges, each with a switch S5 or S8 with antiparallel diode D5 or D8 and a passive switching element in the form of a diode D6 or D7 connected in series with the antiparallel diode with the same forward direction. Again, the centers are 18 the two half bridges 17 to the filter 20 connected. As a result, serving as freewheeling diodes D5 and D8 of the switches S5 and S8 are decoupled and must during operation of the inverter subcircuit 14 do not carry electricity. When the over the inverter circuit 1 flowing power is not too large, the switches S5 and S8 can therefore be formed not only as IGBTs but also as MOSFETs. Also, the switches S1 to S4 of the series circuit 10 can at low over the inverter circuit 1 Because of their low-frequency clocking, both IGBTs and less expensive MOSFETs are designed to be floating because all switches S1 to S12 of the inverter circuit 1 with a maximum of half the intermediate circuit voltage of the DC intermediate circuit 4 be charged.

Das Filter 20 für die Wechselrichterteilschaltungen 14 gemäß den 3 und 4 weist zumindest ein Paar von zwischen seinen Eingängen bzw. den Mittelpunkten 18 der Halbbrücken 17 in Reihe geschalteten und magnetisch gekoppelten Drosseln 22 auf, deren Mittelpunkt 23 zu dem Ausgang 15 führt. Dies ist in 5 für das Filter 20 dargestellt. Zwischen dem Mittelpunkt kann auch eine weitere der Drossel 19 in 2 entsprechende Drossel 19 vorgesehen sein. Dies ist in 6 dargestellt. Wenn die beiden Halbbrücken, deren Mittelpunkte 18 an das Filter 20 angeschlossen sind, auf beiden Seiten des Mittelpunkts 18 jeweils einen Schalter aufweisen und die Schalter beider Halbbrücken in geeigneter Weise phasenversetzt getaktet werden, können an dem Mittelpunkt 23 der Drosseln 22 neben den Spannungsniveaus von 0 sowie +U_DC/2 und –U_DC/2 gegenüber Masse 9 auch die Spannungsniveaus ±U_DC/4 im Rahmen der Pulsweitenmodulation zur Formung des ausgegebenen Wechselstroms eingestellt werden. Hierdurch können die Amplituden der Oberschwingungen der Spannung an dem Ausgang 15 weiter reduziert werden, indem zwischen benachbarten Spannungsniveaus mit der Spannungsdifferenz U_DC/4 anstelle von benachbarten Spannungsniveaus mit der Spannungsdifferenz U_DC/2 umgeschaltet wird. The filter 20 for the inverter subcircuits 14 according to the 3 and 4 has at least one pair of between its inputs and the midpoints 18 the half bridges 17 series connected and magnetically coupled reactors 22 on, whose center 23 to the exit 15 leads. This is in 5 for the filter 20 shown. Between the center can also be another of the throttle 19 in 2 corresponding throttle 19 be provided. This is in 6 shown. If the two half-bridges, their centers 18 to the filter 20 connected on both sides of the center 18 each having a switch and the switches of both half-bridges are clocked in a phase-shifted appropriate manner, can at the midpoint 23 the throttles 22 next to the voltage levels of 0 and + U _DC / 2 and -U _DC / 2 to ground 9 also the voltage levels ± U _DC / 4 are set in the context of the pulse width modulation for shaping the output alternating current. This allows the amplitudes of the harmonics of the voltage at the output 15 be further reduced by switching between adjacent voltage levels with the voltage difference U _DC / 4 instead of adjacent voltage levels with the voltage difference U _DC / 2.

Ein solcher Betrieb ist insbesondere bei der Wechselrichterschaltung 1 gemäß 7 vorgesehen, die die Schaltungsdetails von 1 und 3 zusammenfasst. Gegenüber einer sogenannten ANPC-Schaltung scheint hier nur eine zweite Halbbrücke 17 aus den Schaltern S7 und S8 parallel zu der Halbbrücke 17 aus den Schaltern S5 und S6 vorgesehen zu sein, um den Wechselstrom über das Filter 20 auszugeben. Tatsächlich werden anders als bei einer ANPC-Schaltung die Schalter S1 bis S4 jedoch nur langsam getaktet, um zwischen den Zwischenpunkten 12 und 13, an die die beiden Halbbrücken 17 angeschlossen sind, die Spannungsdifferenzen von U_DC/2 mit unterschiedlichem Potentialbezug zur Masse 9 bereitzustellen. Wie bei einer ANPC-Schaltung sind aber alle dargestellten Schalter für jede Phase eines mehrphasigen Wechselrichters vorzusehen. Nur der Gleichspannungszwischenkreis 4 ist für alle Phasen derselbe.Such an operation is particularly in the inverter circuit 1 according to 7 provided the circuit details of 1 and 3 summarizes. Compared to a so-called ANPC circuit here seems only a second half-bridge 17 from switches S7 and S8 in parallel with the half-bridge 17 to be provided from the switches S5 and S6 to the alternating current through the filter 20 issue. In fact, unlike an ANPC circuit, however, switches S1 to S4 are only slowly clocked to pass between the intermediate points 12 and 13 to which the two half-bridges 17 are connected, the voltage differences of U _DC / 2 with different potential reference to ground 9 provide. As with an ANPC circuit, however, all the switches shown must be provided for each phase of a polyphase inverter. Only the DC voltage intermediate circuit 4 is the same for all phases.

Dies gilt auch für die Ausführungsform der Wechselrichterschaltung 1 gemäß 8. Diese weist zusätzlich zu der Wechselrichterschaltung 1 gemäß 7 ein weiteres Paar von Halbbrücken 17 aus Schaltern S9 und S10 mit antiparallelen Dioden D9 und D10 bzw. Schaltern S11 und S12 mit antiparallelen Dioden D11 und D12 auf, deren Mittelpunkte 18 ebenfalls mit dem Filter 20 verbunden sind. Dabei ist das Filter 20 wie in 9 dargestellt ausgebildet. Die Mittelpunkte 18 sind jeweils an eine Drossel 22 eines Paars von elektrisch in Reihe geschalteten und magnetisch gekoppelten Drosseln 22 angeschlossen. Die Mittelpunkte 23 der beiden Paare von Drosseln 22 wiederum sind an die äußeren Enden weiterer zwei Drosseln 24 angeschlossen, die elektrisch in Reihe geschaltet und magnetisch gekoppelt sind. Ein Mittelpunkt 25 dieser Drosseln 24 führt dann zu dem Ausgang 15, wobei dazwischen eine weitere Drossel vorgesehen sein kann. Durch Ansteuerung der Mittelpunkte 23 auf unterschiedliche elektrische Potentiale aus der Auswahl 0, ± DC/4 und ± DC/2 können Potentiale aus der Auswahl 0, ± DC/8, ± DC/4, ± 3DC/8 und ± DC/2 an dem Mittelpunkt 25 eingestellt werden. Hierdurch können die Spannungsschwankungen an dem Ausgang 15 während der Formung des Wechselstroms noch weiter reduziert werden. Jede Reduktion der Spannungsschwankung bedeutet auch die Möglichkeit einer kleineren Dimensionierung einer diesen Spannungsschwankungen ausgesetzten Drossel. Die Ansteuerung aller Schalter der jeweiligen Wechselrichterschaltung 1 erfolgt durch eine in 8 schematisch wiedergegebene Steuerung 26. This also applies to the embodiment of the inverter circuit 1 according to 8th , This has in addition to the inverter circuit 1 according to 7 another pair of half bridges 17 of switches S9 and S10 with anti-parallel diodes D9 and D10 and switches S11 and S12 with anti-parallel diodes D11 and D12, whose centers 18 also with the filter 20 are connected. Here is the filter 20 as in 9 shown formed. The centers 18 are each at a throttle 22 a pair of electrically series-connected and magnetically coupled chokes 22 connected. The centers 23 the two pairs of chokes 22 in turn, at the outer ends of two more chokes 24 connected, which are electrically connected in series and magnetically coupled. A center 25 these chokes 24 then leads to the exit 15 , wherein between another throttle may be provided. By controlling the midpoints 23 potentials from the selection 0, ± DC / 4 and ± DC / 2 can be selected from 0, ± DC / 8, ± DC / 4, ± 3DC / 8 and ± DC / 2 at the midpoint 25 be set. This allows the voltage fluctuations at the output 15 be further reduced during the formation of the alternating current. Any reduction of the voltage fluctuation also means the possibility of a smaller dimensioning of a throttle exposed to these voltage fluctuations. The control of all switches of the respective inverter circuit 1 done by a in 8th schematically reproduced control 26 ,

Die in den 10 bis 13 gezeigten Schaltzustände einer Wechselrichterschaltung 1, die den Aufbau gemäß 7 mit dem Filter gemäß 5 aufweist, entsprechen jeweils einem Strom in das Wechselstromnetz 16, d. h. der positiven Halbwelle des Wechselstroms. Dabei sind die Schalter S1 und S3 dauerhaft geschlossen und mit den Schaltern S5 bis S8 wird die Ausgangsspannung an dem Ausgang auf null (13), ein Viertel der Eingangsgleichspannung (11 und 12) und die halbe Eingangsgleichspannung (10) jeweils mit positivem Vorzeichen gegenüber Masse 9 eingestellt.The in the 10 to 13 shown switching states of an inverter circuit 1 according to the structure 7 with the filter according to 5 each corresponding to a current in the AC network 16 , ie the positive half cycle of the alternating current. The switches S1 and S3 are permanently closed and with the switches S5 to S8, the output voltage at the output to zero ( 13 ), a quarter of the input DC voltage ( 11 and 12 ) and half the input DC voltage ( 10 ) each with a positive sign to ground 9 set.

Die 14 bis 17 zeigen entsprechend Schaltzustände der Wechselrichterschaltung 1 gemäß den 10 bis 13, mit denen bei aus dem Wechselstromnetz 16 fließendem Strom Spannungen von null (14), einem Viertel der Eingangsgleichspannung (15 und 16) und einer Hälfte der Eingangsgleichspannung (17) jeweils mit negativem Vorzeichen gegenüber Masse an dem Ausgang 15 eingestellt werden. The 14 to 17 show corresponding switching states of the inverter circuit 1 according to the 10 to 13 with which at from the ac network 16 flowing current tensions of zero ( 14 ), a quarter of the input DC voltage ( 15 and 16 ) and one half of the input DC voltage ( 17 ) each with a negative sign to ground at the output 15 be set.

Die über der Wechselrichterteilschaltung 14 abfallende Potentialdifferenz beträgt in keinem der Schaltzustände gemäß den 10 bis 14 mehr als die Hälfte der Eingangsgleichspannung.The over the inverter subcircuit 14 falling potential difference is not in any of the switching states according to the 10 to 14 more than half of the DC input voltage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Wechselrichterschaltung Inverter circuit
22: Eingangsleitung input line
33: Eingangsleitung input line
44: Gleichspannungszwischenkreis Dc link
55: Kondensator capacitor
66: Kondensator capacitor
77: Pufferkapazität buffering capacity
88th: Mittelpunkt Focus
99: Masse Dimensions
1010: Reihenschaltung series connection
1111: Mittelpunkt Focus
1212: Zwischenpunkt intermediate point
1313: Zwischenpunkt intermediate point
1414: Wechselrichterteilschaltung Inverter circuit section
1515: Ausgang output
1616: Wechselstromnetz AC power
1717: Halbbrücke half bridge
1818: Mittelpunkt Focus
1919: Drossel throttle
2020: Filter filter
2121: Stützkondensator backup capacitor
2222: Drossel throttle
2323: Mittelpunkt Focus
2424: Drossel throttle
2525: Mittelpunkt Focus
2626: Steuerung control
S1S1: Schalter switch
S2S2: Schalter switch
S3S3: Schalter switch
S4S4: Schalter switch
S5S5: Schalter switch
S6S6: Schalter switch
S7S7: Schalter switch
S8S8: Schalter switch
S9S9: Schalter switch
S10S10: Schalter switch
S11S11: Schalter switch
S12S12: Schalter switch
D1D1: Diode diode
D2D2: Diode diode
D3D3: Diode diode
D4D4: Diode diode
D5D5: Diode diode
D6D6: Diode diode
D7D7: Diode diode
D8D8: Diode diode
D9D9: Diode diode
D10D10: Diode diode
D11D11: Diode diode
D12D12: Diode diode
UDCUDC: Eingangsgleichspannung DC input voltage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10140747 A1 [0007]
US 5198971 A [0008, 0009]
EP 1137160 B1 [0009]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

John Salmon, et al .: PWM Inverters Using Split-Wound Coupled Inductors, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 6, November / December 2009 [0010]

Claims

Inverter circuit ( 1 ) for forming an alternating current - with two input lines ( 2 . 3 ) for a _DC input voltage (U _DC ), - with a shared buffer capacity ( 7 ) between the input lines ( 2 . 3 ), - with each phase of the alternating current - a series circuit ( 10 ) of four switches (S1 to S4) between the input lines ( 2 . 3 ), where a midpoint ( 8th ) of the shared buffer capacity ( 7 ) with a center ( 11 ) between the second switch (S2) and the third switch (S3) of the series circuit ( 10 ), and - at least two additional switch (S5 to S12) having inverter subcircuit ( 14 ) between a first intermediate point ( 12 ) between the first switch (S1) and the second switch (S2) of the series circuit ( 10 ) and a second intermediate point ( 13 ) between the third switch (S3) and the fourth switch (S4) of the series circuit ( 10 ) and the one output ( 15 ) for the respective phase of the alternating current, and - with one of the switches (S1 to S4) of the series circuit ( 10 ) and the switches (S5 to S12) of the inverter subcircuit ( 14 ) clocking control ( 26 ), characterized in that the controller ( 26 ) all switches (S1 to S4) of each series circuit ( 10 ) is slow to switch between the two intermediate points ( 12 . 13 ) successively equal voltages with different potential reference to the center ( 8th ) of the shared buffer capacity ( 7 ) and that the controller ( 26 ) at least the at least two further switches (S5 to S12) of each inverter subcircuit ( 14 ) quickly clocks to shape the AC.

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the controller ( 26 ) all switches (S1 to S4) of each series circuit ( 10 ) at maximum twice the frequency of the alternating current, whereby the controller ( 26 ) optionally each for a half period of the AC simultaneously the first switch (S1) and the third switch (S3) of each series circuit ( 10 ) and then each for a half period of the alternating current simultaneously the second switch (S2) and the fourth switch (S4) of the respective series circuit ( 10 ) closes.

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the controller ( 26 ) the at least two further switches (S5 to S12) of the inverter subcircuit ( 14 ) at least 10 times, preferably at least 100 times more frequently than all the switches (S1 to S4) of the series circuit ( 10 ).

Inverter circuit ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that all switches (S1 to S4) of each series circuit ( 10 ) MOSFETs are.

Inverter circuit ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that each inverter subcircuit ( 14 ) at least two half-bridges ( 17 ) whose centers ( 18 ) to the outer terminals of two magnetically coupled and electrically series-connected reactors ( 22 ), with a midpoint ( 23 ) between the two throttles ( 22 ) to the exit ( 15 ) leads.

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 5, characterized in that between the center ( 23 ) of the two throttles ( 22 ) and the output ( 15 ) at least one further throttle ( 19 . 24 ) is provided.

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 5 or 6, characterized in that each of the at least two half-bridges ( 17 ) has a switch (S5, S8) with antiparallel diode (D5, D8) and with the diode (D5, D8) of the switch (S5, S8) connected in series with the same passage direction diode (D6, D7).

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 7, characterized in that all the switches (S1 to S4) of the series circuit ( 10 ) and all the switches (S5, S8) of the inverter subcircuit MOSFETs are.

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the at least two half-bridges ( 17 ) each have two switches (S5 to S12).

Inverter circuit ( 1 ) according to one of claims 5 to 9, characterized in that the controller ( 26 ) the switches (S5 to S12) of the at least two half-bridges ( 17 ) in interleaving mode.

Inverter circuit ( 1 ) according to claim 10, characterized in that each inverter subcircuit has at least two pairs of half-bridges ( 17 ) whose centers ( 18 ) in pairs to external terminals of one of two pairs of magnetically coupled and electrically series-connected reactors ( 22 ), the two between the two chokes ( 22 ) each one of the two pairs lying centers ( 23 ) to the outer terminals of two further magnetically coupled and electrically connected reactors ( 24 ), with a midpoint ( 25 ) between the two further chokes ( 24 ) to the exit ( 15 ), wherein the controller controls the switches (S5 to S12) of the two pairs of half-bridges ( 17 ) optionally clocked in interleaving mode.

Inverter circuit ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that each inverter subcircuit ( 14 ) one between the two intermediate points ( 12 . 13 ) of the associated series circuit ( 10 ) connected backup capacitor ( 21 ) having.

Method for operating an inverter circuit ( 1 ) for forming an alternating current, wherein the inverter circuit ( 1 ) - two input lines ( 2 . 3 ) for a _DC input voltage (U _DC ), - a shared buffer capacity ( 7 ) between the input lines ( 2 . 3 ) and - for each phase of the alternating current - a series circuit ( 10 ) of four switches (S1 to S4) between the input lines ( 2 . 3 ), where a midpoint ( 8th ) of the shared buffer capacity ( 7 ) with a center ( 11 ) between the second switch (S2) and the third switch (S3) of the series circuit ( 10 ), and - at least two additional switch (S5 to S12) having inverter subcircuit ( 14 ) between a first intermediate point ( 12 ) between the first switch (S1) and the second switch (S2) of the series circuit ( 10 ) and a second intermediate point ( 13 ) between the third switch (S3) and the fourth switch (S4) of the series circuit ( 10 ) and the one output ( 15 ) for the respective phase of the alternating current, characterized in that all the switches (S1 to S4) of each series circuit ( 10 ) are clocked slowly to move between the two intermediate points ( 12 . 13 ) successively equal voltages with different potential reference to the center ( 8th ) of the shared buffer capacity ( 7 ), and that at least the at least two further switches (S5 to S12) of each inverter subcircuit ( 14 ) can be clocked quickly to shape the AC.

Method according to claim 13, characterized in that all switches (S1 to S4) of each series circuit ( 10 ) can be clocked at a maximum of twice the frequency of the alternating current, with optionally the first switch (S1) and the third switch (S3) of each series circuit ( 10 ) and then each for a half period of the alternating current simultaneously the second switch (S2) and the fourth switch (S4) of the respective series circuit ( 10 ) getting closed.

A method according to claim 13 or 14, characterized in that the at least two further switches (S5 to S12) of the inverter subcircuit ( 14 ) are clocked at least 10 times, preferably at least 100 times more frequently than all the switches in the series circuit.

Method according to one of claims 13 to 15, wherein each inverter subcircuit ( 14 ) at least two half-bridges ( 17 ), each having two switches (S 5 to S12) and their centers ( 18 ) to the outer terminals of two magnetically coupled and electrically series-connected reactors ( 22 ), with a midpoint ( 23 ) between the two throttles ( 22 ) to the exit ( 15 ), characterized in that the switches (S5 to S12) of the at least two half-bridges ( 17 ) are clocked in interleaving mode.

The method of claim 16, wherein each inverter subcircuit ( 14 ) at least two pairs of half-bridges ( 17 ) whose centers ( 18 ) in pairs to external terminals of one of two pairs of magnetically coupled and electrically series-connected reactors ( 22 ), the two between the two chokes ( 22 ) each one of the two pairs lying centers ( 23 ) to the outer terminals of two further magnetically coupled and electrically connected reactors ( 24 ), with a midpoint ( 25 ) between the two further chokes ( 24 ) to the exit ( 15 ), characterized in that the switches (S5 to S12) of the two pairs of half bridges ( 17 ) are clocked in interleaving mode.