Hocheffizienter Stromrichter für einphasige Systeme

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen Stromrichter für einphasige Systeme sowie ein Verfahren zur Zusammenschal ^¬ tung eines Gleichspannungssystems mit einem Wechselspannungs ^¬ system mit mindestens einer derartigen Schaltung.

Eine solche Schaltung kommt beispielsweise in einem Wechsel ^¬ richter für die Verwendung in der Photovoltaik zum Einsatz. Die dort eingesetzten Wechselrichter übernehmen die Stromwandlung für eine ganze Photovoltaik-Anlage, für einen

String, d.h. eine Reihe von Solarmodulen der Anlage, oder aber auch nur für ein einzelnes Solarmodul (dann als sog. Mikro-Solarinverter oder Modulwechselrichter) . Andere Einsatzfelder für Stromrichter sind beispielsweise Elektrofahr- zeuge, Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge für den Schienenverkehr und auch Ladesäulen für Elektrofahrzeuge . Weiterhin werden Stromrichter in Energiespeicheranwendungen, beispielsweise im Umfeld erneuerbarer Energien verwendet oder bei Hilfsspannungs- versorgungen und in Netzteilen. Als Stromrichter wird hier eine Anordnung zur Umwandlung einer elektrischen Stromart in eine andere bezeichnet. Ein der ^¬ artiger Stromrichter kommt bevorzugt bei der Zusammenschal ^¬ tung eines Gleichspannungssystems, beispielsweise mit einer Gleichspannung von 450 V, mit einem Wechselspannungssystem, beispielsweise mit einer Wechselspannung von 230 V, zum Einsatz, wobei je nach Leistungsflussrichtung der Stromrichter als Wechselrichter oder als Gleichrichter betrieben wird. Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Gleich ^¬ spannung in Wechselspannung konvertiert. Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, welches Wechselspannung in

Gleichspannung konvertiert. Der Stromrichter kann hier sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter verwendet werden. Ein einphasiges System weist einen Phasenleiter und ei- nen Nullleiter auf, wobei der Nullleiter bevorzugt geerdet ist. Eine weitere Ausführungsform ist ein sogenanntes

Einphasen-Dreileiternetz oder auf Englisch "Split-Phase"- oder "Single-Phase Three-Wire"-System, welches bevorzugt in den Vereinigen Staaten von Amerika für Einfamilien-Haushalte und Kleinbetriebe verwendet wird. Das Einphasen- Dreileiternetz basiert auf einem einphasigen System, wobei mit Hilfe eines Transformators, welcher bevorzugt sekundär- seitig eine Mittelanzapfung für die neutrale Phase aufweist, zwei gegenphasige Signale, das heißt mit 180° Phasenversatz, auf zwei Leitern generiert werden.

Aus der EP 2 136 465 AI ist ein Wechselrichter zur Einspei- sung einer Leistung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere eines Photovoltaikgenerators , in ein Wechselspannungsnetz mit einer asymmetrisch getakteten Brückenschaltung mit mindestens zwei mit Netzfrequenz getakteten ersten Schaltern und mit mindestens zwei mit einer höheren Taktfrequenz getakteten zweiten Schaltern bekannt. In der WO 2016/146171 AI wird eine Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme vorgeschlagen, welche einen 3-Punkt-Strom- richter und einen nachgeschalteten 2-Punkt-Stromrichter aufweist. Aus der EP 2 306 629 AI ist eine 5-Punkt-Stromrichter-

Schaltung für dreiphasige Systeme bekannt, die drei Halbbrü ^¬ cken sowie einen AC-Schalter kombiniert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichter- Schaltung für einphasige Systeme anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Eigenschaften bezüglich der EMV aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromrichter- Schaltung für einphasige Systeme gelöst. Die Stromrichter- Schaltung umfasst eine erste Schaltung, eine zweite Schaltung und eine Filterschaltung. Dabei weist die erste Schaltung An- Schlusskontakte zum Anschluss an eine Gleichspannung auf, zwischen denen ein Zwischenkreis mit einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren sowie parallel zum Zwischenkreis zwei in Serie geschaltete erste Halbbrücken angeordnet sind. Der Zwischenkreis ist als geteilter Zwischenkreis ausgeführt und zur Herstellung eines Mittelpunkts einer Zwischenkreisspan- nung am zwischen den Kondensatoren befindlichen Punkt vorgesehen. Die Potentialpunkte zwischen den Kondensatoren sowie zwischen den ersten Halbbrücken sind miteinander verbunden. Die Filterschaltung umfasst erste Anschlüsse, zwischen denen eine Serie aus einer ersten Filter-Induktivität, einem Fil ^¬ terkondensator und einer zweiten Filterinduktivität geschal ^¬ tet ist, wobei die ersten Anschlüsse mit den Mittelpunkten der beiden ersten Halbbrücken verbunden sind. Die Filter- Schaltung umfasst weiterhin zweite Anschlüsse an den Punkten zwischen dem Filterkondensator und der ersten sowie zwischen dem Filterkondensator und der zweiten Filter-Induktivität.

Die zweite Schaltung weist zwei parallele zweite Halbbrücken auf, deren Mittelpunkte Wechselspannungsausgänge bilden. Die äußeren Potentialpunkte der zweiten Halbbrücken sind mit den zweiten Anschlüssen der Filterschaltung verbunden. Die Stromrichter-Schaltung und das Verfahren der Erfindung kommen vorzugsweise bei Netzanwendungen, beispielsweise Pho- tovoltaik, insbesondere als Mikro-Solarinverter für einzelne Solarmodule und Energiespeicher-Anwendungen sowie in Elektro- fahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Fahrzeugen für den Schienenverkehr zum Einsatz. Weitere Einsatzgebiete sind Hilfsspan- nungsversorgungen und Netzteile.

Die Erfindung schafft eine Stromrichter-Schaltung mit einer nativ sinusförmigen Ausgangsspannung. Vorteilhaft ist weiterhin, dass eine solche Stromrichter-Schaltung ohne Weiteres für eine Parallelschaltung mit weiteren, beispielsweise gleichartigen Stromrichter-Schaltungen geeignet ist. Dadurch ist der mit der Schaltung erreichbare Leistungsbereich - bei Beibehaltung der verwendeten Bauteile - deutlich erweitert.

Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Stromrichter- Schaltung vorteilhaft, dass der Bereich der Schaltung, in dem eine pulsweitenmodulierte Spannung mit hochfrequenten Span- nungswechseln auftritt, eng begrenzt ist. Die

pulsweitenmodulierte Spannung tritt nur in den Leiterberei ^¬ chen zwischen den Filter-Induktivitäten und den direkt angeschlossenen Schaltern der ersten Halbbrücken auf. Damit ist der Bereich der Schaltung mit hoher EMV-Abstrahlung durch die Platzierung des internen Filters vorteilhaft eng begrenzt auf zwei kurze Leiterstücke. Diese lassen sich gut mit einer Schirmung versehen, beispielsweise indem sie in einer mehrlagigen Platine in einer mittleren Lage zwischen schirmende Metallflächen angeordnet werden.

Weiterhin wird bei der erfindungsgemäßen Topologie erreicht, dass die Schalter der zweiten Schaltung nicht im Bereich hoher Schaltfrequenzen liegen. Vielmehr wird die Spannung bereits vor den Schaltern der zweiten Schaltung durch die Fil- terschaltung geglättet. Dadurch sinkt die Belastung der

Schalter in der zweiten Schaltung und die Ansteuerung der Schalter der zweiten Schaltung wird vereinfacht. Die Schaltung kann durch die erfindungsgemäße Schaltungstopo- logie bidirektional, das heißt je nach Leistungsfluss als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter, betrieben werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.

Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit de ^¬ nen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Stromrichter-Schaltung noch zusätzlich folgen- de Merkmale vorgesehen werden:

- Die beiden in Serie geschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises, an denen die Zwischenkreisspannung, beispielsweise 400 V, abfällt, können jeweils auch aus mehreren, bei- spielsweise in Serie oder parallel geschalteten Kondensato ^¬ ren, bestehen. Dies kann notwendig sein wenn es keinen Kondensator gibt, der für den geforderten Strom und/oder die geforderte Spannung spezifiziert ist. - Die Kondensatoren können gleiche Kapazitätswerte aufweisen. Der durch die Verwendung von gleichen Kapazitätswerten symmetrisch geteilte Zwischenkreis teilt die Zwischenkreisspan ^¬ nung um den Mittelpunkt symmetrisch. Daher können in den ersten Halbbrücken die gleichen Leistungshalbleiter verwendet werden, welche gleichmäßig und optimal ausgesteuert werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung und reduziert die Komplexität. b

- Die Filterschaltung kann einen zweiten Filterkondensator zwischen dem Filterkondensator und der zweiten Filterinduktivität umfassen, wobei der Potentialpunkt zwischen den Filterkondensatoren mit dem Potentialpunkt zwischen den ersten Halbbrücken der ersten Schaltung verbunden ist.

- Zusätzlich kann die Filterschaltung einen dritten Filterkondensator zwischen einem oberen der ersten Anschlüsse und einem oberen der zweiten Anschlüsse sowie einem vierten Fil- terkondensator zwischen einem unteren der ersten Anschlüsse und einem unteren der zweiten Anschlüsse.

- Die erste Schaltung kann Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind. Die zweite Schaltung kann Leistungshalbleiter aufweisen, die für eine Taktung mit einer tieferen Grundfrequenz vorgesehen sind. Während die Modulationsfrequenz der Wechselspannung beispielsweise im Bereich von mehreren kHz bis zu mehreren MHz liegt, liegt die Grundfrequenz beispielsweise bei 50 Hz. Da die Leistungshalbleiter für unterschiedliche Aufgaben bei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb der Stromrichter- Schaltung vorgesehen sind, erlaubt die angegebene Schaltungs- topologie eine Verwendung von angepassten Leistungshalblei ^¬ tern. Dies ist vorteilhaft, weil sich durch die Verwendung an die Aufgabe angepasster Leistungshalbleiter der Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung erhöht.

- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein. Die Leis- tungshalbleiter der zweiten Schaltung können hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein. Ein wesentlicher Faktor zur Begrenzung des erreichbaren Wirkungsgrades liegt in den Verlusten, die in den verwendeten Leistungshalbleitern auftreten. Dabei spielen die Schaltverluste, die im Moment des Öffnens und Schließens des Schalters auftreten und mit der verwendeten Schaltfrequenz ansteigen, sowie die Durchlassverluste, die im leitenden Zustand des Schalters auftre ^¬ ten, eine Rolle. Die Leistungshalbleiter wie beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder GaN-HEMT-Schalter weisen bezüglich der

Schaltverluste und Durchlassverluste verschiedene Eigenschaf ^¬ ten auf. Darüber hinaus gibt es auch innerhalb jedes Typs von Leistungshalbleiter verschiedene Ausprägungen, die sich bezüglich der genannten Eigenschaften unterscheiden. Dabei ist typischerweise eine Optimierung der Schaltverluste nicht gleichzeitig mit einer Optimierung der Durchlassverluste zu erreichen, vielmehr stehen die Ziele im Widerstreit miteinander. Bei bekannten Topologien ist die Auswahl der Leistungshalbleiter daher ein Kompromiss. Hingegen können bei der Stromrichter-Schaltung vorteilhaft die schnell schaltenden

Leistungshalbleiter der ersten Schaltung, die für die Modulation der Wechselspannung vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sein, während die vergleichswei ^¬ se langsam schaltenden Leistungshalbleiter der zweiten Schal- tung, die für eine Taktung mit einer Grundfrequenz vorgesehen sind, hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sein. Damit ist trotz des Konflikts zwischen Schaltverlusten und Durchlassverlusten eine optimale Auswahl der Leistungshalbleiter möglich, die bei anderen Topologien nicht getroffen werden kann.

- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der halben Zwi- schenkreisspannung entspricht. Die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltung können eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die wenigstens der ganzen Zwischenkreisspannung entspricht. Dies wird durch die Schaltungstopologie mit dem geteilten Zwischenkreis ermöglicht, welcher als ein kapazitiver Span ^¬ nungsteiler wirkt und bei bevorzugt gleichen Kapazitätswerten die Zwischenkreisspannung um den Mittelpunkt symmetrisch teilt. Bei gegebener Schaltfrequenz erzeugen Leistungshalbleiter, die eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen und da ^¬ her zum Schalten höherer Spannungen geeignet sind, signifi- kant höhere Schaltverluste als Leistungshalbleiter, welche eine geringere Spannungsfestigkeit aufweisen. Die angegebene Schaltungstopologie erlaubt es, dass die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung nur eine Spannungsfestigkeit aufweisen müssen, welche der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Da so die angepassten Leistungshalbleiter jeweils optimal eingesetzt werden, ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Stromrichter-Schaltung .

- Als Leistungshalbleiter der ersten Schaltung kommen bevor- zugt GaN-Schalter zum Einsatz. Diese erlauben sehr hohe

Schaltgeschwindigkeiten und ermöglichen es daher, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.

- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können mit ei- ner Frequenz von mehr als 100 kHz angesteuert werden. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht es, die Baugröße der Filterelemente zu verringern.

- Der erste Kondensator und die erste Halbbrücke können als eine erste Kommutierungszelle ausgebildet sein; der zweite

Kondensator und die zweite Halbbrücke können als eine zweite Kommutierungszelle ausgebildet sein. Als Kommutierung be ^¬ zeichnet man in der Leistungselektronik den Vorgang, bei dem ein Stromfluss von einem Zweig zum anderen übergeht. In der vorliegenden Ausführungsform findet die Kommutierung, beispielsweise im Betrieb als Wechselrichter, vom ersten Kondensator zur parallel dazu geschalteten ersten Halbbrücke und vom zweiten Kondensator zur parallel dazu geschalteten zweiten Halbbrücke statt. Die Ausbildung einer Kommutierungszelle insbesondere durch eine niederinduktive Anordnung der Bauele ^¬ mente ist vorteilhaft, da so ein sehr gutes Kommutierungsver ^¬ halten und Schaltverhalten erreicht wird, was die Effizienz der vorliegenden Schaltung erhöht.

- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung werden bevorzugt mit einer Pulsweiten-Modulation angesteuert und die Leistungshalbleiter der zweiten Schaltung mit einer tieferen Grundfrequenz umgepolt.

- Für die Pulsweiten-Modulation werden die ersten Halbbrücken zweckmäßig stets so geschaltet, dass einer der Leistungshalb ^¬ leiter eingeschaltet ist, während der andere Leistungshalb ^¬ leiter ausgeschaltet ist.

- Die Leistungshalbleiter der ersten Schaltung können derart angesteuert werden, dass sie synchron schalten. Mit anderen Worten passiert ein Umschalten der Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken der ersten Schaltung gleichzeitig. In diesem Betriebsmodus wechselt die Spannung zwischen der ersten Schaltung und der Filterschaltung daher stets zwischen dem vollen Wert der Zwischenkreisspannung und Null, d.h. einem Zusammenschluss des Mittelpunkts-Potentials. Dabei sind zu einer Zeit entweder die beiden äußeren Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken eingeschaltet oder die beiden inneren Leistungshalbleiter der beiden ersten Halbbrücken eingeschaltet. Durch diesen Schaltbetrieb werden vorteilhaft Gleichtakt-Störungen der Stromrichter-Schaltung stark verringert .

- Alternativ können Leistungshalbleiter der ersten Schaltung derart angesteuert werden, dass die Leistungshalbleiter der oberen ersten Halbbrücke im Wechsel mit den Leistungshalblei ^¬ tern der unteren ersten Halbbrücke schalten. Bei einer An- Steuerung der Leistungshalbleiter mittels Trägersignal kann das beispielsweise durch eine entsprechende Phasenverschie ^¬ bung des Trägersignals für die untere erste Halbbrücke gegen ^¬ über der oberen ersten Halbbrücke erreicht werden. Die am Eingang der Filterschaltung anliegende Spannung wechselt in diesem Schaltmodus zwischen der vollen Zwischenkreisspannung, der halben Zwischenkreisspannung und Null. Die dadurch vorliegende Schaltfrequenz ist gegenüber der Schaltfrequenz bei synchronem Schalten der Halbbrücken verdoppelt. Dadurch kann die Baugröße der in der Filterschaltung verwendeten Filter- Induktivitäten verringert werden, da die Filterwirkung invers proportional mit der Frequenz des Signals zusammenhängt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .

Es zeigen schematisch: Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovol- taik-Anlage,

Figur 2 einen Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung für einphasige Systeme,

Figur 3 einen Ausschnitt des Schaltplans der Stromrichter- Schaltung,

Figuren 4 bis 7

ein Zeitablaufdiagramm des Schaltzustands für verschiedene Halbbrücken der Stromrichter-Schaltung, Figur 8 ein Zeitablaufdiagramm einer innerhalb der Stromrichter-Schaltung erzeugten Spannung,

Figur 9 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energiespeichersystems ,

Figuren 10 und 11 Schaltpläne weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung .

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Photovoltaik-Anlage 10. Die Photovoltaik-Anlage 10 umfasst eine Reihe von Solarmodulen IIa, IIb, von denen hier der Übersicht wegen nur zwei dargestellt sind. Jedes der Solarmo ^¬ dule IIa, IIb ist über einen DC/DC-Wandler 12 mit MPP- Tracking mit einer erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 verbunden, die aus dem Gleichstrom des jeweiligen Solarmoduls IIa, IIb eine einphasige Wechselspannung erzeugt. Die einphasige Wechselspannung hat bevorzugt die Frequenz f _G des Versorgungsnetzwerks, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Die Wechselspannungsausgänge 25a, 25b der Stromrichter- Schaltungen 20 sind zueinander parallel geschaltet.

In Figur 2 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 für einphasige Systeme dargestellt, wobei die Stromrichter-Schaltung 20 eine erste Schaltung 21, eine zweite Schaltung 22 und eine Filterschaltung 23 umfasst. Die Stromrichter-Schaltung 20 ist zwischen ein Gleichspannungssystem 1 und ein in Figur 2 nicht dargestelltes Wechselspannungssystem geschaltet. Dabei um ^¬ fasst die Stromrichter-Schaltung 20 Anschlusskontakte 24a, 24b zur Verbindung mit dem Gleichspannungssystem 1 und Wechselspannungskontakte 25a, 25b zur Verbindung mit dem Wech ^¬ selspannungssystem.

Die erste Schaltung 21 umfasst zwei in Reihe geschaltete Halbbrücken 26a, 26b. Parallel zu den Halbbrücken 26a, 26b ist ein Zwischenkreis 27 angeordnet, der eine Serienschaltung von zwei Kondensatoren Cl, C2 aufweist. Die äußeren Anschlüs ^¬ se der beiden Halbbrücken 26a, 26b sind mit den Anschlusskontakten 24a, 24b verbunden und bilden somit den Gleichspan- nungseingang der Stromrichter-Schaltung 20. Der Zwischenkreis 27 ist als geteilter Zwischenkreis ausgeführt und zur Her ^¬ stellung eines Mittelpunkts M einer Zwischenkreisspannung UZK am zwischen den Kondensatoren Cl, C2 und den Halbbrücken 26a, 26b befindlichen Potentialpunkt vorgesehen. Dabei ist der erste Kondensator Cl parallel zu der oberen Halbbrücke 26a geschaltet und der zweite Kondensator C2 parallel zu der un ^¬ teren Halbbrücke 26b geschaltet. Der erste Kondensator Cl und die erste Halbbrücke 26a sind als eine erste Kommutierungs- zelle Kl ausgebildet und der zweite Kondensator C2 und die zweite Halbbrücke 26b sind als eine zweite Kommutierungszelle K2 ausgebildet, wodurch sich parasitäre Effekte minimieren, welche hauptsächlich durch parasitäre Induktivitäten zwischen einem Kondensator Cl, C2 und der dazu parallel geschalteten Halbbrücke 26a, 26b verursacht werden.

Die Filterschaltung 23 umfasst eine erste und zweite Filter- Induktivität 28a, 28b. Ein erster Anschluss der ersten Fil ^¬ ter-Induktivität 28a ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern Tl, T2 der ersten Halbbrücke 26a verbunden. Ein erster Anschluss der zweiten Filter-Induktivität 28b ist mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T3, T4 der zweiten Halbbrücke 26b verbunden. Die jeweils an ^¬ deren Anschlüsse der Filter-Induktivitäten 28a, 28b sind über einen Filter-Kondensator 29 zusammengeschlossen. Die Filter- Induktivitäten 28a, 28b weisen zweckmäßig die gleiche Induk ^¬ tivität auf.

Die zweite Schaltung 22 umfasst eine Vollbrücke aus zwei pa- rallelen Halbbrücken 30a, 30b. Der obere äußere Anschluss der Halbbrücken 30a, 30b ist mit dem Potentialpunkt zwischen der ersten Filter-Induktivität 28a und dem Filter-Kondensator 29 verbunden. Der untere äußere Anschluss der Halbbrücken 30a, 30b ist mit dem Potentialpunkt zwischen der zweiten Filter- Induktivität 28a und dem Filter-Kondensator 29 verbunden. Der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T5, T6 der ersten Halbbrücke 30a ist verbunden mit dem ersten Wechsels ^¬ pannungskontakt 25a, während der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern T7, T8 der zweiten Halbbrücke 30a mit dem zweiten Wechselspannungskontakt 25b verbunden ist.

Die Stromrichter-Schaltung 20 arbeitet mit leistungselektro ^¬ nischen Schaltern Tl...8, die beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT), Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder Galliumnitrid-High

Electron Mobility Transistoren (GaN-HEMT) ausgeführt sein können. Die Figuren 2 und 3 zeigen IGBTs als leistungselekt ^¬ ronische Schalter Tl...8, das ist aber beispielhaft und es kön- nen andere Schaltertypen verwendet werden. Dabei können sich insbesondere die verwendeten Schalter Tl...8 auch unterschei ^¬ den, beispielsweise können in den Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 schnell schaltende GaN-Schalter verwendet werden, während in den Halbbrücken 30a, 30b der zweiten

Schaltung 22 IGBTs zum Einsatz kommen.

Die Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 der ersten Schaltung 21 sind für eine Modulation, vorzugsweise eine

Pulsweitenmodulation, kurz PWM, mit einem Takt vorgesehen, welcher eine signifikant höhere Frequenz aufweist als die Grundfrequenz f _G . Bei dieser hohen Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz, 100 kHz oder 250 kHz sind die Schaltver ^¬ luste der Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 der ersten

Schaltung 21 dominant gegenüber den Durchlassverlusten und daher werden Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 für die erste Schaltung 21 ausgewählt, die hinsichtlich geringer Schaltverluste optimiert sind. Die erfindungsgemäße Schaltungstopolo- gie der Stromrichter-Schaltung 20 erlaubt es weiterhin, für die erste Schaltung 21 Leistungshalbleiter Tl, T2, T3, T4 zu verwenden, welche eine Spannungsfestigkeit aufweisen, die der halben Zwischenkreisspannung UZK entspricht.

Die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der zweiten Schaltung 22 sind für eine Taktung mit der Grundfrequenz f _G vorgesehen. Da bei dieser deutlich geringeren Schaltfrequenz f _G die

Durchlassverluste der Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 im Vergleich zu den Schaltverlusten dominant sind, werden Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 für die zweite Schaltung 22 ausgewählt, welche hinsichtlich geringer Durchlassverluste optimiert sind. Aufgrund der Schaltungstopologie werden für die zweite Schaltung 22 Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 mit einer Spannungsfestigkeit verwendet, die der ganzen Zwi ^¬ schenkreisspannung UZK entspricht. Dies ist aber nicht von Nachteil, da die Leistungshalbleiter T5, T6, T7, T8 der zwei ^¬ ten Schaltung 22 nicht schnell schalten müssen.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Schaltplan der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichter-Schaltung 20 ge- mäß der Figur 2. Dabei sind die beiden Halbbrücken 26a, 26b sowie die Filter-Induktivitäten 28a, 28b gezeigt. Figur 3 zeigt weiterhin zwei Bereiche 31, 32 in der Leiterstruktur der Stromrichter-Schaltung 20. Die hochfrequenten Spannungswechsel, die durch das Umpolen der Halbbrücken 28a, 28b er- zeugt werden, beschränken sich in der erfindungsgemäßen Topo- logie auf die Bereiche 31, 32. Bei der Realisierung der

Stromrichter-Schaltung 20 können die Leiterstücke, die den Bereichen 31, 32 entsprechen, sehr kurz gehalten werden. Eine Schirmung zur Verminderung von Abstrahlungen, d.h. zur Ver- besserung der EMV-Eigenschaften der Stromrichter-Schaltung

20, kann daher mit einem geringen baulichen Aufwand gestaltet werden. Wird die Stromrichter-Schaltung 20 in einer mehrlagigen Platine aufgebaut, können die Leiterstücke, die den Be ^¬ reichen 31, 32 entsprechen, beispielsweise in einer mittleren Lage angeordnet werden. Darüber und/oder darunterliegende La ^¬ gen können dann entweder zur Schirmung geeignete andere Teile der Stromrichter-Schaltung 20 oder speziell vorgesehene metallische Flächen aufweisen. Dadurch wiederum kann das Gehäu- se der Stromrichter-Schaltung 20 vereinfacht aufgebaut werden, beispielsweise als Kunststoffgehäuse anstatt als Metall ^¬ gehäuse, da das Gehäuse weniger oder keine Schirmungsaufgaben erfüllen muss. Die Figuren 4 bis 7 zeigen den Ablauf der Schaltzustände der Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 sowie der Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 über einen Zeitraum, der einer Periode der Grundfrequenz f _G entspricht, d.h. 20 ys bei einer Grundfrequenz von 50 Hz. Die Halbbrücken 26a, 26b werden gemäß Figur 4 und Figur 5 mit einer PWM betrieben, deren Frequenz zur besseren Darstellung nur 4 kHz beträgt. Die Figuren 4 bis 7 zeigen in horizontaler Richtung eine übereinstimmende Zeitachse Z. In vertikaler Richtung befindet sich eine normierte Achse S, die den Schaltzustand der jewei- ligen Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b angibt. Der Schaltzustand umfasst dabei den Zustand der beiden Leistungshalbleiter Tl...8 der jeweiligen Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b, wobei von den Leistungshalbleitern Tl...8 einer Halbbrücke 26a, 26b, 30a, 30b jeweils einer eingeschaltet und der andere ausgeschaltet ist.

In den Figuren 4 und 5 ist erkennbar, dass die Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 stets im Gleichtakt, also synchron, und gegenläufig schalten. Die sich ergebende Spannungsdifferenz an den Ausgängen der Halbbrücken 26a, 26b ent- spricht also entweder der Zwischenkreisspannung UZK oder Null (kurzgeschlossene Ausgänge). Beim Filter-Kondensator 29, also aus Sicht der Halbbrücken 26a, 26b hinter den Filter- Induktivitäten 28a, 28b ist dadurch ein geglätteter Spannungsverlauf realisiert, der einer gleichgerichteten sinus- förmigen Wechselspannung entspricht, d.h. eine Folge von positiven Halbwellen. Dieser Spannungsverlauf ist in normierter Form in Figur 8 dargestellt. Figur 8 verwendet dabei die gleiche Zeitachse Z wie die Figuren 4 bis 7. Die verwendete PWM ist dabei derart gestaltet, dass nach Filterung hoher Frequenzen eine Folge von Halbwellen verbleibt. Sie unterscheidet sich somit im genauen Verlauf etwas von einer PWM zur Erzeugung eines vollständigen Sinusverlaufs. In den Figuren 6 und 7 ist erkennbar, dass die Halbbrücken 30a, 30b der zweiten Schaltung 22 mit der Grundfrequenz f _G umgepolt werden, d.h. mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz von beispielsweise 50 Hz. Dadurch wird jede zweite der positiven Halbwellen im Spannungsverlauf des Filter- Kondensators 29 umgeklappt und somit ein vollständiger Sinus ^¬ verlauf als Ausgangsspannung erzeugt. Das Umpolen der Halb ^¬ brücken 30a, 30b erfolgt dabei ebenfalls synchron und die Halbbrücken 30a, 30b werden natürlich stets gegenphasig ge ^¬ schaltet .

Der somit in den Figuren 4 und 5 gezeigte Schaltmodus verwen ^¬ det also eine synchrone Schaltung der Leistungshalbleiter Tl...4 der Halbbrücken 26a, 26b. Durch einen derartigen Betrieb ist die Spannung auf den beiden Ausgangsleitungen der Halb- brücken 26a, 26b daher stets symmetrisch in Bezug auf das

Spannungsniveau in der Mitte des Zwischenkreises, also zwi ^¬ schen den beiden Halbbrücken 26a, 26b. Ist dieser Punkt mit Erde verbunden, ändert sich daher das Spannungsniveau der zweiten Schaltung 22 in Bezug auf Erde durch die Schalthand- lungen in der Halbbrücken 26a, 26b nicht. Gleichtaktstörungen (common mode) werden dadurch vorteilhaft deutlich vermindert oder ganz vermieden. In einem alternativen Betriebsmodus werden die Halbbrücken 26a, 26b der ersten Schaltung 21 versetzt zueinander geschaltet. Wenn eine der Halbbrücken 26a, 26b umschaltet, schaltet in diesem Betriebsmodus die jeweils andere Halbbrücke 26a, 26b nicht. Das Umschalten kann mit einer beliebigen Phasenverschiebung zueinander geschehen, insbesondere mit einer Phasenverschiebung von 180°. Beispielsweise kann bei einem Betrieb mit Trägersignal das Trägersignal für eine der Halb ^¬ brücken 26a, 26b gegenüber dem Trägersignal für die andere Halbbrücke entsprechend phasenverschoben werden. Werden die Halbbrücken 26a, 26b versetzt zueinander umgeschaltet, dann liegt für einen Teil der Zeit neben den Spannungen Null und dem Wert der Zwischenkreisspannung UZK auch die Hälfte der Zwischenkreisspannung UZK am Ausgang der Halbbrücken 26a, 26b an. Da die Halbbrücken 26a, 26b abwechselnd, aber insgesamt genauso häufig umschalten wie beim synchronen Betrieb, verdoppelt sich die Häufigkeit der Spannungswechsel am Ausgang der Halbbrücken 26a, 26b. Die effektive Frequenz des Signals, das die Filterschaltung 23 erreicht, ist daher doppelt so hoch wie beim synchronen Betrieb. Vorteilhaft erlaubt das, die Komponenten der Filterschaltung 23, insbesondere die Filter-Induktivität 29, für eine höhere Frequenz auszulegen und somit zu verkleinern. Da die Komponenten der Filterschaltung 23 und gerade die Filter-Induktivität 29 besonders große und klobige Bauteile darstellen, ist dies von besonderem Vorteil.

Aufgrund der verwendeten Schaltungstopologie kann die Strom ^¬ richter-Schaltung 20 als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter betrieben werden. In Figur 9 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energiespeichersystems 93 ge ^¬ zeigt. Das Energiespeichersystem 93 weist eine erfindungsge ^¬ mäße Stromrichter-Schaltung 20 und einen Energiespeicher 90 auf. In einer Ladephase 91 ist eine einphasige Wechselspan ^¬ nungsquelle 94 über Wechselspannungskontakte 25a, 25b an das Energiespeichersystem 93 angeschlossen und lädt den Energiespeicher 90. Der Energiespeicher 90 kann ein Akku sein, der beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie realisiert ist. Die einphasige Wechselspannungsquelle 94 kann beispielsweise ein Generator oder ein Netzanschluss mit einer Wechselspannung von beispielsweise 50 Hz und 230 V sein. In der Ladepha ^¬ se 91 wird die Stromrichter-Schaltung 20 als Gleichrichter betrieben. In einer Entladephase 92 ist ein Verbraucher 95 über die Wechselspannungskontakte 25a, 25b an das Energie- speichersystem 93 angeschlossen und entnimmt Leistung aus dem Energiespeicher 90. Der Verbraucher 95 kann beispielsweise ein Elektromotor oder ein Netzanschluss sein.

Die Figuren 10 und 11 zeigen Schaltungstopologien, die weite- re Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind.

Die Schaltung gemäß der Figur 10 entspricht weitgehend der in Figur 2 gezeigten Schaltung. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 umfasst die Filterschaltung 1023 in Figur 10 einen zweiten Filterkondensator 29b, der in Reihe zwischen den Filterkondensator 29 und die zweite Filterinduktivität 28b ge ^¬ schaltet ist.

Der Potentialpunkt zwischen dem Filterkondensator 29 und dem zweiten Filterkondensator 29b ist mit dem Mittelpunkt M des Zwischenkreises elektrisch verbunden.

Die Schaltung gemäß der Figur 11 entspricht weitgehend der in Figur 10 gezeigten Schaltung. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 10 umfasst die Filterschaltung 1123 in Figur 11 einen dritten und vierten Filterkondensator 29c, d. Der dritte Filterkondensator 29c ist zwischen den Anschlusskontakt 24a und den Potentialpunkt zwischen der ersten Filterinduktivität 28a und dem Filterkondensator 29 geschaltet. Der vierte Fil- terkondensator 29d ist zwischen den Anschlusskontakt 24b und den Potentialpunkt zwischen der zweiten Filterinduktivität 28b und dem zweiten Filterkondensator 29b geschaltet.