Wechselrichter und Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zur Umwandlung einer eingangsseitigen Gleichspannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung, eine H-Brücke mit vier Halbleiterschaltern umfassend, wobei zumindest ein Halbleiterschalter taktet, wobei des Weiteren zwischen der H-Brücke und ausgangsseitigen Wechselspannungsanschlüssen eine Speicherdrosselschaltung vorgesehen ist und wobei die Speicherdrosselschaltung einen Freilaufpfad mit einer Freilaufdiode zur Kommutierung des Stromes nach einem Abschaltvorgang eines Halbleiterschalters der H-Brücke umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedenste Wechselrichtertopologien bekannt. Eine sehr häufige Ausprägung stellt die sogenannte H-Brücke dar. Dabei sind vier Halbleiterschalter, insbesondere IGBTs, in einer Brückenschaltung angeordnet. Die Ansteuerung der taktenden Halbleiterschalter erfolgt dabei in der Regel mittels Pulsbreitenmodulation zur Nachbildung eines sinusförmigen Spannungsverlaufs eines angeschlossenen

Wechselspannungsnetzes, wobei die Taktfrequenz ein Vielfaches der Netzfrequenz beträgt.

Wechselrichter werden vermehrt zur Einspeisung von Energie aus alternativen Energiequellen, beispielsweise

Solargeneratoren oder Brennstoffzellen, in öffentliche Wechselstromnetze oder in Inselnetze herangezogen. Um diese Form der Energiegewinnung wirtschaftlich zu gestalten, müssen alle Komponenten einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Dies gilt insbesondere für Wechselrichter zur netzsynchronen Umwandlung der gewonnenen Energie.

Beispielsweise beschreiben die JP 2001 320 884 A oder die JP 2006 197 711 A Wechselrichter mit H-Brücken, deren Halbleiterschalter leistungslos schalten und somit die Gesamtverlustleistung minimieren. Man kennt dabei Nullspannungsschalten (zero voltage switching ZVS) und Nullstromschalten (zero current switching ZCS).

Eine weitere Quelle für Verlustleistungen stellen die Freilaufphasen nach Abschaltung eines Halbleiterschalters dar. Diese entstehen durch die ausgangsseitig angeordneten Drosselschaltungen, deren Drosselstrom bei abgeschaltetem Halbleiterschalter weiter fließt. Freilaufpfade innerhalb einer Wechselrichterschaltung verlaufen zumeist über parasitäre Dioden der Halbleiterschalter oder über eigens dafür angeordnete Freilaufdioden . Da an diesen Dioden in der Regel zu Beginn einer Freilaufphase eine Spannung anliegt, entstehen während des Anstiegs des Stromes durch die Dioden eine Verlustleistung, die den Wirkungsgrad des Wechselrichters nach oben hin beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter weiterzubilden, um einen verbesserten Wirkungsgrad zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, wobei jeder taktende Halbleiterschalter zum Nullspannungsschalten an eine Resonanzschaltung gekoppelt ist, welche kapazitive Resonanzelemente und induktive Resonanzelemente umfasst, wobei der Freilaufpfad eine erste und eine zweite

Freilaufdiode in Parallelschaltung umfasst, wobei diese Parallelschaltung in Serie mit den induktiven Resonanzelementen geschaltet ist und wobei die zweite Freilaufdiode mit kapazitiven Freilaufelementen in Serie geschaltet ist, welche als Elemente der Resonanzschaltung zu Beginn einer Freilaufphase zum Nullspannungsschalten der zweiten Freilaufdiode auf eine entsprechende Spannung

aufgeladen sind. Die in der Resonanzschaltung während einer Abschaltphase gespeicherte Energie wird dabei genutzt, um in einer Einschaltphase des taktenden Halbleiterschalters die kapazitiven Freilaufelemente aufzuladen. Die Freilaufelemente sind dabei in Serie mit der zweiten Freilaufdiode geschaltet, um diese zu Beginn einer Freilaufphase spannungslos zu machen. Die kapazitiven Freilaufelemente entladen sich in einem ersten Zeitabschnitt des Freilaufs, wobei die erste Freilaufdiode spannungslos wird und der Freilaufström ohne Verluste zur ersten Freilaufdiode kommutiert.

Die Schaltung gemäß Anspruch 1 ermöglicht somit einerseits ein verlustloses Schalten der Halbleiterschalter der H-Brücke und andererseits einen nahezu verlustlosen Freilauf nach Abschaltung des taktenden Halbleiterschalters.

Dabei ist es von Vorteil, wenn jede Resonanzschaltung einen Resonanzkondensator und eine Resonanzdrossel umfasst, wobei ein Freilaufkondensator über Koppelelemente mit einem Resonanzkondensator verbunden ist und wobei ein erster Zweig des Freilaufpfads die ersten Freilaufdiode und die Resonanzdrossel in Serienschaltung umfasst und wobei ein zweiter Zweig des Freilaufpfads die zweite Freilaufdiode, die Resonanzdrossel und den Freilaufkondensator in Serienschaltung umfasst. Die Koppelelemente werden dabei beispielsweise durch Diodenschaltungen zur Festlegung einer entsprechenden Stromrichtung während einer Resonanzschwingung oder durch übertrager gebildet. über die Koppelelemente wird somit nach einem Einschaltvorgang des taktenden Halbleiterschalters Energie vom Resonanzkondensator auf den Freilaufkondensator übertragen, um für den nächsten Abschaltvorgang einen leistungslosen Freilauf sicherzustellen .

In einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Halbleiterschalter der H-Brücke über eine erste Speicherdrossel und der dritte Halbleiterschalter der H-

Brücke über eine zweite Speicherdrossel mit einem ersten Wechselspannungsanschluss verbunden und der zweite Halbleiterschalter der H-Brücke über eine dritte Speicherdrossel und der vierte Halbleiterschalter der H- Brücke über eine vierte Speicherdrossel mit einem zweiten

Wechselspannungsanschluss verbunden. Des Weiteren umfasst der

Freilaufpfad eine weitere H-Brücke mit vier

Hilfshalbleiterschaltern, wobei der erste

Hilfshalbleiterschalter der weiteren H-Brücke über die erste Speicherdrossel und der dritte Hilfshalbleiterschalter der weiteren H-Brücke über die zweite Speicherdrossel mit dem ersten Wechselspannungsanschluss verbunden sind und wobei der zweite Hilfshalbleiterschalter der weiteren H-Brücke über die dritte Speicherdrossel und der vierte Hilfshalbleiterschalter der weiteren H-Brücke über die vierte Speicherdrossel mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden sind.

Eine derartige Anschaltung der H-Brücke und der weiteren H- Brücke über vier Speicherdrosseln an die beiden Wechselspannungsanschlüsse hat den Vorteil, dass sowohl während einer positiven als auch während einer negativen Halbwelle der Wechselspannung ein Freilaufpfad ohne Nutzung der parasitären Dioden in den Hilfshalbleiterschaltern zur Verfügung steht. Damit werden Verluste vermieden, die sonst während eines Freilaufs durch die in der Regel langsamen parasitären Dioden verursacht werden.

Eine vorteilhafte Ergänzung dieser Schaltung mit einem übertrager als Koppelelement sieht vor, dass die Verbindung des dritten und des vierten Hilfshalbleiterschalters und die Verbindung des ersten und des zweiten

Hilfshalbleiterschalters über eine Serienschaltung aus erster Freilaufdiode und einer Resonanzdrossel verbunden sind, dass parallel zur ersten Freilaufdiode eine Serienschaltung aus zweiter Freilaufdiode und Freilaufkondensator angeordnet ist, dass des Weiteren ein Verbindungspunkt zwischen zweiter Freilaufdiode und Freilaufkondensator über eine

Serienschaltung aus einer dritten Diode und einer vierten Diode mit der Verbindung des ersten und des zweiten Hilfshalbleiterschalters verbunden ist, dass parallel zur dritten Diode eine Sekundärwicklung eines Transformators angeordnet ist, welcher zudem zwei Primärwicklungen umfasst, wobei die erste Primärwicklung mit einem Ende an die Verbindung des ersten und des zweiten Halbleiterschalters der H-Brücke angeschaltet ist und mit dem anderen Ende über einen ersten Resonanzkondensator an die Verbindung zwischen erstem Halbleiterschalter und erster Speicherdrossel sowie über einen zweiten Resonanzkondensator an die Verbindung zwischen zweitem Halbleiterschalter und dritter Speicherdrossel angeschaltet ist und wobei die zweite Primärwicklung mit einem Ende an die Verbindung des dritten und des vierten Halbleiterschalters der H-Brücke angeschaltet ist und mit dem anderen Ende über einen dritten Resonanzkondensator an die Verbindung zwischen dritten Halbleiterschalter und zweiter Speicherdrossel sowie über einen vierten Resonanzkondensator an die Verbindung zwischen vierten Halbleiterschalter und vierter Speicherdrossel angeschaltet ist.

In einer anderen Ausführungsform ist die eine Hälfte der H- Brücke über eine erste Speicherdrossel mit einem ersten Wechselspannungsanschluss verbunden und die andere Hälfte der H-Brücke über eine zweite Speicherdrossel mit einem zweiten

Wechselspannungsanschluss verbunden. Des Weiteren umfasst der Freilaufpfad eine weitere H-Brücke mit vier

Hilfshalbleiterschaltern, wobei die eine Hälfte der weiteren H-Brücke über die erste Speicherdrossel an den ersten Wechselspannungsanschluss geschaltet ist und die andere

Hälfte der weiteren H-Brücke über die zweite Speicherdrossel an den zweiten Weichselspannungsanschluss geschaltet ist.

Eine derartige Schaltung mit nur zwei Speicherdrosseln an den Wechselrichterausgängen ist dann sinnvoll, wenn die

Hilfshalbleiterschalter über schnelle parasitäre Dioden verfügen, wodurch die Verluste während des Freilaufs klein

gehalten werden. Bei beiden zuvor genannten Ausführungsformen takten während einer positiven Halbwelle der erste und der vierte Halbleiterschalter und während einer negativen Halbwelle der zweite und der dritte Halbleiterschalter.

Für beide zuvor genannten Ausführungsformen ist als Alternative zu einem übertrager als Koppelelement eine Schaltungsergänzung vorteilhaft, bei der die Verbindung des dritten und des vierten Hilfshalbleiterschalters und die Verbindung des ersten und des zweiten

Hilfshalbleiterschalters über eine Serienschaltung aus einer zweiten Resonanzdrossel, der ersten Freilaufdiode und einer ersten Resonanzdrossel verbunden sind, und bei der parallel zur ersten Freilaufdiode eine Serienschaltung aus einem zweitem Freilaufkondensator, der zweiten Freilaufdiode und einem ersten Freilaufkondensator angeordnet ist. Des Weiteren sind ein Verbindungspunkt zwischen zweiter Freilaufdiode und erstem Freilaufkondensator über eine Serienschaltung aus einer dritten Diode und einer vierten Diode mit der Verbindung des ersten und des zweiten

Hilfshalbleiterschalters verbunden und die Verbindung des dritten und des vierten Hilfshalbleiterschalters über eine sechste Diode und eine fünfte Diode mit einem Verbindungspunkt zwischen zweiter Freilaufdiode und zweitem Freilaufkondensator verbunden. Zudem sind ein

Verbindungspunkt zwischen dritter und vierter Diode über einen ersten Resonanzkondensator mit der Verbindung des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters verbunden und ein Verbindungspunkt zwischen fünfter und sechster Diode über einen zweiten Resonanzkondensator mit der Verbindung des dritten Halbleiterschalters und des vierten Halbleiterschalters verbunden .

Damit sind zwischen den Resonanzkondensatoren, den

Resonanzdrosseln und den Freilaufkondensatoren einfache Diodenschaltungen als Koppelelemente angeordnet. Die

Stromflüsse zwischen diesen Bauelementen fließen während eines Taktzykluses in der Weise, dass die Dioden in diesen Diodenschaltungen ebenso wie die Freilaufdioden verlustlos leitend werden. Ein Taktzyklus bestimmt sich dabei von einem Einschaltvorgang eines taktenden Halbleiterschalters bis zum nächsten Einschaltvorgang.

Zum Nullspannungsschalten des ersten und des zweiten Halbleiterschalters wird der erste Resonanzkreis, welcher den ersten Resonanzkondensator, den ersten Freilaufkondensator und die erste Resonanzdrossel umfasst, genutzt. Der zweite Resonanzkreis, welcher den zweiten Resonanzkondensator, den zweiten Freilaufkondensator und die zweite Resonanzdrossel umfasst, dient dem Nullspannungsschalten des dritten und des vierten Halbleiterschalters. Dabei sind vor einem

Einschaltvorgang die Resonanzkondensatoren auf nahezu die halbe eingangsseitige Gleichspannung aufgeladen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein erster H-Brückenanschluss zwischen erstem

Halbleiterschalter und viertem Halbleiterschalter über eine erste Speicherdrossel mit einem ersten

Wechselspannungsanschluss verbunden ist und dass ein zweiter H-Brückenanschluss zwischen zweitem Halbleiterschalter und drittem Halbleiterschalter über eine zweite Speicherdrossel mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden ist und dass die Wechselspannungsanschlüsse über eine Primärwicklung eines Netztransformators miteinander verbunden sind, dass des Weiteren die Verbindung des dritten und des vierten Halbleiterschalters über eine Serienschaltung aus erster

Freilaufdiode und erster Resonanzdrossel mit dem ersten H- Brückenanschluss verbunden sind, dass parallel zur ersten Freilaufdiode eine Serienschaltung aus zweiter Freilaufdiode und erstem Freilaufkondensator angeordnet ist, dass parallel zum ersten Halbleiterschalter eine Serienschaltung aus einem ersten Resonanzkondensator und einer vierten Diode angeordnet ist und dass ein Verbindungspunkt zwischen zweiter

Freilaufdiode und erstem Freilaufkondensator über eine dritte Diode mit einem Verbindungspunkt zwischen erstem Resonanzkondensator und vierter Diode verbunden ist, dass des Weiteren die Verbindung des dritten und des vierten Halbleiterschalters über eine Serienschaltung einer weiteren ersten Freilaufdiode und zweiten Resonanzdrossel mit dem zweiten H-Brückenanschluss verbunden sind, dass parallel zur weiteren ersten Freilaufdiode eine Serienschaltung aus einer weiteren zweiten Freilaufdiode und einem zweiten Freilaufkondensator angeordnet ist, dass parallel zum zweiten Halbleiterschalter eine Serienschaltung aus einem zweiten Resonanzkondensator und einer fünften Diode angeordnet ist und dass ein Verbindungspunkt zwischen weiterer zweiter Freilaufdiode und dem zweiten Freilaufkondensator über eine sechste Diode mit einem Verbindungspunkt zwischen zweitem Resonanzkondensator und fünfter Diode verbunden ist.

Dieser Ausführungsform ist also als Wechselrichter mit Netztransformator ausgebildet. Dabei taktet in der Regel nur ein Halbleiterschalter, nämlich während einer positiven Halbwelle nur der erste Halbleiterschalter; der dritte Halbleiterschalter ist immer eingeschaltet und der zweite und der vierte Halbleiterschalter sind immer ausgeschaltet.

Während einer negativen Halbwelle taktet der zweite

Halbleiterschalter und der vierte Halbleiterschalter ist immer eingeschaltet; der erste und der dritte Halbleiterschalter sind immer ausgeschaltet.

Anstelle einer weiteren H-Brücke sind hier zwei

Freilaufdioden für die positive Halbwelle und zwei

Freilaufdioden für die negative Halbwelle mit entsprechenden

Resonanzschaltungen und Freilaufkondensatoren vorgesehen.

Günstig ist es, wenn die Gleichspannungsanschlüsse über einen Eingangskondensator miteinander verbunden sind. Das ist vor allem dann angebracht, wenn eingangseitig eine in der

Leistung schwankende Energiequelle angeschlossen ist, beispielsweise ein Solargenerator.

Günstig ist es auch, wenn zur Glättung der ausgangsseitigen Wechselspannung die Wechselspannungsanschlüsse über einen Ausgangskondensator miteinander verbunden sind.

Ein Verfahren zum Betreiben eines der zuvor beschriebenen Wechselrichter sieht vor, dass zu Beginn eines Taktzykluses wenigstens ein Halbleiterschalter der H-Brücke eingeschaltet wird, dass dabei die eingangsseitige Gleichspannung auf die induktiven Resonanzelemente der jeweiligen Resonanzschaltung gezogen wird, wodurch der noch als Freilaufström durch die induktiven Resonanzelemente fließende Strom abnimmt und seine Richtung umkehrt und dass in weiterer Folge mittels dieses

Stromes Energie von den kapazitiven Resonanzelementen auf die kapazitiven Freilaufelemente übertragen wird, dass nach Ablauf einer vorgegeben Einschaltzeit der zumindest eine taktende Halbleiterschalter wieder abgeschaltet wird und zumindest ein Teil des FreilaufStromes durch die zweite Freilaufdiode, die kapazitiven Freilaufelemente und die induktiven Resonanzelemente fließt, bis die kapazitiven Freilaufelemente entladen sind und der restliche Freilaufström durch die erste Freilaufdiode und die induktiven Resonanzelemente fließt. Damit ist eine passive, verlustarme Methode zur Reduzierung der Schaltverluste an Halbleitern, insbesondere IGBTs, eines als H-Brücke konzipierten Wechselrichters angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Transformatorlose H-Brückenschaltung mit vier ausgangsseitigen Speicherdrosseln und

Resonanzschaltung mit Dioden als Koppelelemente

Fig. 2 Transformatorlose H-Brückenschaltung mit vier ausgangsseitigen Speicherdrosseln ohne ResonanzSchaltung

Fig. 3-6 Schaltung gemäß Fig. 2 mit Stromflüssen während eines Taktzykluses

Fig. 7-11 Schaltung gemäß Fig. 1 mit Stromflüssen während eines Taktzykluses

Fig. 12-14 Verlauf der Ströme und Spannungen über der Zeit für eine Schaltung gemäß Fig. 1 Fig. 15 Netztransformatorlose H-Brückenschaltung mit vier ausgangsseitigen Speicherdrosseln und Resonanzschaltung mit übertrager als Koppelelement

Fig. 16-20 Schaltung gemäß Fig. 15 mit Stromflüssen während eines Taktzykluses

Fig. 21 Transformatorlose H-Brückenschaltung mit zwei ausgangsseitigen Speicherdrosseln und Resonanzschaltung mit Dioden als Koppelelemente

Fig. 22-26 Schaltung gemäß Fig. 21 mit Stromflüssen während eines Taktzykluses

Fig. 27-29 Verlauf der Ströme und Spannungen über der Zeit für eine Schaltung gemäß Fig. 21

Fig. 30 H-Brückenschaltung mit Netztransformator

Fig. 31 H-Brückenschaltung mit Netztransformator und Resonanzschaltung

Fig. 32-36 Schaltung gemäß Fig. 31 mit Stromflüssen während eines Taktzykluses bei einer positiven Halbwelle

Fig. 37-41 Schaltung gemäß Fig. 31 mit Stromflüssen während eines Taktzykluses bei einer negativen Halbwelle

Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Bei dieser trafolosen Ausführung ist die H- Brücke mit vier Halbeiterschaltern Sl, S2, S3, S4

eingangseitig an eine Energiequelle 1, z.B. eine Stromquelle, eine Spannungsquelle oder eine nichtlineare Quelle (Solargenerator) geschaltet. Dabei puffert ein Eingangskondensator Cin die Energie in einem vorgegebenen Spannungsbereich.

Der erste Halbleiterschalter Sl ist über eine erste Speicherdrossel Ll und der dritte Halbleiterschalter S3 ist über eine zweite Speicherdrossel L2 mit einem ersten Wechselspannungsanschluss verbunden. Der zweite

Halbleiterschalter S2 ist über eine dritte Speicherdrossel L3 und der vierte Halbleiterschalter S4 ist über ein vierte Speicherdrossel L4 mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss verbunden. An die beiden Wechselrichteranschlüsse ist beispielsweise ein Verbrauchernetz 2 angeschlossen. Dabei sorgt ein Ausgangskondensator Co für eine Glättung des in das Verbrauchernetz 2 eingespeisten Stromes.

Als Teil einer FreilaufSchaltung ist eine weitere H-Brücke mit vier Hilfshalbleiterschaltern HSl, HS2, HS3, HS4 angeordnet. Diese Hilfshalbleiterschalter HSl, HS2, HS3, HS4 sind parallel zu den Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 der ersten H-Brücke an die vier Speicherdrosseln Ll, L2, L3, L4 geschaltet. Die Zählung der Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 und der Hilfshalbleiterschalter HSl, HS2, HS3, HS4 erfolgt dabei in der für eine H-Brückendarstellung üblichen Weise im Uhrzeigersinn. Die Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 und Hilfshalbeiterschalter HSl, HS2, HS3, HS4 sind beispielsweise als IGBTs ausgebildet. In Fig. 1 sind sie als solche mit jeweils einer parasitären Diode (Bodydiode) dargestellt.

Zum Nullspannungsschalten der Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 ist eine zweifache Resonanzschaltung angeordnet. Dabei ist eine Seite einer ersten Resonanzdrossel RLl mit der Kathode einer vierten Diode D4 verbunden. Die Anode dieser vierten Diode D4 ist über einen ersten Resonanzkondensator RCl an die

Brückenverbindung des ersten und des zweiten Halbleiterschalters Sl, S2 angeschlossen. Zudem ist diese eine Seite der ersten Resonanzdrossel RLl mit der Brückenverbindung des ersten und des zweiten Hilfshalbleiterschalters HSl, HS2 verbunden. Die andere Seite der ersten Resonanzdrossel RLl ist an die Kathode einer ersten Freilaufdiode Dl angeschaltet und zudem über einen ersten Freilaufkondensator FCl einerseits mit der Kathode einer zweiten Freilaufdiode D2 und andererseits über eine dritte Diode D3 mit einem Verbindungspunkt zwischen erstem Resonanzkondensator RCl und vierter Diode D4 verbunden. Die dritte Diode D3 ist dabei vom ersten Freilaufkondensator FCl zum ersten Resonanzkondensator RCl in Durchlassrichtung geschaltet .

In gleicher Weise ist eine Seite eines zweiten

Resonanzkondensators RL2 über eine sechste Diode D6 und einen zweiten Resonanzkondensator RC2 an die Brückenverbindung zwischen drittem und viertem Halbleiterschalter S3, S4 angeschlossen. Dabei ist die sechsten Diode D6 von der zweiten Resonanzdrossel RL2 zum zweiten Resonanzkondensator RC2 in Durchlassrichtung angeordnet. Diese eine Seite der zweiten Resonanzdrossel RL2 ist zudem an die Brückenverbindung zwischen drittem und viertem Hilfshalbleiterschalter HS3, HS4 angeschaltet. Die andere

Seite der zweiten Resonanzdrossel RL2 ist einerseits mit der Anode der ersten Freilaufdiode Dl und andererseits über einen zweiten Freilaufkondensator FC2 mit der Anode der zweiten Freilaufdiode D2 verbunden. Zudem ist eine fünfte Diode D5 mit Durchlassrichtung vom zweiten Resonanzkondensator RC2 zum zweiten Freilaufkondensator FC2 angeordnet.

Die Stromflüsse während einer Freilaufphase werden der Einfachheit halber anhand einer H-Brücke ohne Resonanzschaltung erläutert. Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Gegenüber Fig. 1 ist anstelle der Elemente der Resonanzschaltung und des Freilaufs nur eine

Freilaufdiode Dl dargestellt, die in Durchlassrichtung die Brückenverbindung des dritten und des vierten Hilfshalbleiterschalters HS3, HS4 mit der Brückenverbindung des ersten und des zweiten Hilfshalbleiterschalters HSl, HS2 verbindet.

Die Hauptschaltung besteht aus einer H-Brücke, deren Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 mittels einer Steuerung mit vorgegeben Taktfrequenz geschaltet werden. Die Hilfsschaltelemente HSl, HS2, HS3, HS4 werden mittels

Steuerung mit einer vorgegebenen Netzfrequenz (z.B. 50Hz) ein- und ausgeschaltet. Die Taktfrequenz übersteigt dabei die Netzfrequenz um ein Vielfaches.

Die Schaltung ermöglicht dem Freilaufström der

Speicherdrosseln Ll, L2, L3, L4, nach dem Abschalten der Halbleiterschalter Sl, S4 während einer positiven Halbwelle bzw. S2, S3 während einer negativen Halbwelle, nur durch die Gleichrichterdiode Dl und nicht durch die langsamer schaltenden parasitären Dioden der Hilfshalbleiterschalter HSl, HS2, HS3, HS4 zu fließen.

In den Figuren 3 und 4 sind die Schaltphasen während einer positiven Halbwelle des ausgangsseitigen Wechselstromes dargestellt. Der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 werden mit der Taktfrequenz geschaltet, der zweite und der dritte Halbleiterschalter S2, S3 bleiben ausgeschaltet. Der erste und der vierte Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 sind während einer positiven Halbwelle immer eingeschaltet, die beiden anderen Hilfshalbleiterschalter HS2, HS3 sind entweder ausgeschaltet oder takten invertierend zu den taktenden Halbleiterschaltern Sl, S4 der ersten H-Brücke.

Während einer Einschaltphase (Fig. 3) sind der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 eingeschaltet. Der Strom fließt von der Energiequelle 1 kommend durch den ersten Halbleiterschalter Sl, die erste Speicherdrossel Ll, ein

angeschlossenes Netz 2 und weiter über die vierte Speicherdrossel L4 sowie den vierten Halbleiterschalter S4 zurück zur Energiequelle 1.

Während einer Ausschaltphase (Fig. 4) sind der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 ausgeschaltet. Der Freilaufström der ersten und der vierten Speicherdrossel Ll, L4 fließt durch die Freilaufdiode Dl, den ersten und den vierten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 und über das Netz 2.

Analog zu den Schaltphasen während einer positiven Halbwelle sind in den Figuren 5 und 6 die Schaltphasen während einer negativen Halbwelle dargestellt. Der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 sind während einer negativen Halbwelle immer ausgeschaltet. Der zweite und der dritte

Halbleiterschalter S2, S3 takten mit der Taktfrequenz. Der erste und der vierte Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 sind entweder ausgeschaltet oder takten invertierend zu den taktenden Halbleiterschaltern S2, S3 der ersten H-Brücke. Die beiden anderen Hilfshalbleiterschalter HS2, HS3 sind während einer negativen Halbwelle immer eingeschaltet.

Während einer Einschaltphase (Fig. 5) fließt der Strom von der Energiequelle 1 kommend durch den zweiten Halbleiterschalter S2, die dritte Speicherdrossel L3, das angeschlossene Netz 2 und über die zweite Speicherdrossel L2 und den dritten Halbleiterschalter S3 zurück zur Energiequelle 1.

Bei einer anschließenden Ausschaltphase (Fig. 6) sind der zweite und der dritte Halbleiterschalter S2, S3 ausgeschaltet. Der Freilaufström der zweiten und der dritten Speicherdrossel L2, L3 fließt wieder durch die Freilaufdiode Dl und zudem durch den zweiten und dritten Hilfshalbleiterschalter HS2, HS3 sowie über das Netz 2.

Um das Resonanzschaltverhalten einer Schaltung gemäß Fig. 1 besser erläutern zu können, wird im Folgenden ein Taktzyklus (eine Abfolge einer Einschaltphase und einer Ausschaltphase) in mehrere Zeitabschnitte unterteilt.

In den Figuren 7 bis 11 ist die eingangs beschriebene Ausführungsform mit Resonanzschaltungen (Fig. 1) dargestellt, wobei die in einzelnen Zeitabschnitten auftretenden Stromflüsse während einer positiven Halbwelle eingezeichnet sind. Die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe über der Zeit sind in den Figuren 12 bis 14 dargestellt.

Ein Taktzyklus beginnt zum Einschaltzeitpunkt tθ mit dem Einschalter des ersten und des vierten Halbleiterschalters Sl, S4. Dabei wird angenommen, dass kurz vor dem Einschalten der Freilaufström der ersten und vierten Speicherdrossel Ll, L4 über den ersten und vierten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 und die erste und die zweite Resonanzdrossel RLl, RL2 durch die erste Freilaufdiode Dl fließt. Weiters ist der erste Resonanzkondensator RCl auf nahezu die halbe Spannung des Eingangskondensators Cin (bzw. die halben Spannung eines beispielsweise eingangsseitig angeschlossenen

Solargenerators) aufgeladen, wobei das negative Potenzial des ersten Resonanzkondensators RCl an der Anode der vierten Diode D4 liegt. Der zweite Resonanzkondensator RC2 ist ebenfalls auf die halbe Spannung des Eingangskondensators Cin (bzw. die halben Spannung eines beispielsweise eingangsseitig angeschlossenen Solargenerators) aufgeladen, wobei sein positives Potenzial an der Kathode der sechsten Diode D6 liegt (Fig. 7) .

Ein erster Zeitabschnitt tθ-tl ist in Fig. 8 dargestellt. Dabei sind der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 eingeschaltet. Der Strom aus der eingangsseitigen Energiequelle 1 fließt über den ersten und den vierten

Halbleiterschalter Sl, S4 durch die erste und die vierte Speicherdrossel Ll, L4. Mit dem Einschalter des ersten

Halbleiterschalters Sl wird auch ein erster Resonanzkreis, bestehend aus dem ersten Resonanzkondensator RCl, der ersten Resonanzdrossel RLl und dem ersten Freilaufkondensator FCl, aktiviert. Die Resonanzfrequenz coo errechnet sich dabei aus mit folgender Formel:

CO ₀ ² = 1/ ( ( (RC1*FC1) / (RC1+FC1) ) *RL1)

Analoges gilt für einen zweiten Resonanzkreis, bestehend aus dem zweiten Resonanzkondensator RC2, der zweiten

Resonanzdrossel RL2 und dem zweiten Freilaufkondensator FC2, welcher durch das Einschalten des vierten Halbleiterschalters S4 aktiviert wird.

Durch das Einschalten des ersten Halbleiterschalters Sl geht das Potenzial am Emitter des ersten Hilfshalbleiterschalters HSl massiv nach oben, die erste Resonanzdrossel RLl baut dabei ihre gespeicherte Energie ab, indem sie ihren Strom in eine sehr hohe Spannung hineintreibt (die beiden Resonanzdrosseln RLl, RL2 liegen gewissermaßen an der eingangsseitigen Spannung) . Nach sehr kurzer Zeit haben diese beiden Induktivitäten RLl, RL2 ihr Magnetfeld aufgebaut. Dadurch geht der Freilaufström in der ersten Freilaufdiode Dl über die beiden Resonanzdrosseln RLl, RL2 gegen Null.

Der entsprechende Verlauf der Ströme und Spannungen über der Zeit ist in den Figuren 12-14 dargestellt, wobei das jeweils oberste Diagramm die Gate-Source-Spannung S1-U _GD am ersten Halbleiterschalter Sl zeigt. In Fig. 12 ist darunter der Verlauf des Drainstromes Sl-I ₀ und der Drainspannung Sl-U ₀ des ersten Halbleiterschalters Sl in einem Diagramm dargestellt. Es folgen von oben nach unten ein Diagramm mit dem Strom RCl-I und der Spannung RCl-U des ersten Resonanzkondensators RCl über der Zeit, ein Diagramm mit dem Strom FCl-I und der Spannung FCl-U des ersten

Freilaufkondensators FCl über der Zeit und ein Diagramm mit

dem Strom RLl-I und der Spannung RLl-U der ersten Resonanzdrossel RLl über der Zeit.

Fig. 13 zeigt von oben nach unten den Strom Dl-I und die Spannung Dl-U der ersten Freilaufdiode Dl, den Strom D2-I und die Spannung D2-U der zweiten Freilaufdiode D2, den Strom D3- I und die Spannung D3-U der dritten Diode D3 sowie den Strom D4-I und die Spannung D4-U der vierten Diode D4.

In Fig. 14 ist schließlich von oben nach unten ein Diagramm mit dem Strom Sl-I durch den ersten Halbleiterschalter Sl und mit dem Eingangsstrom I _1n über der Zeit, ein Diagramm mit dem Strom Ll-I in der ersten Speicherdrossel Ll (Ausgangsstrom) und dem Strom HSl-I durch den ersten Hilfshalbleiterschalter HSl über der Zeit, ein Diagramm mit dem Strom BDHSl-I durch die parasitären Diode des ersten Hilfshalbleiterschalters HSl und mit dem Strom HSl-I durch den ersten

Hilfshalbleiterschalter HSl über der Zeit sowie ein Diagramm mit dem Strom BDSH2-I durch die parasitären Diode des zweiten Hilfshalbleiterschalters HS2 und mit dem Strom Ll-I in der ersten Speicherdrossel Ll über der Zeit.

Die oben beschriebene Absenkung des FreilaufStromes Dl-I auf Null ist in Fig. 13 im ersten Zeitabschnitt tθ-tl, welcher auf den Zeitachsen der Figuren 12 bis 14 markiert ist, eingezeichnet .

In einem darauffolgenden zweiten Zeitabschnitt tl-t2 (Fig. 9, Fig. 12-14) dreht sich die Stromrichtung durch die Resonanzdrosseln RLl, RL2 um. Das geschieht, sobald die Resonanzdrosseln RLl, RL2 keine Energie mehr gespeichert haben. Der Strom fließt dann einerseits über den ersten Freilaufkondensatore FCl und die dritte Diode D3 in den ersten Resonanzkondensator RCl und andererseits über den zweiten Resonanzkondensator RC2 und die fünfte Diode D5 in den zweiten Freilaufkondensator FC2. Die Resonanzkondensatoren RCl, RC2 werden dabei entladen und die

Energie in den Induktivitäten RLl, RL2 steigt wieder, sodass eine Schwingung erfolgen kann.

Die Ladung des ersten Resonanzkondensators RCl schwingt mit einer Halbperiode der Resonanzfrequenz auf den ersten Freilaufkondensator FCl. Dies geschieht durch einen Stromfluss über den ersten Halbleiterschalter Sl, die parasitäre Diode des ersten Hilfshalbleiterschalters HSl, die erste Resonanzdrossel RLl und die dritte Diode D3.

Ebenso schwingt die Ladung des zweiten Resonanzkondensators RC2 mit einer Halbperiode der Resonanzfrequenz auf den zweiten Freilaufkondensator FC2, wobei hierbei der Strom über den vierten Halbleiterschalter S4, die fünfte Diode D5, die zweite Resonanzdrossel RL2 und die parasitäre Diode des vierten Hilfshalbleiterschalter HS4 fließt.

Wie in Fig. 13 dargestellt schaltet die erste Freilaufdiode Dl mit Nullspannung aus und die dritte sowie die fünfte Diode D3, D5 werden mit Nullspannung eingeschaltet. An diesen Dioden geht demnach keine Verlustleistung verloren.

Im anschließenden dritten Zeitabschnitt t2-t3 (Fig. 10, Fig. 12-14) sind die Ladungen der Resonanzkondensatoren RCl, RC2 vollständig auf die Freilaufkondensatoren FCl, FC2 umgeladen. Die dritte Diode D3 schaltet ebenso wie die fünfte Diode D5 mit Nullstrom ab und verhindert eine weitere Schwingung in den Resonanzkreisen RCl, FCl, RLl bzw. RC2, FC2, RL2. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt weiter in der ersten und vierten Speicherdrossel Ll, L4 über den ersten und vierten Halbleiterschalter Sl, S4.

Zu Beginn des vierten Zeitabschnitts t3-t4 (Fig. 11, Fig. 12- 14) werden der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 mittels einer entsprechenden Steuerung (z.B. nach dem

Pulsbreitenmodulationsverfahren) ausgeschaltet. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt weiter über einen Parallelzweig,

nämlich über die Resonanzkondensatoren RCl, RC2, über die vierte und sechste Diode D4, D6 und über den ersten und vierten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4. Dabei werden die Resonanzkondensatoren RCl, RC2 sehr rasch vom Strom in den Speicherdrosseln Ll, L4 aufgeladen.

Gleichzeitig geben die Freilaufkondensatoren FCl, FC2 ihre Ladung über die zweite Freilaufdiode D2, die Resonanzdrosseln RLl, RL2, den ersten und den vierten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 und die Speicherdrosseln Ll, L4 an das angeschlossene Netz 2 ab. Die Freilaufkondensatoren FCl, FC2 werden dabei völlig entladen. Dadurch sinkt die Spannung kontinuierlich zwischen dem Kollektor des ersten Hilfshalbleiterschalters HSl und dem Emmiter des vierten Hilfshalbleiterschalters HS4 entsprechend der Ladungszunähme in den Resonanzkondensatoren RCl, RC2 und der Ladungsabnahme in den Freilaufkondensatoren FCl, FC2 auf nahezu Null ab. Im anschließenden fünften Zeitabschnitt t4-t5 (Fig. 7, Fig. 12- 14) übernimmt wieder die erste Freilaufdiode Dl den Freilaufström.

Zu Beginn dieses fünften Zeitabschnitts t4-t5 sind die Resonanzkondensatoren RCl, RC2 völlig aufgeladen und der Strom aus der Energiequelle 1 geht auf Null. Zugleich sind die beiden Freilaufkondensatoren FCl, FC2 völlig entladen.

Die zweite Freilaufdiode D2 schaltet bei Nullspannung aus und die erste Freilaufdiode Dl schaltet bei Nullspannung ein. Der Freilaufström kommutiert also bei Nullspannung von der zweiten D2 zur ersten Freilaufdiode Dl, ohne dass dabei eine Verlustleistung entsteht. In weiterer Folge fließt der von den großen Speicherdrosseln Ll, L4 getriebene Freilaufström über die Resonanzkondensatoren RLl, RL2 und die erste Freilaufdiode bis zum nächsten Einschaltzeitpunkt t5=tθ.

Für eine negative Halbwelle gilt die gleiche

Beschreibungssequenz mit dem zweiten und dem dritten Halbleiterschalter S2, S3 als taktende Schalter und mit dem

zweiten und dritten Hilfshalbleiterschalter HS2, HS3 als eingeschaltete Schalter des Freilaufs. Dabei fließt der Strom durch die zweite und die dritte Speicherdrossel L2, L3.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 15 dargestellt. Ausgehend von einer Grundschaltung gemäß Fig. 2 ist hierbei eine Resonanzschaltung mit einem Transformator T als Koppelelement vorgesehen. Dazu ist zunächst in Serie mit der ersten Freilaufdiode Dl eine Resonanzdrossel RL geschaltet. Parallel zur ersten Freilaufdiode Dl ist die zweite

Freilaufdiode D2 in Reihe mit einem Freilaufkondensator FC angeordnet. Ein Verbindungspunkt zwischen zweiter Freilaufdiode D2 und Freilaufkondensator ist über eine dritte und eine vierte Diode D3, D4 an die Brückenverbindung zwischen erstem und zweitem Hilfshalbleiterschalter HSl, HS2 geschaltet. Dabei ist parallel zur dritten Diode eine Sekundärwicklung des Transformators T angeordnet, wobei der Wicklungsanfang der Sekundärwicklung mit der Kathode der dritten Diode D3 und der Anode der vierten Diode D4 verbunden ist. Das Wicklungsende ist mit der Kathode der zweiten

Freilaufdiode D2 und einer Seite des Freilaufkondensators FC verbunden .

Zudem sind am Transformator T zwei gegengleich zur Sekundärwicklung gewickelte Primärwicklungen angebracht. Die erste Primärwicklung ist mit dem Wicklungsanfang einerseits über einen ersten Resonanzkondensator RCl mit einer Verbindung zwischen erstem Halbleiterschalter Sl und erster Speicherdrossel Ll und andererseits über einen zweiten Resonanzkondensator RC2 mit einer Verbindung zwischen zweitem Halbleiterschalter S2 und dritte Speicherdrossel L3 verbunden. Das Wicklungsende der ersten Primärwicklung ist an die Brückenverbindung zwischen erstem und zweitem Halbleiterschalter Sl, S2 angeschaltet.

In der gleichen Weise ist der Wicklungsanfang der zweiten Primärwicklung an die Brückenverbindung zwischen drittem und

viertem Halbleiterschalter S3, S4 angeschaltet und das Wicklungsende der zweiten Primärwicklung ist einerseits über einen dritten Resonanzkondensator RC3 mit einer Verbindung zwischen drittem Halbleiterschalter S3 und zweiter Speicherdrossel L2 und andererseits über einen vierten

Resonanzkondensator RC4 mit einer Verbindung zwischen viertem Halbleiterschalter S4 und vierter Speicherdrossel L4 verbunden .

Die Figuren 16 bis 20 zeigen die Stromflüsse während eines

Taktzykluses in den zuvor definierten Zeitabschnitten tθ-tl, tl-t2, t2-t3, t3-t4 und t4-t5 während einer positiven Halbwelle .

Kurz vor dem Einschalten des ersten und des vierten

Halbleiterschalters Sl, S4 fließt der Freilaufström der ersten und vierten Speicherdrossel Ll, L4 über das Netz, durch den ersten und vierten Hilfshalbleiterschalter, die erste Freilaufdiode Dl sowie die Resonanzdrossel RL (Fig. 16) .

Im ersten Zeitabschnitt tθ-tl nach Einschalten des ersten und des vierten Halbleiterschalters Sl, S4 beginnt der Strom aus der Energiequelle 1 zu fließen (Fig. 17) .

Während des anschließenden zweiten Zeitabschnitts tl-t2 werden die Ladungen des zweiten und des vierten Resonanzkondensators RCl, RC4 über den Transformator T, die Resonanzdrossel RL und die vierte Diode D4 auf den Freilaufkondensator FC umgeladen (Fig. 18).

Im dritten Zeitabschnitt t2-t3 fließt der Strom aus der Energiequelle 1 über den ersten und den vierten Halbleiterschalter Sl, S4 sowie die erste und die vierte Speicherdrossel Ll, L4 ins angeschlossene Netz 2 (Fig. 19) .

Dieser Zeitabschnitt t2-t3 wird mit dem Abschalten des ersten und des vierten Halbleiterschalters Sl, S4 beendet.

Der damit eingeleitete vierte Zeitabschnitt t3-t4 ist in Fig. 20 dargestellt. Dabei fließt weiterhin Strom aus der Energiequelle 1 über den ersten und den vierten Resonanzkondensator RCl, RC4 sowie den Transformator T, welcher sich in einer Flussphase befindet, da die sekundärseitig angeordnete dritte Diode D3 leitend ist. Dies geschieht so lange, bis die die beiden Resonanzkondensatoren RCl, RC4 aufgeladen sind.

Gleichzeitig gibt der Freilaufkondensator FC seine Ladung über die zweite Freilaufdiode D2, die Resonanzdrossel RL sowie den ersten und den zweiten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 ans Netz 2 ab. Am Ende dieses Zeitabschnitts t3-t4 sind die beiden Resonanzkondensatoren RCl, RC4 völlig aufgeladen und der Strom aus der Energiequelle 1 geht auf Null. Gleichzeitig ist der Freilaufkondensator FC völlig entladen und der Freilaufström kommutiert bei Nullspannung von der zweiten Freilaufdiode D2 zur ersten Freilaufdiode Dl.

Im folgenden fünften Zeitabschnitt t4-t5 fließt der Freilaufström der ersten und der vierte Speicherdrossel Ll, L4 über die erste Freilaufdiode Dl, die Resonanzdrossel RL sowie den ersten und den vierten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4, bis der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 wieder einschalten.

Während einer negativen Halbwelle laufen die gleichen Vorgänge ab, wobei hierbei der zweite und der dritte Halbleiterschalter S2, S3 takten, der zweite und der dritte Resonanzkondensator RC2, RC3 aktiv sind und der zweite und der dritte Hilfshalbleiterschalter HS2, HS3 dauerhaft eingeschaltet sind.

Die gezeigten Ausführungsformen der Erfindung haben den Vorteil, dass alle beteiligten Schaltbauteile (Halbleiterschalter und Dioden) entweder bei Nullspannung

oder bei Nullstrom ein oder ausgeschaltet werden. Auf diese Weise werden die Schaltverluste des Wechselrichters auf ein Minimum reduziert.

Wenn die Freilaufdioden kleine Schaltverluste aufweisen und die Halbleiterschalter mit erheblichen Schaltverlusten behaftet sind, wie dies bei IGBTs der Fall ist, kann das Konzept vereinfacht werden, indem nur zwei Speicherdrosseln Ll, L2 anstatt der bisher beschriebenen vier Speicherdrosseln L1-L4 am Ausgang des Wechselrichters angeordnet sind. Die entsprechende Schaltung ist in Fig. 21 dargestellt.

Gegenüber der Schaltung in Fig. 1 ist sind hierbei in der H- Brücke der erste und der vierte Halbleiterschalter Sl, S4 miteinander verbunden. Ebenso sind der zweite und der dritte Halbleiterschalter S2, S3 miteinander verbunden. Diese Verbindungen sind über jeweils eine Speicherdrossel Ll, L2 an die Wechselspannungsausgänge geschaltet. Parallel dazu ist die weitere H-Brücke für den Freilauf angeordnet, wobei auch hier der erste und der vierte Hilfshalbleiterschalter HSl, HS4 sowie der zweite und der dritte Hilfshalbleiterschalter HS2, HS3 miteinander verbunden sind.

Die Verläufe der Spannungen und Ströme zeigen die Figuren 27- 29, wobei die Darstellungsform jener in den Figuren 12-14 entspricht .

Die allgemeinen Schaltbedingungen einer derartigen Schaltung lauten wie folgt. Während einer positiven Halbwelle takten der erste und der dritte Halbleiterschalters Sl, S3 mit der Taktfrequenz, während der zweite und der vierte Halbleiterschalter S2, S4 dauerhaft ausgeschaltet bleiben. Der erste und der dritte Hilfshalbleiterschalter HSl, HS3 sind während einer positiven Halbwelle immer eingeschaltet, wohingegen der zweite und der vierte Hilfshalbleiterschalter HS2, HS4 entweder ausgeschaltet sind oder invertierend zu den Halbleiterschaltern Sl, S3 takten.

Während einer negativen Halbwelle takten der zweite und der vierte Halbleiterschalter S2, S4 und der erste und der dritte Halbleiterschalter Sl, S3 bleiben ausgeschaltet. Der erste und der dritte Hilfshalbleiterschalter HSl, HS3 sind entweder ausgeschaltet oder takten invertierend zu den Halbleiterschaltern Sl, S3. Der zweite und der vierte Hilfshalbleiterschalter HS2, HS4 sind während einer negativen Halbwelle immer eingeschaltet.

Nachfolgend ist wieder eine Abfolge der definierten Zeitabschnitte tθ-tl, tl-t2, t2-t3, t3-t4 und t4-t5 während einer positiven Halbwelle anhand von Schaltbildern (Fig. 22- 26) und anhand von Diagrammen (Fig. 27-29) beschrieben. Die Anordnung der Resonanzschaltung mit zwei

Resonanzkondensatoren RCl, RC2, zwei Resonanzdrosseln RLl, RL2, zwei Freilaufkondensatoren RCl, RC2, einer ersten und einer zweiten Freilaufdiode Dl, D2 sowie einer dritten, vierten, fünften und sechsten Diode D3, D4, D5, D6 entspricht dabei der in Fig. 1 dargestellten.

Am Ende einer Freilaufphase kurz vor dem Einschalten ist der Feilaufstrom auf die erste Freilaufdiode Dl und die antiparallelen oder parasitären Dioden des zweiten und des vierten Hilfshalbleiterschalters HS2, HS4 aufgeteilt (Fig. 22, Fig. 27-29) .

Während des ersten Zeitabschnitts tθ-tl nach dem Einschalten des ersten und des dritten Halbleiterschalters Sl, S3 fließt Strom aus der Energiequelle 1 über diese Halbleiterschalter Sl, S3 und die beiden Speicherdrosseln Ll, L2 ins angeschlossene Netz 2. So wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen geht der Freilaufström über die erste Freilaufdiode und die beiden Resonanzdrosseln RLl, RL2 auf Null (Fig. 23, Fig. 27-29) .

In der gleichen Weise wie zuvor schwingt während des nächsten Zeitabschnitts tl-t2 die Ladung des ersten Resonanzkondensators RCl mit einer Halbperiode der Resonanzfrequenz über den ersten Halbleiterschalter Sl, die parasitäre Diode des ersten Hilfshalbleiterschalters HSl, die erste Resonanzdrossel RLl sowie die dritte Diode D3 auf den ersten Freilaufkondensator FCl. Analog dazu erfolgt die Umladung des zweiten Resonanzkondensators RC2 auf den zweiten Freilaufkondensator FC2 über die fünfte Diode D5, die zweite Resonanzdrossel RL2, die parasitäre Diode des dritten Hilfshalbleiterschalters HS3 sowie den dritten Halbleiterschalter S3 (Fig. 24, Fig. 27-29) .

Wie in Fig. 28 dargestellt werden dabei die erste Freilaufdiode bei Nullspannung ausgeschaltet und die dritte und fünfte Diode D3, D5 bei Nullspannung eingeschaltet.

Im nächsten Zeitabschnitt t2-t3 sind die Ladungen der Resonanzkondensatoren RCl, RC2 völlig auf die Freilaufkondensatoren FCl, FC2 umgeladen und die dritte und fünfte Diode D3, D5 schalten bei Nullstrom ab. Dies verhindert ein Weiterschwingen der Resonanzkreise RCl, FCl, RLl bzw. RC2, FC2, RL2. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt über die eingeschalteten Halbleiterschalter Sl, S3 und die Speicherdrosseln Ll, L2 ins Netz 2 (Fig. 25, Fig. 27-29)

Der Beginn des vierten Zeitabschnitts t3-t4 ist durch das Abschalten des ersten und dritten Halbleiterschalters Sl, S3 markiert. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt weiter durch die Resonanzkondensatoren RCl bzw. RC2, über die vierte Diode D4 bzw. die sechste Diode D6 und den ersten Hilfshalbleiterschalter HSl bzw. den dritten Hilfshalbleiterschalter HS3, bis die beiden Resonanzkondensatoren RCl, RC2 aufgeladen sind.

Gleichzeitig geben die Freischaltkondensatoren FCl, FC2 solange ihre Ladung über die zweite Freilaufdiode D2, den

ersten und den dritten Hilfshalbleiterschalter HSl, HS3 und die Resonanzdrosseln RLl, RL2 sowie die Spulendrosseln Ll, L2 ans Netz ab, bis sie völlig entladen sind (Fig. 26, Fig. 27- 29)

Zu Beginn des fünften Zeitabschnitts t4-t5 sind die Resonanzkondensatoren völlig aufgeladen und der Strom aus der Energiequelle 1 geht auf Null. Gleichzeitig sind die Freilaufkondensatoren völlig entladen und der Freilaufström kommutiert bei Nullspannung von der zweiten Freilaufdiode D2 auf die erste Freilaufdiode Dl sowie die parallel geschalteten parasitären oder antiparallelen Dioden des zweiten und des vierten Hilfshalbleiterschalters HS2, HS4.

Im Folgenden fließt der Freilaufström aufgeteilt auf die erste Freilaufdiode Dl und die parallel geschalteten parasitären oder antiparallelen Dioden des zweiten und des vierten Hilfshalbleiterschalters HS2, HS4, bis der nächste Einschaltvorgang erfolgt (Fig. 22, Fig. 27-29) .

Die Abfolge während einer negativen Halbwelle erfolgt in gleicher Weise, wobei hierbei der zweite und der vierte Halbleiterschalter S2, S4 taktet und der zweite sowie der vierte Hilfshalbleiterschalter HS2, HS4 eingeschaltet sind.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter mit einem Netztransformator zur galvanischen Trennung der eingangsseitig angeschlossenen Energiequelle 1 und des ausgangsseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetzes 2.

Eine H-Brücke mit vier Halbleiterschaltern Sl, S2, S3, S4 ist dabei wie bekannt eingangsseitig an die Energiequelle 1 und ausgangsseitig über zwei Speicherdrosseln Ll, L2 an eine Primärwicklung eines Netztransformators T _N angeschlossen.

Eingangsseitig ist gegebenenfalls ein Eingangskondensator Cin und parallel zur Primärwicklung ein Ausgangskondensator Co

angeordnet. über eine Sekundärwicklung des Netztransformators T _N erfolgt der Anschluss an das Netz 2 (Fig. 30) .

Bei einer derartigen Ausführungsform werden die mit der Taktfrequenz taktenden Halbleiterschalter unsymmetrisch geschaltet. So sind während einer positiven Halbwelle der zweite und der vierte Halbleiterschalter S2, S4 immer ausgeschaltet, der dritte Halbleiterschalter S3 ist immer eingeschaltet und der erste Halbleiterschalter Sl taktet.

Das dabei auftretende einseitige Springen des Zwischenkreises ist aufgrund der Potenzialtrennung des Netztransformators vernachlässigbar. Bei transformatorlosen Wechselrichtern muss die H-Brücke hingegen immer symmetrisch getaktet werden, da sonst mit der Taktfrequenz Spannungssprünge der Energiequelle 1 gegen Erde auftreten würden. Das ist insbesondere bei Solargeneratoren zu vermeiden, um nicht die Lebensdauer der Solargenerator-Isolation zu verkürzen oder massive EMV- Probleme hervorzurufen. Des Weiteren wären beträchtliche Schaltverluste, ausgehende von der Umladung der Solargenerator-Erde-Kapazität, die Folge.

Nach Abschaltung des taktenden Halbleiterschalters Sl fließt der Freilaufström über die antiparallele oder parasitäre Diode des vierten Halbleiterschalters S4 und den eingeschalteten dritten Halbleiterschalter S3.

Während einer negativen Halbwelle taktet der zweite Halbleiterschalter S2, der vierte Halbleiterschalter S4 bleibt immer eingeschaltet und der erste sowie der dritte Hableiterschalter Sl, S3 bleiben immer ausgeschaltet. Der Freilaufström fließt hier über die antiparallele oder parasitäre Diode des dritten Halbleiterschalters S3 und über den eingeschalteten vierten Halbleiterschalter S4.

Alternativ dazu können während beider Halbwellen die dauerhaft eingeschalteten Halbleiterschalter S3 bzw. S4 und

die taktenden Halbleiterschalter Sl bzw. S2 vertauscht angesteuert werden. Demnach kann während einer positiven Halbwelle auch der dritte Halbleiterschalter S3 takten und der erste Halbeiterschalter Sl dauerhaft eingeschaltet sein. Während einer negativen Halbwelle kann der vierte Halbleiterschalter S4 takten und der zweite Halbleiterschalter S2 eingeschaltet sein.

In Fig. 31 ist die Ausführung der Resonanzschaltung für einen Wechselrichter mit Netztransformator dargestellt.

Für den ersten Halbleiteschalter Sl bilden eine erste Freilaufdiode Dl, eine dritte und vierte Diode D3, D4, ein erster Freilaufkondensator FCl, ein erster Resonanzkondensator RCl sowie eine erste Freilaufdrossel RLl einen ersten Schwingkreis. Die erste Freilaufdiode Dl ersetzt dabei die antiparallele oder parasitäre Diode des vierten Halbleiterschalters S4 in Fig. 30.

Die erste Freilaufdiode Dl ist mit ihrer Anode an die Brückenverbindung zwischen drittem und viertem Halbleiterschalter S3, S4 angeschaltet. Die Kathode ist über die erste Resonanzdrossel RLl mit der Brückenverbindung des ersten und des vierten Halbleiterschalters Sl, S4 verbunden. Parallel zur ersten Freilaufdiode Dl ist eine zweite

Freilaufdiode D2 in Serie mit dem ersten Freilaufkondensator FCl geschaltet. Die Brückenverbindung des ersten und zweiten Halbleiterschalters Sl, S2 ist über den ersten Resonanzkondensator RCl an die Anode der vierten Diode D4 geschaltet, deren Kathode mit der Brückenverbindung des ersten und vierten Halbleiterschalters Sl, S4 verbunden ist. Ein Verbindungspunkt zwischen ersten Resonanzkondensator RCl und vierter Diode D4 ist mit der Kathode der dritten Diode D3 verbunden, deren Anode mit einem Verbindungspunkt zwischen zweiter Freilaufdiode D2 und erstem Freilaufkondensator FCl verbunden ist.

Für den zweiten Halbleiterschalter S2 bilden eine weitere erste Freilaufdiode Dl', eine fünfte und sechste Diode D5, D6, ein zweiter Freilaufkondensator FC2, ein zweiter Resonanzkondensator RC2 sowie eine zweite Resonanzdrossel RL2 einen Schwingkreis. Dieser Schwingkreis ist in der oben beschriebenen Weise zwischen die Brückenverbindung des zweiten und dritten Halbleiterschalters S2, S3 und die Brückenverbindung des dritten und vierten Halbleiterschalters S3, S4 angeordnet, wobei parallel zur weiteren ersten Feilaufdiode Dl' eine weitere zweite Freilaufdiode D2' in

Serie mit dem zweiten Freilaufkondensator FC2 vorgesehen ist.

In den Figuren 32-36 sind die Stromflüsse des

Resonanzschaltverhaltens während einer positiven Halbwelle in den zuvor definierten Zeitabschnitten tθ-tl, tl-t2, t2-t3, t3-t4 und t4-t5 dargestellt.

Kurz vor einem Einschalten des ersten Halbeiterschalters Sl fließt der Freilaufström in den Speicherdrosseln Ll, L2 durch die erste Feilaufdiode Dl, über den dritten

Halbleiterschalter S3, die erste Resonanzdrossel RLl sowie über den Netztransformator T _N (Fig. 32).

Der erste Zeitabschnitt tθ-tl (Fig. 33) beginnt mit dem Einschalten des ersten Halbleiterschalters Sl. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt durch den ersten Halbleiterschalter Sl, durch die Speicherdrosseln Ll, L2, sowie die Primärwicklung des Netztransformators T _N und über den dritten Halbleiterschalter S3. Dabei wird auch der erste Resonanzkreis RCl, RLl, FCl zugeschaltet, der mit folgender Resonanzfrequenz Oo zu schwingen beginnt:

CO ₀ ² = 1/ ( ( (RC1*FC1) / (RC1+FC1) ) *RL1)

Dadurch geht der Freilaufström in der ersten Freilaufdiode Dl über die erste Resonanzdrossel RLl auf Null.

Im darauffolgenden Zeitabschnitt tl-t2 (Fig. 34) schwingt die Ladung des ersten Resonanzkondensators RCl mit einer Halbperiode der Resonanzfrequenz auf den ersten Freilaufkondensator FCl über. Der Stromfluss verläuft dabei durch den ersten Halbleiterschalter Sl, die erste Resonanzdrossel RLl und über die dritte Diode D3.

Zu Beginn des dritten Zeitabschnitts t2-t3 (Fig. 35) ist die Ladung des ersten Resonanzkondensators RCl völlig auf den ersten Freilaufkondensator FCl umgeladen und die dritte Diode D3 schaltet mit Nullstrom ab. Dadurch wird ein Weiterschwingen im Resonanzkreis RCl, FCl, RLl verhindert. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt weiter durch den ersten und dritten Halbleiterschalter Sl, S3, die Speichedrosseln Ll, L2 sowie die Primärwicklung des Netztransformators T _N .

Der vierte Zeitabschnitt t3-t4 (Fig. 36) beginnt mit dem Abschalten des ersten Halbleiterschalters Sl. Der dritte Halbleiterschalter S3 bleibt eingeschaltet. Durch ihn fließt der Strom weiter aus der Energiequelle 1 durch den ersten Resonanzkondensator RCl, die vierte Diode D4, über die Speicherdrosseln Ll, L2, und den Netztransformator T _N , bis der erste Resonanzkondensator RCl aufgeladen ist.

Gleichzeitig gibt der ersten Freilaufkondensator FCl seine Ladung über die erste Resonanzdrossel RLl, die Speicherdrosseln Ll, L2, den Netztransformator T _N , den dritten Halbleiterschalter S3 und die zweite Freilaufdiode D2 an das Netz 2 ab, bis der erste Freilaufkondensator FCl völlig entladen ist.

Zu Beginn des letzten Zeitabschnitts t4-t5 (Fig. 32) ist der erste Resonanzkondensator RCl völlig aufgeladen und der Strom aus der Energiequelle 1 geht auf Null. Gleichzeitig ist der erste Freilaufkondensator FCl völlig entladen und der Freilaufström kommutiert bei Nullspannung von der zweiten

Freilaufdiode D2 auf die erste Freilaufdiode Dl. In weiterer Folge fließt der Freilaufström der Speicherdrosseln Ll, L2 durch die erste Freilaufdiode Dl, über den dritten Halbleiterschalter S3, die erste Resonanzdrossel RLl sowie die Primärwicklung des Netztransformators T _N , bis der erste Halbleiterschalter Sl wieder eingeschaltet wird.

In den Figuren 37-41 ist ein entsprechender Ablauf für einen Taktzyklus während einer negativen Halbwelle dargestellt. Kurz vor dem Einschaltzeitpunkt tθ fließt der Freilaufström der Speicherdrosseln Ll, L2 durch die Primärwicklung, den vierten Halbleiterschalter S4, die weitere erste Freilaufdiode Dl' und die zweite Resonanzdrossel RL2.

Zu Beginn des ersten Zeitabschnitts tθ-tl (Fig. 38) wird der zweite Halbleiterschalter S2 eingeschaltet und der Strom aus der Energiequelle 1 fließt über diesen durch die Speicherdrosseln Ll, L2, die Primärwicklung sowie über den dauerhaft eingeschalteten vierten Halbleiterschalter S4. Zudem wird ein zweiter Resonanzkreis RC2, RL2, FC2 zugeschaltet, der mit folgender Resonanzfrequenz Oo zu schwingen beginnt:

CO ₀ ² = 1/ ( ( (RC2*FC2) / (RC2+FC2) ) *RL2)

Dadurch geht der Freilaufström in der weiteren ersten Freilaufdiode Dl' über die zweite Resonanzdrossel RL2 auf Null.

Im nachfolgen zweiten Zeitabschnitt tl-t2 (Fig. 39) schwingt die Ladung des zweiten Resonanzkondensators RC2 mit einer Halbperiode der Resonanzfrequenz auf den zweiten Freilaufkondensator FC2 über. Der Stromfluss verläuft dabei über die sechste Diode D6, den zweite Halbleiterschalter S2 und die zweite Resonanzdrossel RL2.

Zu Beginn des dritten Zeitabschnitts t2-t3 (Fig. 40) ist die Ladung des zweiten Resonanzkondensators RC2 völlig auf den zweiten Freilaufkondensator FC2 umgeladen. Die sechste Diode D6 schaltet mit Nullstrom ab und verhindert ein Weiterschwingen des Resonanzkreises RC2, RL2, FC2. Der Strom aus der Energiequelle 1 fließt weiter über den zweiten und vierten Halbleiterschalter S2, S4, die Speicherdrosseln Ll, L2 und die Primärwicklung.

Der vierte Zeitabschnitt t3-t4 (Fig. 41) beginnt mit dem Ausschalten des zweiten Halbleitschalters S2. Der vierte Halbeiterschalter S4 bleibt eingeschaltet und über ihn fließt der Strom weiter aus der Energiequelle 1 durch den zweiten Resonanzkondensator RC2, über die fünfte Diode D5, die Speicherspulen Ll, L2 und die Primärwicklung, bis der zweite Resonanzkondensator RC2 aufgeladen ist.

Gleichzeitig gibt der zweite Freilaufkondensator FC2 seine Ladung über die zweite Resonanzdrossel RL2, den Netztransformator T _N , die Speicherspulen Ll, L2, den vierten Halbleiterschalter S4 und die weitere zweite Freilaufdiode D2' an das Netz 2 ab, bis der zweite Freilaufkondensator FC2 völlig entladen ist.

Zu Beginn des fünften Zeitabschnitts t4-t5 (Fig. 37) ist der zweite Resonanzkondensator RC2 völlig aufgeladen und der Strom aus der Energiequelle 1 geht auf Null. Gleichzeitig ist der zweite Freilaufkondensator FC2 völlig entladen und der Freilaufström kommutiert bei Nullspannung von der weiteren zweiten Freilaufdiode D2' auf die weitere erste Freilaufdiode Dl' . In weiterer Folge fließt der Freilaufström der beiden Speicherdrosseln Ll, L2 über die Primärwicklung, den vierte Halbleiterschalter S4, die weitere erste Freilaufdiode Dl' und die zweite Resonanzdrossel RL2.

Die Elemente der beschriebenen Resonanzkreise sind so zu dimensionieren, dass die entsprechende Resonanzfrequenz höher

als die vorgegebene Taktfrequenz ist. Dabei soll die Dauer einer Halbperiode mit Resonanzfrequenz kürzer sein als die von einer Steuerung vorgegebene kürzest mögliche Einschaltzeit des taktenden Halbleiterschalters bzw. der taktenden Halbeiterschalter.