Resonanter Gleichstromsteller

Die Erfindung betrifft einen resonanten Gleichstromsteller mit einer Wechselrichtschaltung, einer Gleichrichtschaltung und einer Transformatoreinheit, wobei die Wechselrichtschal ^¬ tung mit einem ersten Anschluss der Transformatoreinheit ver- bunden ist und die Gleichrichtschaltung mit einem zweiten Anschluss der Transformatoreinheit verbunden ist.

Gleichstromsteller werden verwendet, um die Spannungshöhe ei ^¬ ne Gleichspannung zu verändern. Diese werden auch als Gleich- stromwandler oder DC/DC Steller bzw. DC/DC Wandler bezeichnet. Mit Hilfe von Halbleitern wird die Spannung an der Eingangsseite des Gleichstromstellers in eine vorgebbare Span ^¬ nung an der Ausgangsseite des Gleichstromstellers umgewan ^¬ delt. Um die Schaltverluste in den Halbleitern des Gleich- Stromstellers zu reduzieren werden bei resonanten Gleichstromstellern Wechselströme erzeugt, bei denen Schalthandlungen in oder nahe den Nulldurchgängen der Ströme vorgenommen werden. Oftmals sind Ein- und Ausgang von Gleichstromstellern galvanisch voneinander getrennt.

Die resonanten Wandler weisen ihre Vorteile im Bereich nahe der Resonanzfrequenz auf, dort sind die Ein- oder Ausschaltverluste der Halbleiter am geringsten. Wird der Abstand zwischen den Frequenzen des Arbeitspunktes und der Resonanz er- höht, nehmen kontinuierlich die Schaltverluste zu. Neben der Erhöhung der Ein- oder Ausschaltverluste verliert der Strom auch im resonanten Netzwerk seinen sinusförmigen Verlauf und weist somit ein breitbandiges Spektrum im Frequenzbereich auf, das am Ausgang des resonanten Wandlers eine aufwendige Filterung erfordert. Bedingt durch die geringen Ein— und Aus ^¬ schaltverluste besitzt der resonante Wandler auch seinen bes ^¬ ten Wirkungsgrad nahe oder direkt auf der Resonanzfrequenz, im andern Fall weist der resonante Wandler ähnliche Wirkungs ^¬ grade wie eine herkömmlich hartschaltende Topologie auf. Resonante Wandler, die einen großen Ein- und Ausgangsspannungsbereich abdecken sollen, werden meist über einen weiten Frequenzbereich betrieben, was zu den oben dargestellten Nachteilen führt. Im Extremfall wird der resonante Wandler im rein kapazitiven oder induktiven Bereich betrieben.

Derzeit werden Gleichstromsteller über einen großen Dynamikbereich der Ein- und Ausgangsspannungen mit konventionell hartschaltenden Topologien benutzt. Resonante Strukturen kom- men meist nur bei konstanten Lasten bzw. geringen Lastschwankungen zum Einsatz. Dort können sie direkt oder nahe bei ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden und weisen die oben genannten Vorteile auf. Für einen großen Ein- und Ausgangsspannungsbereich kommen nach dem heutigen Stand der Technik hartschaltende Vollbrü ^¬ cken zum Einsatz. Die Funktionsweise der Schaltung ist wie folgt. Die eingangsseitige Wechselrichtschaltung stellt eine Wechselspannung für den Transformator bereit. Diese wird durch das wechselseitige Einschalten der Halbleiter der Wechselrichtschaltung erzeugt. Um die Spannungs-Zeit-Fläche und damit den Leistungsfluss zu steuern, wird eine Einschaltdauer zwischen 0% und 50% eingestellt. Die so erzeugte Primärspan ^¬ nung des Transformators wird je nach Übersetzungsverhältnis auf die Sekundärseite übertragen und mit Hilfe der Gleich ^¬ richtschaltung gleichgerichtet.

Bei dieser Topologie sind deutlich die Schaltverluste der Halbleiter zu beobachten. Zudem ist der Strom im Querzweig der Vollbrückenschaltung im Frequenzbereich sehr breitbandig und benötigt zur Glättung ein großes Ausgangsfilter. Der Vorteil dieser Anordnung liegt jedoch im großen Einstellbereich der Ein- und Ausgangsspannungen. Bei einer resonant schaltende Wechselrichtschaltung eines

Gleichstromstellers wird ein sinusförmiger Strom erzeugt, der durch den Transformator fließt und somit durch den wiederkehrenden Nulldurchgang stromlos ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Resonanzkreis, der den sinusförmigen Strom erzeugt, ist eine Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität im Brückenzweig der Wechselrichtschaltung. Durch das Schalten der Halbleiter der Wechselrichtschaltung entsteht ein sinusförmiger Strom, der über den Transformator übertragen und auf der Sekundärseite mittels der Gleichrichtschal ^¬ tung gleichgerichtet wird. Ein Kondensator am Ausgang der Gleichrichtschaltung dient zur Glättung der gleichgerichteten Spannung. Die Ansteuerung der Schalter kann geringfügig un- terresonant (f _s <f _r ) , resonant (f _s =f _r ) oder geringfügig überre- sonant (f _s >f _r ) erfolgen, je nachdem wie hoch die Frequenz ist, in der die Wechselrichtschaltung betrieben wird. Somit ist der resonante Betrieb gewährleistet mit einem durchgängig sinusförmigen Strom. Sollte sich die Schaltfrequenz weit un- ter- oder oberhalb der Resonanz befinden, wird der Stromverlauf nicht sinusförmig. Daher ist es erforderlich, dass die resonant schaltende Wechselrichtschaltung stets im Bereich der Resonanzfrequenz zu betreiben ist um aufwendige und verlustbehaftete Filter im Brückenzweig zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen resonanten Gleichstromsteller zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch einen resonanten Gleichstromsteller mit einer Wechselrichtschaltung, einer Gleichrichtschaltung und einer Transformatoreinheit gelöst, wobei die Wechsel ^¬ richtschaltung mit einem ersten Anschluss der Transformatoreinheit verbunden ist und die Gleichrichtschaltung mit einem zweiten Anschluss der Transformatoreinheit verbunden ist, wo- bei der erste und der zweite Anschluss mittels eines ersten Transformators galvanisch voneinander getrennt sind, wobei die Transformatoreinheit Mittel zur Anpassung des Überset ^¬ zungsverhältnisses der Transformatoreinheit aufweist, wobei die Transformatoreinheit einen Energieübertragungspfad auf- weist, wobei der Energieübertragungspfad einen Wechselrichter und einen zweiten Transformator aufweist, wobei der Eingang des Energieübertragungspfads parallel zur Primärseite des ersten Transformators angeordnet ist und der Ausgang des Energieübertragungspfades in Reihe zur Sekundärseite des ers ^¬ ten Transformators angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich durch ein variables Übersetzungsverhältnis der Transformatoreinheit das Verlustverhalten des Gleichstromstellers deutlich verbes- sern lässt. Ein variables Übersetzungsverhältnis bedeutet da ^¬ bei, dass das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangs ^¬ spannung der Transformatoreinheit veränderlich ist. Dies kann beispielsweise durch ein veränderliches Übersetzungsverhält ^¬ nis des ersten Transformators erreicht werden. Dafür kann der erste Transformator mit einem Stufenschalter ausgeführt sein.

Ergänzend ist es möglich, auf die Ausgangsspannung des ersten Transformators, das heißt auf die Spannung der Sekundärseite des ersten Transformators, eine weitere Spannung hinzuzuad- dieren. Dies kann beispielsweise durch eine Reihenschaltung der Sekundärseite des Transformatorausgangs mit der Spannung eines Energieübertragungspfades vorgenommen werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die hinzuaddierte Spannung va ^¬ riabel ist. Diese Spannung lässt sich beispielsweise mit Hil- fe eines Wechselrichters variabel erzeugen. Durch einen in dem Energieübertragungspfad vorhandenen zweiten Transformator ist der Ausgang des Energieübertragungspfades darüber hinaus potentialfrei, so dass diese Spannung sich problemlos zu der Ausgangsspannung des ersten Transformators hinzuaddiert wer- den kann, wenn die Sekundärseite des ersten Transformators und der Ausgang des Energieübertragungspfades in einer Rei ^¬ henschaltung angeordnet sind.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Wechselrichter mit der Primärseite des ersten Transformators verbunden ist, da dann für den Wechselrichter hinsichtlich der erforderlichen Sperrspannungen die gleichen Halbleiter verwendet werden können wie sie auch in der Wechselrichtschaltung vorhanden sind. Somit können auf einfache Weise mit vergleichbaren oder sogar gleichen Halbleitern Wechselrichter und Wechselrichtschaltung aufgebaut werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass eine besonders gute Reduktion der Verluste des Gleichstromstellers dann erreichbar wird, wenn 75% der durch den Gleichstromsteller zu übertragene Leistung über den ersten Transformator und 25% der durch den Gleichstromsteller zu übertragene Leistung über den Energie- Übertragungspfad übertragen wird. Damit besitzt der erste

Transformator dann die dreifache Leistungsfähigkeit im Ver ^¬ gleich mit dem zweiten Transformator.

Durch das variable Übersetzungsverhältnis der Transformator- einheit ist es möglich, den Dynamikbereich des resonanten

Gleichstromstellers über einen großen Ein- und Ausgangsspannungsbereich mit Hilfe eines Stellgliedes, das sich direkt im ersten Transformator oder parallel dazu befindet, zu erhöhen. Dieses Stellglied kann beispielsweise wie oben beschrieben durch einen Stufenschalter im ersten Transformator oder durch einen Wechselrichter in dem Energieversorgungspfad parallel zum ersten Transformator, bei dem die Ausgangsspannung des Energieversorgungspfades durch eine Reihenschaltung zur Span ^¬ nung der Sekundärseite des ersten Transformators hinzugefügt wird, erreicht werden. Darüber hinaus kann dieses Stellglied die Arbeitspunkte, die sich aufgrund der Ein- und Ausgangs ^¬ spannung weiter weg von der Resonanz befinden, durch eine variable Spannungsverstärkung näher an die Resonanz heranführen. Somit werden die Verluste in den Halbleitern der Wech- selrichtschaltung aufgrund des geringeren Abstandes zur Resonanzfrequenz reduziert und der Wirkungsgrad des resonanten Wandlers gegenüber konventionellen Wandler-Topologien erhöht. Das Stellglied kann alternativ zu den oben bereits aufgezählten Realisierungen auch durch eine Vervielfacherschaltung, die sich parallel zum Transformator befindet, realisiert wer ^¬ den. Je nach Anzahl der einzelnen Stufen können diese individuell zu- oder abgeschaltet werden. Die Wirkung des variablen Übersetzungsverhältnisses liegt da ^¬ rin, dass die resonant schaltende Wechselrichtschaltung durch diese Topologie für einen großen Ein- und Ausgangsspannungs ^¬ bereich mit einem hohen Wirkungsgrad ausgelegt werden kann. Dies bedeutet, dass sämtliche Arbeitspunkte nahe der Reso ^¬ nanzfrequenz liegen, um einen sinusförmigen Stromverlauf zu erhalten. Um das Übersetzungsverhältnis zu verändern ist es nicht mehr erforderlich die Frequenz der Wechselrichtschaltung zu beeinflussen sondern man hat mit dem variablen Über- Setzungsverhältnis der Transformatoreinheit die Möglichkeit, die Spannung am Ausgang der Gleichrichtschaltung auch ohne Änderung der Frequenz zu beeinflussen. Die resonante Brückenschaltung soll dabei einen großen Dynamikbereich bei verschiedenen Eingangsspannungen und konstanter Ausgangspannung aufweisen. Dazu werden die größeren Abschaltverluste bei Fre ^¬ quenzen, die weiter von der Resonanzfrequenz entfernt sind vermieden, indem Arbeitspunkte in der Nähe der Resonanzfre ^¬ quenz bei geringerem Übersetzungsverhältnis gewählt werden. Durch das variable Übersetzungsverhältnis ist es möglich, für einen breiten Leistungsbereich, die Schaltfrequenz nahe der Resonanzfrequenz wählen. Dadurch kann das Auftreten größerer Abschaltverluste im Halbleiterschalter beim Arbeitspunkt ver ^¬ mieden werden, da der Arbeitspunkt nicht mehr so weit ent ^¬ fernt von der Resonanzfrequenz gewählt werden muss. Dadurch wird das Betriebsverhalten verbessert und die Abschaltverlus ^¬ te des Halbleiterschalters sind durch die Nähe zur Resonanz ^¬ frequenz sehr gering.

Die Vorteile des resonanten Gleichstromstellers liegen zum einen in den äußerst geringen Ein- und Ausschaltverluste der Halbleiter in der Wechselrichtschaltung und den damit verbundenen hohen Wirkungsgrad des Gleichstromstellers über einen großen Arbeitsbereich hinweg. Darüber hinaus entfällt durch diese neuartige Topologie aus einem zusätzlichen Stellglied im Brückenzweig der Einsatz eines Filters, da durch den Be ^¬ trieb mit variablem Übersetzungsverhältnis der Sinusverlauf im Brückenzweig erzeugbar ist und das Auftreten unerwünschter Harmonischer vermieden wird. ^

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert werden. Es zeigen:

FIG 1 einen resonanten Gleichstromsteller mit einem

Transformator mit Stufenschalter

FIG 2 Frequenzgang des resonanten Gleichstromstellers und

FIG 3 einen resonanten Gleichstromsteller mit Energieübertragungspfad.

Die FIG 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen resonanten Gleichstromsteller 1 mit einem ersten Transformator 5 mit einem Stufenschalter, der unter Last geschaltet werden kann. Der Gleichstromsteller 1 kann eine Eingangsspannung Ui in ei- ne Ausgangsspannung U ₂ umformen. Dazu wird in der Wechsel ^¬ richtschaltung 2 eine Wechselspannung erzeugt. Mit dieser kann elektrische Energie mit Hilfe der Transformatoreinheit 4 von der Wechselrichtschaltung 2 an eine Gleichrichtschaltung 3 übertragen werden. Dazu sind jeweils Wechselrichtschaltung 2 und Gleichrichtschaltung 3 mit der Transformatoreinheit 4 verbunden. Dabei umfasst die Transformatoreinheit Mittel zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses i der Transforma ^¬ toreinheit 4. Dieses Mittel zur Veränderung des Übersetzungs ^¬ verhältnisses i kann in einer einfachen Ausführung ein Stu- fenschalter in dem ersten Transformator 5 sein. Bedingt durch den Stufenschalter kann die Verstärkung der Transformatoreinheit 4 individuell auf den einzelnen Arbeitspunkt mit einem besonders hohen Wirkungsgrad nahe der Resonanzfrequenz gelegt werden. Das Wicklungsverhältnis und die Anzahl der Stufen des Stufenschalters sind in vorteilhafter Weise auf die jeweilige Anwendung auszulegen. Die FIG 2 zeigt das Übersetzungsverhältnis i der Transformatoreinheit 4 in Abhängigkeit von der Frequenz der erzeugten Wechselspannung. Die unterschiedlichen Linien geben unterschiedliche Stellungen des Stufenschalters bzw. unterschiedliche an der Sekundärseite des ersten Trans ^¬ formators mittels einer Reihenschaltung hinzugefügten Spannungen wieder. Es wird deutlich, dass eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses nun nicht mehr nur durch Variation der Frequenz sondern auch durch Veränderung der Position des Stufenschalters erreicht werden kann. Alternativ kann an der Sekundärseite des ersten Transformators eine Spannung hin ^¬ zuaddiert werden, die das Übersetzungsverhältnis i der Trans- formatoreinheit beeinflusst. Dabei zeigt FIG 2 deutlich, dass die Spannungsverstärkung über den Stufenschalter vorgebbar ist. Somit ist es möglich, den Arbeitspunkt über einen großen Dynamikbereich nahe der Resonanz mit einem besonders hohen Wirkungsgrad nachzufahren. Dabei ist zu beachten, dass die Anzahl der Stufen und der Stellbereich jeweils für die entsprechende Applikation auszulegen sind. Technisch lässt sich die Variation der Spannungsverstärkung auch mit einem Wechselrichter realisieren, wie er in FIG 3 dargestellt ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwie ^¬ sen. Der Wechselrichter 8 ist in einem Energieübertragungspfad 7 parallel zum ersten Transformator angeordnet. Dabei entnimmt der Energieübertragungspfad 7 Energie aus der Wech ^¬ selrichtschaltung 2 auf, indem der Energieübertragungspfad parallel zur Primärwicklung 51 des ersten Transformators 5 angeordnet ist. Um die Spannung am Ausgang der Transformatoreinheit 4 beeinflussen zu können ist der Ausgang des Energieübertragungspfades 7 in Reihe mit der Sekundärwicklung 52 des ersten Transformators angeordnet. Die Reihenschaltung bildet gleichzeitig den Ausgang der Transformatoreinheit 4. Zur gal ^¬ vanischen Trennung von Ein- und Ausgang des Gleichstromstellers 1 ist vorteilhafterweise im Energieübertragungspfad 7 ein zweiter Transformator 6 angeordnet. Mit dieser Schaltung lässt sich ein Übertragungsverhalten wie in FIG 2 erzeugen, wobei die Kurvenscharen dann beliebig viele Kurven aufweisen können, da der Wechselrichter nahezu beliebige Spannungen erzeigen kann.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen resonanten

Gleichstromsteller mit einer Wechselrichtschaltung, einer Gleichrichtschaltung und einer Transformatoreinheit, wobei die Wechselrichtschaltung mit einem ersten Anschluss der Transformatoreinheit verbunden ist und die Gleichrichtschal- tung mit einem zweiten Anschluss der Transformatoreinheit verbunden ist. Zur Verbesserung des Gleichstromstellers wird vorgeschlagen, dass der erste und der zweite Anschluss mit ^¬ tels eines ersten Transformators galvanisch voneinander ge- trennt sind, wobei die Transformatoreinheit Mittel zur Anpas ^¬ sung des Übersetzungsverhältnisses der Transformatoreinheit aufweist, wobei die Transformatoreinheit einen Energieüber ^¬ tragungspfad aufweist, wobei der Energieübertragungspfadeinen Wechselrichter und einen zweiten Transformator aufweist, wo- bei der Eingang des Energieübertragungspfad parallel zur Pri ^¬ märseite des ersten Transformator angeordnet ist und der Aus ^¬ gang des Energieübertragungspfadesin Reihe zur Sekundärseite des ersten Transformators angeordnet ist.