DE102023100735A1 - DC-DC converter arrangement - Google Patents
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Abstract
Ein Gleichstrom-Umwandleranordnung (10) zum Umwandeln von elektrischer Energie, umfassend einen Eingang (Vin) zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie, einen ersten Ausgang (15-1) zum Abgeben eines ersten Teils der gewandelten elektrischen Energie mit einer ersten Spannung (VO1), einen zweiten Ausgang (15-2) zum Abgeben eines zweiten Teils der gewandelten elektrischen Energie mit einer zweiten Spannung (VO1), ein erstes Schaltelement (S1), ein zweites Schaltelement (S2), eine erste Diode (D1), eine zweite Diode (D2), eine Induktionsspule (L), wobei der Eingang (Vin), das erste Schaltelement (S1), die Induktionsspule (L) und das zweite Schaltelement (S2) in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet sind und einen ersten Schaltkreis (31, 33) bilden, wobei der Eingang (Vin), das erste Schaltelement (S1), die Induktionsspule (L), und die erste Diode (D2) in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet sind und einen zweiten Schaltkreis (32) bilden, wobei die zweite Diode (D2), die Induktionsspule (L), und das zweite Schaltelement (S2) in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet sind und einen dritten Schaltkreis (34) bilden, wobei das erste Schaltelement (S1) und das zweite Schaltelement (S2) ausgebildet sind in einem geschlossenen oder offenen Zustand zu sein, wobei eine Konfiguration der Zustände des ersten Schaltelements (S1) und des zweiten Schaltelements (S2) ausgebildet ist einen Stromfluss durch einen der Schaltkreise (31, 32, 33, 34) zu ermöglichen.A direct current converter arrangement (10) for converting electrical energy, comprising an input (Vin) for supplying electrical energy to be converted, a first output (15-1) for outputting a first part of the converted electrical energy at a first voltage (VO1), a second output (15-2) for outputting a second part of the converted electrical energy at a second voltage (VO1), a first switching element (S1), a second switching element (S2), a first diode (D1), a second diode (D2), an induction coil (L), wherein the input (Vin), the first switching element (S1), the induction coil (L) and the second switching element (S2) are arranged in series in the order given and form a first circuit (31, 33), wherein the input (Vin), the first switching element (S1), the induction coil (L) and the first diode (D2) are arranged in series in the order given and form a second circuit (32) wherein the second diode (D2), the induction coil (L), and the second switching element (S2) are arranged in series in the order given and form a third circuit (34), wherein the first switching element (S1) and the second switching element (S2) are designed to be in a closed or open state, wherein a configuration of the states of the first switching element (S1) and the second switching element (S2) is designed to enable a current flow through one of the circuits (31, 32, 33, 34).
Description
Die Erfindung betrifft eine DC-DC Umwandleranordnung zum Wandeln von elektrischer Energie, insbesondere betrifft die Erfindung eine DC-DC Umwandleranordnung mit einem einem Eingang und zwei Ausgängen, mit einer Induktionsspule und Spannungsausgleichsfähigkeit. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer DC-DC Umwandleranordnung, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a DC-DC converter arrangement for converting electrical energy, in particular the invention relates to a DC-DC converter arrangement with one input and two outputs, with an induction coil and voltage compensation capability. The invention further relates to a use of a DC-DC converter arrangement, a method and a computer program product.
Technologischer HintergrundTechnological background
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen das Gebiet der Leistungsumwandlung, also der Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Gleichstrom (DC), beziehungsweise Gleichspannung in Gleichspannung, genauer Umwandler mit Spannungsausgleichsfähigkeit.The embodiments described herein generally relate to the field of power conversion, i.e. the conversion of direct current (DC) to direct current (DC), or direct voltage to direct voltage, more specifically converters with voltage balancing capability.
Die Umweltbedrohung durch die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen hat die Nachfrage nach Strom aus erneuerbaren Energiequellen erhöht. Darüber hinaus werden Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler in vielen Anwendungen wie erneuerbare Energien, tragbare Ladegeräte, PFC, HVDC, Radar, Elektrofahrzeuge und Flugzeuge benötigt. In verschiedenen Forschungsprojekten werden Entwicklungen von konventionellen Topologien in Betracht gezogen, um die Anforderungen an DC-DC-Wandler zu erfüllen.The environmental threat posed by fossil fuel power generation has increased the demand for power from renewable energy sources. Moreover, DC-DC converters are required in many applications such as renewable energy, portable chargers, PFC, HVDC, radar, electric vehicles and aircraft. Various research projects are considering developments of conventional topologies to meet the requirements of DC-DC converters.
In der Vergangenheit wurden mehrere unabhängige konventionelle DC-DC-Wandler mit einem Eingang und einem Ausgang (engl. single-input single-output, SISO), wie z. B. Boost-, Buck-Boost-, Buck- und cuk-Wandler, mit einer einzigen DC-Quelle verwendet, um verschiedene Spannungen an mehreren Ausgängen zu liefern. Durch die Verwendung mehrerer unabhängiger SISO-Wandler erhöht sich jedoch die Anzahl der verwendeten Komponenten, die Kosten und das Systemvolumen. Im Stand der Technik, werden zur Verringerung der Anzahl der Komponenten mehrere SISO-Wandler integriert, um einen Gleichspannungswandler mit einem Eingang und mehreren Ausgängen (engl. single-input multi-output, SIMO) zu erhalten.In the past, multiple independent conventional single-input single-output (SISO) DC-DC converters, such as boost, buck-boost, buck and cuk converters, were used with a single DC source to provide different voltages at multiple outputs. However, using multiple independent SISO converters increases the number of components used, the cost and the system volume. In the current art, to reduce the number of components, multiple SISO converters are integrated to obtain a single-input multi-output (SIMO) DC-DC converter.
Aufgrund der Mehrfachverwendung von Induktoren haben vorgeschlagene Gleichspannungswandler mit einem Eingang und zwei Ausgängen (engl. single-input dual-output) SIDO-Topologien ein großes Gewicht und Volumen sowie eine begrenzte Leistungsdichte. In diesem Zusammenhang haben SI-SIDO-Topologien (engl. single-inductor single-input dual-output) für Anwendungen, bei denen zwei unterschiedliche Spannungen an den Ausgängen erforderlich sind, an Interesse gewonnen. Darüber hinaus erhöht der Einsatz einer einzigen Spule die Leistungsdichte von SI-SIDO-DC-DC-Wandlern.Due to the multiple use of inductors, proposed single-input dual-output (SIDO) DC-DC converters have large weight and volume and limited power density. In this context, single-inductor single-input dual-output (SI-SIDO) topologies have gained interest for applications where two different voltages are required at the outputs. In addition, the use of a single inductor increases the power density of SI-SIDO DC-DC converters.
Der Spannungsabgleich von DC-DC-Wandlern mit zwei Ausgängen ist für bestimmte Anwendungen, wie z. B. Zwischenkreiskondensatoren von 3L-NPC-Wechselrichtern (engl. three-level neutral-point-clamped) und bipolaren Niederspannungs-Gleichstromverteilungssystemen (engl. low-voltage DC, LVDC), unerlässlich.Voltage balancing of dual output DC-DC converters is essential for certain applications, such as DC link capacitors of three-level neutral-point-clamped (3L-NPC) inverters and bipolar low-voltage DC (LVDC) distribution systems.
Im Stand der Technik wird eine Konfiguration des SI-SIDO-DC-DC-Wandlers als Spannungsausgleicher in einem bipolaren Niederspannungs-Gleichstrom-Verteilungssystem vorgeschlagen. Die bipolare Niederspannungs-Gleichstromversorgung ist ein Gleichstrom-Bus-System mit drei Gleichstromleitungen, das als kleines Gleichstrom-Verteilungsnetz für Wohn- und Geschäftsgebäude dient. Es verbindet verschiedene DC-Energiequellen (wie Brennstoffzellen, Batterien und Photovoltaikzellen) und Lasten in einem Verteilungssystem mit drei Spannungsebenen, um die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems zu verbessern. Eine unsymmetrische Leistungsaufnahme kann zwischen den bipolaren LVDC-Klemmen auftreten und die Qualität des Gleichstromnetzes beeinträchtigen. Der SIDO-DC-DC-Wandler mit der inhärenten Fähigkeit zum Spannungsausgleich muss eingesetzt werden, um den Spannungsausgleich zwischen den DC-Bussen zu gewährleisten und ein qualitativ hochwertiges DC-Netz zu garantieren.In the prior art, a configuration of the SI-SIDO DC-DC converter is proposed as a voltage balancer in a bipolar low-voltage DC distribution system. The bipolar low-voltage DC power supply is a three-line DC bus system that serves as a small DC distribution network for residential and commercial buildings. It connects various DC energy sources (such as fuel cells, batteries, and photovoltaic cells) and loads in a three-voltage distribution system to improve the reliability and efficiency of the system. Unbalanced power consumption may occur between the bipolar LVDC terminals and affect the quality of the DC network. The SIDO DC-DC converter with the inherent voltage balancing capability must be employed to ensure the voltage balance between the DC buses and guarantee a high-quality DC network.
In einem zweistufigen netzgekoppelten DC-AC- Photovoltaik-Umwandlungssystem mit 3L-NPC in der zweiten Stufe ist der Spannungsausgleich der DC-Zwischenkreisausgänge eine zwingende Notwendigkeit, die die Qualität der sinusförmigen Ausgangsspannung und des Stroms erhöht und zur Verbesserung der Systemstabilität beiträgt.In a two-stage grid-tied DC-AC photovoltaic conversion system with 3L-NPC in the second stage, voltage balancing of the DC link outputs is a mandatory requirement, which increases the quality of the sinusoidal output voltage and current and contributes to improving the system stability.
Es wurden bereits einige SIDO-Wandler mit der Fähigkeit zum Ausgleich der Zwischenkreisspannung vorgeschlagen. Diese Topologien eignen sich für die Speisung des bipolaren Niederspannungs-Gleichstrom-Verteilungssystems und des 3L-NPC-Wechselrichters, leiden aber unter der hohen Anzahl der verwendeten Induktivitäten und Schalter in ihren Strukturen. Abgesehen von der Fähigkeit zum Spannungsausgleich müssen solche Topologien bei Photovoltaikanwendungen eine Lösung zur Begrenzung des Leckstroms bieten und in der Lage sein, die maximale Leistung des Photovoltaiksystems zu entnehmen.Some SIDO converters with DC link voltage balancing capability have already been proposed. These topologies are suitable for feeding the low voltage bipolar DC distribution system and the 3L-NPC inverter, but suffer from the high number of inductors and switches used in their structures. Apart from the voltage balancing capability, in photovoltaic applications such topologies must provide a solution to limit the leakage current and be able to extract the maximum power from the photovoltaic system.
Es besteht eine erhebliche Nachfrage nach neuen SI-SIDO-Dreistufen-Aufwärtswandlern in zweistufigen netzgekoppelten PV-Konfigurationen mit NPC-Wechselrichtern.There is significant demand for new SI-SIDO three-level boost converters in two-level grid-tied PV configurations with NPC inverters.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, eine SI-SIDO-DC-DC-Wandleranordnung mit einer erhöhten Leistungsdichte und einer geringen Anzahl von Bauteilen bereitzustellen.The invention is based on the object of overcoming the disadvantages of the prior art and providing a SI-SIDO DC-DC converter arrangement with an increased power density and a small number of components.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen rückbezogenen Unteransprüchen genannten Merkmalen, den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.The problem is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred embodiments and further developments of the invention emerge from the features mentioned in the respective dependent claims, the drawings and the associated description.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Ein Aspekt der Erfindung betrifft Gleichstrom-Umwandleranordnung zum Umwandeln von elektrischer Energie, umfassend einen Eingang zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie, einen ersten Ausgang zum Abgeben eines ersten Teils der gewandelten elektrischen Energie mit einer ersten Spannung, einen zweiten Ausgang zum Abgeben eines zweiten Teils der gewandelten elektrischen Energie mit einer zweiten Spannung, ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, eine erste Diode, eine zweite Diode, eine Induktionsspule, wobei der Eingang, das erste Schaltelement, die Induktionsspule und das zweite Schaltelement in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet sind und einen ersten Schaltkreis bilden, wobei der Eingang, das erste Schaltelement, die Induktionsspule, und die erste Diode in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet sind und einen zweiten Schaltkreis bilden, wobei die zweite Diode, die Induktionsspule, und das zweite Schaltelement in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet sind und einen dritten Schaltkreis bilden, wobei das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement ausgebildet sind in einem geschlossenen oder offenen Zustand zu sein, wobei eine Konfiguration der Zustände des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements ausgebildet ist einen Stromfluss durch einen der Schaltkreise zu ermöglichen.One aspect of the invention relates to a direct current converter arrangement for converting electrical energy, comprising an input for supplying electrical energy to be converted, a first output for outputting a first part of the converted electrical energy at a first voltage, a second output for outputting a second part of the converted electrical energy at a second voltage, a first switching element, a second switching element, a first diode, a second diode, an induction coil, wherein the input, the first switching element, the induction coil and the second switching element are arranged in series in the order given and form a first circuit, wherein the input, the first switching element, the induction coil and the first diode are arranged in series in the order given and form a second circuit, wherein the second diode, the induction coil and the second switching element are arranged in series in the order given and form a third circuit, wherein the first switching element and the second switching element are designed to be in a closed or open state, wherein a configuration of the states of the first switching element and the second switching element is designed to be a to allow current to flow through one of the circuits.
Gemäß der Erfindung wird eine SI-SIDO-Dreistufen-Gleichstromwandler-Topologie vorgeschlagen, die von herkömmlichen Boost- und Buck-Boost-SISO-Wandlern abgeleitet ist. Dementsprechend wird ein Zeitmultiplex-Steuerungsschema (engl. time-multiplexed control, TMC) angegeben, um die Aufwärts- und Abwärtswandler zusammenzuführen. Der vorgeschlagene Wandler kann sowohl im kontinuierlichen (engl. continuous conduction mode, CCM) als auch im diskontinuierlichen Modus (engl. discontinuous conduction mode, DCM) betrieben werden. Aufgrund der Fähigkeit zum Spannungsausgleich und der Bereitstellung eines gemeinsamen Sternpunkts zwischen den Ausgangskondensatoren ist diese Topologie für das bipolare Niederspannungs-Gleichstrom-Verteilungssystem geeignet. Darüber hinaus bietet die Struktur des vorgeschlagenen Umrichters die gemeinsame Erdungsbedingung für die zweistufigen 3L-NPC-basierten Photovoltaik-Wechselrichteranwendungen.According to the invention, a three-level SI-SIDO DC-DC converter topology is proposed, which is derived from conventional boost and buck-boost SISO converters. Accordingly, a time-multiplexed control (TMC) scheme is given to merge the boost and buck converters. The proposed converter can operate in both continuous conduction mode (CCM) and discontinuous conduction mode (DCM). Due to the voltage balancing capability and the provision of a common star point between the output capacitors, this topology is suitable for the bipolar low voltage DC distribution system. Furthermore, the structure of the proposed converter provides the common grounding condition for the two-
Mit dieser Anordnung lässt sich eine Gleichstrom-Eingangsspannung mit besonders wenigen Bauelementen in zwei unterschiedliche Gleichstrom-Ausgangsspannungen umwandeln. Wenn die beiden Ausgangspannungen zusammen geschaltet werden kann man auch die Eingangsspannung abgreifen, so dass die Anordnung insgesamt drei Ausgangspannungen bereitstellen kann. Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Ausgang und der zweite Ausgang in Serie geschaltet sind.This arrangement allows a direct current input voltage to be converted into two different direct current output voltages using very few components. If the two output voltages are connected together, the input voltage can also be tapped so that the arrangement can provide a total of three output voltages. For this purpose, it is preferably provided that the first output and the second output are connected in series.
Vorzugsweise sind das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Diese sind besonders gut für den Einsatz geeignet da, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) eine Beschränkung bei der Schaltfrequenz (höhere Schaltfrequenzen sind mit IGBTs nicht möglich) haben. Normalerweise können IGBTs 20 bis 40 kHz Schaltfrequenz unterstützen, MOSFETs jedoch bis zu 1 MHz. Außerdem haben IGBTs eine lange Ausschaltzeit. Im Vergleich zu MOSFETs sind IGBTs nur begrenzt in der Lage, hohe Rückwärtsspannungen zu blockieren. Im vorgeschlagenen Wandler ist die Verwendung eines IGBT nicht möglich, da im Versuchsmodell die Abschaltzeit des IGBT hoch ist und beim Wechsel zwischen den Boost- und Buck-Boost-Modi hohe Spannungsspitzen auftreten können. Durch den Einsatz eines MOSFET mit geringer Abschaltzeit werden die Spannungsspitzen reduziert und der Wandler funktioniert ordnungsgemäß.Preferably, the first switching element and the second switching element are metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs). These are particularly well suited for use because insulated gate bipolar transistors (IGBTs) have a limitation in switching frequency (higher switching frequencies are not possible with IGBTs). Typically, IGBTs can support 20 to 40 kHz switching frequency, but MOSFETs can support up to 1 MHz. In addition, IGBTs have a long turn-off time. Compared to MOSFETs, IGBTs have limited ability to block high reverse voltages. In the proposed converter, the use of an IGBT is not possible because in the experimental model the turn-off time of the IGBT is high and high voltage spikes can occur when switching between boost and buck-boost modes. By using a MOSFET with a short turn-off time, the voltage spikes are reduced and the converter functions properly.
Vorzugsweise umfasst die Induktionsspule eine Induktivität von 100 µH bis 1000 µH.Preferably, the induction coil comprises an inductance of 100 µH to 1000 µH.
Die weiter unten erörterten Formeln zeigen, dass die Induktivität eines Abwärts-/Aufwärtswandlers größer ist als die eines Aufwärtswandlers. Hier wird ein Abwärts-/Aufwärtswandler mit einem Aufwärtswandler kombiniert, und sie teilen sich eine Induktivität für die beiden Betriebsarten Abwärts-/Aufwärtswandler und Aufwärtswandler. In diesem Fall, wenn eine Induktivität für die kombinierte Form von Boost- und Buck-Boost-Wandler gewählt werden muss, ist die Buck-Boost-Induktivität mit einem größeren Wert die richtige. Die Stromwelligkeit könnte im gewünschten Bereich liegen, wenn die richtige Induktivität verwendet wird. Je nach Anwendung des Wandlers kann die Größe der Induktivität variieren. Die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung, die hohe Schaltfrequenz der Schalter und der Time-Sharing-Faktor beeinflussen den Größenbereich der Induktivität in dem vorgeschlagenen Wandler.The formulas discussed below show that the inductance of a buck-boost converter is larger than that of a boost converter. Here, a buck-boost converter is combined with a boost converter and they share one inductance for both the modes of operation buck-boost converter and boost converter. In this case, if an inductance has to be chosen for the combined form of boost and buck-boost converter, the buck-boost inductance with a larger value is the right one. The current ripple could be in the desired range if the right inductance is used. Depending on the application of the converter, the size of the inductance may vary. The input voltage, output voltage, high switching frequency of the switches and the time sharing factor affect the size range of the inductance in the proposed converter.
Gemäß der Erfindung sind umfasst die Induktionsspule noch bevorzugter eine Induktivität von 300 µH bis 500 µH, und noch bevorzugter umfasst die Induktionsspule eine Induktivität von 400 µH.According to the invention, more preferably the induction coil comprises an inductance of 300 µH to 500 µH, and even more preferably the induction coil comprises an inductance of 400 µH.
Vorzugsweise ist im zweiten Schaltkreis zwischen der ersten Diode und dem Eingang ein erster Ausgangkondensator in Serie angeordnet, und vorzugsweise ist im dritten Schaltkreis zwischen dem zweiten Schaltelement und der zweiten Diode ein zweiter Ausgangskondensator in Serie angeordnet. Bei Aufwärts- und Abwärtswandlern wird der Kondensator zur Glättung der Ausgangsspannung verwendet, indem er eventuelle Welligkeiten in der Spannungswellenform herausfiltert. Der Kondensator ist parallel zur Last geschaltet und speichert elektrische Ladung, die dann bei Bedarf über die Last entladen wird, um eine gleichmäßige und stabile Ausgangsspannung zu gewährleisten. Der Kondensator trägt dazu bei, Rauschen und Schwankungen in der Ausgangsspannung zu verringern, was die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung verbessern kann. Die Größe des Kondensators bestimmt das Ausmaß der Ausgangsspannungswelligkeit. Vorzugsweise ist der erste Ausgangskondensator zwischen einer Kathode der ersten Diode und der negativen Polarität des Eingangs angeschlossen. Vorzugsweise ist der zweite Ausgangkondensator zwischen einer Quelle des zweiten Schaltelements und einer Anode der zweiten Diode angeordnet. Vorzugsweise ist die negative Polarität des Eingangs an einer positiven Polarität des zweiten Ausgangkondensator angeschlossen.Preferably, in the second circuit, a first output capacitor is arranged in series between the first diode and the input, and preferably in the third circuit, a second output capacitor is arranged in series between the second switching element and the second diode. In boost and buck converters, the capacitor is used to smooth the output voltage by filtering out any ripples in the voltage waveform. The capacitor is connected in parallel with the load and stores electrical charge which is then discharged across the load when required to ensure a smooth and stable output voltage. The capacitor helps reduce noise and fluctuations in the output voltage, which can improve the performance and reliability of the circuit. The size of the capacitor determines the amount of output voltage ripple. Preferably, the first output capacitor is connected between a cathode of the first diode and the negative polarity of the input. Preferably, the second output capacitor is arranged between a source of the second switching element and an anode of the second diode. Preferably, the negative polarity of the input is connected to a positive polarity of the second output capacitor.
Vorzugsweise ist ein Eingangskondensator parallel zum Eingang angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass es das Eingangsrauschen filtert und die Eingangsspannung stabilisiert.Preferably, an input capacitor is arranged in parallel to the input. This has the advantage that it filters the input noise and stabilizes the input voltage.
Vorzugsweise umfasst die Gleichstrom-Umwandleranordnung nicht mehr als zwei Schaltelemente, nicht mehr als zwei Dioden und nicht mehr als eine Induktionsspule. Induktionsspulen nehmen großen Platz ein. Bei der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Umwandleranordnung wird Platz gespart, da die Anordnung die Funktionen von einer SISO-Aufwärtswandler und SISO-Inverswandler hat, jedoch mit weniger Bauteilen.Preferably, the DC-DC converter arrangement comprises no more than two switching elements, no more than two diodes and no more than one induction coil. Induction coils take up a lot of space. In the DC-DC converter arrangement according to the invention, space is saved because the arrangement has the functions of a SISO boost converter and a SISO inversion converter, but with fewer components.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von elektrischer Energie, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Gleichstrom-Umwandleranordnung nach einem Aspekt der Erdfindung, Schalten des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements in den geschlossenen Zustand, hierbei fließt elektrische Energie durch den ersten Schaltkreis um den die Induktionsspule zu magnetisieren, Schalten des ersten Schaltelements in den geschlossenen Zustand und Schalten des zweiten Schaltelements in den offenen Zustand, hierbei fließt elektrische Energie durch den zweiten Schaltkreis um am ersten Ausgang die erste Spannung bereitzustellen, Schalten des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements in den geschlossenen Zustand, hierbei fließt elektrische Energie durch den ersten Schaltkreis um den die Induktionsspule zu magnetisieren, und Schalten des ersten Schaltelements in den offenen Zustand und Schalten des zweiten Schaltelements in den geschlossenen Zustand, hierbei fließt elektrische Energie durch den dritten Schaltkreis um am zweiten Ausgang die zweite Spannung bereitzustellen.Another aspect of the invention relates to a method for converting electrical energy, comprising the following steps: providing a DC converter arrangement according to one aspect of the invention, switching the first switching element and the second switching element to the closed state, here electrical energy flows through the first circuit to magnetize the induction coil, switching the first switching element to the closed state and switching the second switching element to the open state, here electrical energy flows through the second circuit to provide the first voltage at the first output, switching the first switching element and the second switching element to the closed state, here electrical energy flows through the first circuit to magnetize the induction coil, and switching the first switching element to the open state and switching the second switching element to the closed state, here electrical energy flows through the third circuit to provide the second voltage at the second output.
Vorzugsweise fließt elektrische Energie durch den ersten Schaltkreis für eine erste Zeitperiode oder eine erste Schaltzeit (t0 bis t1 in
Vorzugsweise wird das Schalten des ersten Schaltelements in den geschlossenen Zustand und das Schalten des zweiten Schaltelements in den offenen Zustand erst ausgeführt, wenn für eine erste Periode oder eine erste Schaltzeit elektrische Energie durch den ersten Schaltkreis geflossen ist.Preferably, the switching of the first switching element into the closed state and the switching of the second switching element into the open state are only carried out when electrical energy has flowed through the first circuit for a first period or a first switching time.
Vorzugsweise fließt elektrische Energie durch den zweiten Schaltkreis für eine zweite Zeitperiode oder eine zweite Schaltzeit (t1 bis t2 in
Vorzugsweise wird das Schalten des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements in den geschlossenen Zustand erst ausgeführt, wenn für eine zweite Periode oder eine zweite Schaltzeit elektrische Energie durch den zweiten Schaltkreis geflossen ist.Preferably, the switching of the first switching element and the second switching element into the closed state is only carried out when electrical energy has flowed through the second circuit for a second period or a second switching time.
Vorzugsweise fließt elektrische Energie durch den ersten Schaltkreis für eine dritte Zeitperiode oder eine dritte Schaltzeit (t3 bis t4 in
Vorzugsweise wird das Schalten des ersten Schaltelements in den offenen Zustand und das Schalten des zweiten Schaltelements in den geschlossenen Zustand erst ausgeführt wird, wenn für eine dritte Periode oder eine dritte Schaltzeit elektrische Energie durch den ersten Schaltkreis geflossen ist.Preferably, the switching of the first switching element to the open state and the switching of the second switching element to the closed state are only carried out when electrical energy has flowed through the first circuit for a third period or a third switching time.
Vorzugsweise fließt elektrische Energie durch den dritten Schaltkreis für eine vierte Zeitperiode oder eine vierte Schaltzeit (t4 bis t5 in
Ein Welligkeitsstrom bestimmt nicht die Schaltzeit und die Arbeitszyklen, sondern die Schaltzeit und die Arbeitszyklen bestimmen die Stromwelligkeit. Das Schalten des zweiten Schaltelements erfolgt also nicht, weil der Induktorstrom einen bestimmten Wert erreicht. Es wird aufgrund des vordefinierten Timings der Schaltelemente ausgeführt, und dieses Timing (Tastverhältnis der Schaltelemente und die Zeit des Hochfrequenzschaltens (TSW)) bestimmt dann das Minimum und Maximum des Induktionsstroms.A ripple current does not determine the switching time and the duty cycles, but the switching time and the duty cycles determine the current ripple. The switching of the second switching element does not occur because the inductor current reaches a certain value. It is carried out due to the predefined timing of the switching elements, and this timing (duty cycle of the switching elements and the time of high frequency switching (TSW)) then determines the minimum and maximum of the induction current.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Gleichstrom-Umwandleranordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung.A further aspect of the invention relates to a use of a DC converter arrangement according to an aspect of the invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung durchzuführen.A further aspect of the invention relates to a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method according to an aspect of the invention.
Die Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The embodiments and aspects of the invention can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in individual cases.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1a Ein konventioneller SISO-Aufwärtswandler (engl. SISO boost converter), -
1b ein konventioneller SISO-Inverswandler (engl. SISO buck-boost converter), -
2 eine Ausführungsform der Gleichstrom-Umwandleranordnung gemäß der Erfindung, -
3a bis 3d dieAusführungsform aus 2 , wobei erfindungsgemäße Betriebsarten dargestellt sind, -
4a eine schematische Darstellung von Simulationsergebnissen einer Simulation einer Gleichstrom-Umwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während des Betriebs als Aufwärtswandler, -
4b eine schematische Darstellung von Simulationsergebnissen einer Simulation einer Gleichstrom-Umwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während des Betriebs als Inverswandler, -
5 eine Verwendung einer Gleichstrom-Umwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Niederspannungs-Gleichstromverteilungssystem, -
6 eine Verwendung einer Gleichstrom-Umwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem zweistufigen netzgekoppelten DC-AC- Photovoltaik-Umwandlungssystem mit 3L-NPC.
-
1a A conventional SISO boost converter, -
1b a conventional SISO buck-boost converter, -
2 an embodiment of the DC converter arrangement according to the invention, -
3a to 3d the embodiment of2 , wherein operating modes according to the invention are shown, -
4a a schematic representation of simulation results of a simulation of a DC converter arrangement according to an embodiment of the invention during operation as a boost converter, -
4b a schematic representation of simulation results of a simulation of a DC converter arrangement according to an embodiment of the invention during operation as an inverse converter, -
5 a use of a DC converter arrangement according to an embodiment of the invention in a low-voltage DC distribution system, -
6 a use of a DC-DC converter arrangement according to an embodiment of the invention in a two-stage grid-connected DC-AC photovoltaic conversion system with 3L-NPC.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Bei dieser Ausführungsform wird eine einzelne Induktivität L von einem Boost- und einem Buck-Boost-Wandler gemeinsam genutzt, um die Eingangsenergie zu übertragen und die beiden Ausgangskondensatoren C1 und C2 der der erfindungsgemäßen Anordnung zu laden. Ein Zeitmultiplex-Steuerungsverfahren wird verwendet, um die Boost- und Buck-Boost-Betriebsarten festzulegen. Hierbei sind die Schalter als MOSFETs dargestellt. In diesem Beispiel hat die Spule L eine Induktivität von 400 µH.In this embodiment, a single inductor L is shared by a boost and a buck-boost converter to transfer the input energy and charge the two output capacitors C1 and C2 of the inventive arrangement. A time-division multiplexing control method is used to determine the boost and buck-boost modes. Here, the switches are shown as MOSFETs. In this example, the coil L has an inductance of 400 µH.
In
Dementsprechend sind die Betriebszustände wie folgt definiert:
- Gemäß
3a und3b : Boost-Betrieb (t0 < t < T/2):- In
3a : erster Zustand, EIN-Zustand, [t0 - t1]: Das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 sind eingeschaltet, und die Energie der Eingangsspannungsquelle Vin beginnt, die Induktionsspule L zu magnetisieren. Der Induktionsstrom steigt linear von seinem Minimalwert ILmin1 auf den Maximalwert ILmax1. Die Dioden D1 und D2 sind in diesem Zustand AUS.
- In
- According to
3a and3b : Boost mode (t0 < t < T/2):- In
3a : first state, ON state, [t0 - t1]: The first switching element S1 and the second switching element S2 are turned on, and the energy of the input voltage source V in starts to magnetize the induction coil L. The induction current increases linearly from its minimum value ILmin1 to the maximum value ILmax1. The diodes D1 and D2 are OFF in this state.
- In
In
Gemäß
- In
3c : dritter Zustand, EIN-Zustand, [t3 - t4]: Das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 sind eingeschaltet, und die beiden Dioden D1 und D2 sind ausgeschaltet. Die Energie der Eingangsquelle Vin magnetisiert die Induktionsspule L. In diesem Fall steigt der Induktionsstrom von ILmin2 auf ILmax2.
- In
3c : third state, ON state, [t3 - t4]: The first switching element S1 and the second switching element S2 are on, and the two diodes D1 and D2 are off. The energy of the input source V in magnetizes the induction coil L. In this case, the induction current increases from ILmin2 to ILmax2.
In
Die Spannungsverstärkung der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Umwandleranordnung 10 während des CCM-Betriebs ist die Summe der Spannungsverstärkung während des Boost-M1 und des Buck-Boost-Modus M2. Dementsprechend können M1 und M2 wie folgt ausgedrückt werden:
Dabei sind VO1 und VO2 die Spannungen an den Ausgangskondensatoren C1 und C2, Vin ist die Eingangsgleichspannung, und d1 und d2 sind die Schaltzyklen der Schaltelemente S1 und S2. Die gesamte Ausgangsspannungsverstärkung M der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Umwandleranordnung 10 lässt sich daher aus (3) ableiten.
Die Restwelligkeit des Stroms für den EIN- und AUS-Zustand jedes Modus kann wie folgt ausgedrückt werden:
Die Induktivität L spielt eine wichtige Rolle für die Leistung der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Umwandleranordnung 10. Aus (4) und (5) lässt sich ableiten, dass Stromänderungen ein umgekehrtes Verhältnis zur Induktivität L haben. Mit anderen Worten: Durch die Wahl einer geeigneten Induktivität L kann der Ripplestrom auf den gewünschten Wert begrenzt werden. Aus (4), (5) und (6) lässt sich die Induktivität L des Umrichters also wie folgt berechnen:
Um die Sättigung der Induktivität L zu vermeiden, eignet sich die Buck-Boost-Induktivität sowohl für den Boost- als auch für den Buck-Boost-Modus der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Umwandleranordnung 10.In order to avoid saturation of the inductance L, the buck-boost inductance is suitable for both the boost and buck-boost modes of the
In einer optionalen Ausführungsform ist eine Bedingung für den Ausgleich der Zwischenkreisspannung, dass beide Ausgangspannungen gleich sein müssen (VO1=VO2). In dieser Hinsicht müssen der Boost- M1 und der Buck-Boost-Modus M2 während des Spannungsausgleichs gleich sein. Diese Formeln sind für den vorgeschlagenen Wandler in der vorliegenden Erfindung angegeben. In diesem Fall ist der Time-Sharing-Faktor (TSF) groß genug, damit die Aufwärts- und Abwärtswandler im kombinierten Schema getrennt arbeiten können. Die Induktivität ist kleiner als 1000 µH. Für den Stand der Technik ist die folgende Formel nicht korrekt. Eine große Induktivität und ein kleiner TSF können den Betrieb und die Formel des vorgeschlagenen Wandlers verändern.In an optional embodiment, a condition for balancing the DC link voltage is that both output voltages must be equal (V O1 =V O2 ). In this respect, the boost M1 and the buck-boost mode M2 must be equal during voltage balancing. These formulas are given for the proposed converter in the present invention. In this case, the time sharing factor (TSF) is large enough to allow the boost and buck converters to operate separately in the combined scheme. The inductance is less than 1000 µH. For the prior art, the following formula is not correct. A large inductance and a small TSF can change the operation and formula of the proposed converter.
Die Beziehung zwischen den Arbeitszyklen des Boost- und des Buck-Boost-Modus kann daher wie folgt beschrieben werden:
Da die DC-Zwischenkreis-Ausgangskondensatoren in zwei unabhängigen Betriebsarten getrennt geladen werden, kann der Spannungsausgleich auch bei unsymmetrischen Ausgangslasten gewährleistet werden. Ausgangslasten bedeuten, dass der erste Widerstand R1 nicht gleich dem zweiten Widerstand R2 ist. Aber die erste Ausgangsspannung V01 ist gleich der zweiten Ausgangsspannung V02, wenn die genannten Schaltzyklen d1 und d2 der Schaltelemente S1 und S2 angelegt werden.Since the DC link output capacitors are charged separately in two independent operating modes, voltage balancing can be ensured even with asymmetrical output loads. Output loads mean that the first resistor R1 is not equal to the second resistor R2. But the first output voltage V01 is equal to the second output voltage V02 when the mentioned switching cycles d1 and d2 of the switching elements S1 and S2 are applied.
Der DCM-Betrieb erfolgt, wenn der Induktionsstrom während eines Schaltzyklus auf Null fällt.DCM operation occurs when the induced current drops to zero during a switching cycle.
In diesem Fall können die Ausgangsspannungsverstärkungen (M1 und M2) der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Umwandleranordnung 10 während der beiden Betriebsarten wie folgt definiert werden:
In
Eine Eingangs-Gleichspannungsquelle liefert den erforderlichen Eingang für die gesamte Schaltung. Der DC/DC-Wandler 10 wandelt den Gleichspannungspegel des Eingangs in einen anderen erforderlichen Spannungspegel an seinen Ausgängen um. Die Ausgänge des DC/DC-Wandlers 10 speisen die DC-Busleitungen. Die DC-Bus-Leitungen liefern die erforderliche Spannung für verschiedene Verwendungszwecke, z. B. zum Aufladen der Batterien von Elektrofahrzeugen, Laptops, Mobiltelefonen und zur Versorgung des Eingangs von DC/AC-Wechselrichtern.An input DC voltage source provides the required input for the entire circuit. The DC/
In
Das erste Element von links in Figure 6 ist die Eingangs-Gleichspannungsquelle VPV aus erneuerbaren Energiequellen, die den erforderlichen Eingang für die gesamten Elemente liefert. Ein Eingangskondensator Cin, der die Welligkeit der Eingangsspannung filtert und zur Stabilisierung der Eingangsspannung beiträgt. Der DC/DC-Wandler 10 (SI-SIDO) wandelt den Eingangsspannungspegel in die erforderlichen Spannungspegel an den Ausgängen um. C1 und C2 sind die Ausgangskondensatoren, die die Spannungswelligkeit filtern und eine konstante Gleichspannung an den Ausgängen liefern. 3L-NPC ist ein DC/AC-Wechselrichter, der die Wechselspannung entsprechend den Anforderungen der Netzspannung liefert. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters wird nach Durchlaufen des Filters (L) in eine reine Sinuswellenform umgewandelt. Zg ist die Impedanz des Netzes und Vg ist die Netzspannung.The first element from the left in Figure 6 is the input DC voltage source VPV from renewable energy sources, which provides the required input for the entire elements. An input capacitor C in , which filters the input voltage ripple and helps to stabilize the input voltage. The DC/DC converter 10 (SI-SIDO) converts the input voltage level to the required voltage levels at the outputs. C1 and C2 are the output capacitors, which filter the voltage ripple and provide a constant DC voltage at the outputs. 3L-NPC is a DC/AC inverter, which provides the AC voltage according to the requirements of the grid voltage. The output voltage of the inverter is converted to a pure sine waveform after passing through the filter (L). Zg is the impedance of the grid and Vg is the grid voltage.
Claims (10)
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