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S3L-Inverter: Schaltverlustfreier 3-Stufen-Pulswechselrichter mit Entlastungsschaltung

Kurzfassung

Der neue 3-Stufen-Pulswechselrichter S3L-Inverter (Soft Switching Three Level Inverter) ist von bestechender Einfachheit und damit kostengünstig. Er arbeitet prinzipbedingt verlustfrei, weist somit höchste Wirkungsgrade auf, wird auf einfache Weise gesteuert, hat EMV-freundliche inhärente di/dt- und du/dt-Begrenzungen und kann mit preisgünstigen Standard-Halbleitern aufgebaut werden. Anwendungsgebiete sind: elektrische Antriebe, Solarwechselrichter, Windkraftwechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Hintergrund

Für Pulswechselrichter (PWM Inverter) werden in vielen Fällen immer höhere Schaltfrequenzen und gleichzeitig gesteigerte Effizienz gefordert. Beispiele sind elektrische Antriebe für verschiedene Anwendungen, u.a. als ultraleichte und hochdrehende Antriebe in der Luftfahrt und bei Hybridautomobilen, aber auch Solar- oder Windkraftwechselrichter sowie unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Problemstellung

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind neuartige Schaltungstopologien erforderlich. Ein bekannter Ansatz sind Multi-Level-Inverter, die heute zum Stand der Technik gehören. Ein weiterer Ansatz ist die Soft-Switching-Technik, die in vielen Formen als resonante, quasi-resonante oder passiv entlastete Varianten Schaltverluste zu vermeiden sucht und damit zu höheren Schaltfrequenzen und verbesserter Effizienz führt.

Lösung

Am Labor für Leistungselektronik der HTWG Konstanz gelang es nun, diese beiden Ansätze in einer konkurrenzlos einfachen Weise miteinander zu verbinden.
Der neue Soft Switching Three Level Inverter (S3L-Inverter) ist von bestechender Einfachheit und somit geringen Kosten. Er arbeitet prinzipbedingt verlustfrei, weist somit höchste Wirkungsgrade auf, wird auf einfache Weise gesteuert, hat EMV-freundliche inhärente di/dt- und du/dt-Begrenzungen und kann mit preisgünstigen Standard-Halbleitern aufgebaut werden.

Prinzipschaltbild des S3L-Inverters.
Prinzipschaltbild des S3L-Inverters.
Dreiphasiger Prototyp: 20 kVA, bis 1000 V_DC, 29 A_rms, Schaltfrequenz 18-32 kHz.

Vorteile

  • prinzipbedingt schaltverlustfrei / somit höchste Effizienz (ein- oder dreiphasig), dadurch niedrige Erwärmung, kleine Kühlkörper und Lüfter
  • sehr hohe Schaltfrequenzen möglichkleinere, leichtere Glättungsdrosseln und Kondensatoren
  • sehr gutes EMV-Verhalten
  • di/dt- sowie du/dt-Begrenzungen / „integrierter du/dt-Filter“
  • preisgünstige Standard-Halbleiter / IGBT, GTO, IGCT

Anwendungsbereiche

  • Elektrische Antriebe
  • Solarwechselrichter
  • Windkraftwechselrichter
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgungen
  • HGÜ
Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Emmerich Somlo
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
somlo(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Prototyp / TRL5
Patentsituation
CA 2789937C erteilt
CN 102804570B erteilt
DE 102010008426B4 erteilt
EP 2537239B1 erteilt,
FR, GB, CH validiert
JP 2012-5395280 erteilt
KR 10-1366393 erteilt
US 8462524B2 erteilt
IN anhängig
Referenznummer
09/113TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.