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S3L-Inverter

leistungselektronischer Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad für den Einsatz insbesondere bei Drehstromantrieben

Der S3L-Inverter (Abkürzung für englisch Soft Switching Three Level Inverter) ist ein leistungselektronischer Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad für den Einsatz insbesondere bei Drehstromantrieben, als Netzeinspeise-Wechselrichter in Photovoltaik- oder Windkraftanlagen und bei Stromversorgungen. Das Schaltungskonzept wurde 2009 an der HTWG Konstanz entwickelt.

Funktionsweise

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Prinzipschaltbild des S3L-Inverters. Das Entlastungsnetzwerk ist grau unterlegt.

Wechselrichter dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung. Meist sind sie unter Verwendung von Leistungstransistoren und Dioden aufgebaut. Diese werden als elektronische Schalter betrieben. In der üblichen Ausführung mit „harten“ Schaltvorgängen entstehen dabei Schaltverluste[1], die insbesondere bei hohen Werten der Schaltfrequenz den Wirkungsgrad reduzieren. Zur Verbesserung wird bei Wechselrichtern höherer Leistung (ab ca. 10 kW) häufig die sog. 3-Stufen-Ausführung (three level inverter) eingesetzt[2].

Der S3L-Inverter geht von einem solchen hart schaltenden 3-Stufen-Inverter in T-Type-Ausführung[3] aus. Diesem wird ein aus wenigen passiven Bauteilen bestehendes Entlastungsnetzwerk hinzugefügt[4]. Es verhindert, dass während der Schaltvorgänge gleichzeitig hohe Werte von Spannung und Strom und somit hohe Werte der Verlustleistung auftreten. Dadurch laufen sämtliche Schaltvorgänge „weich“ ab. Somit werden Schaltverluste weitgehend vermieden. Da zudem das Entlastungsnetzwerk ohne prinzipbedingte Verluste arbeitet, weist der Wirkungsgrad des Wechselrichters auch bei hohen Werten der Schaltfrequenz gute Werte auf[5].

Eine Variante des S3L Inverters wird als SS3L Inverter (Abkürzung für englisch Super Soft Switching Three Level Inverter) bezeichnet. Sie zeichnet sich durch besonders günstige Eigenschaften bzgl. der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) aus[6][7]. Dies wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass Einschaltvorgänge der Leistungstransistoren über deren Ansteuerung verlangsamt werden[8][9]. Der hohe Wirkungsgrad und die sonstigen Eigenschaften der S3L Inverter Ausführung werden nicht beeinflusst[10].

Der S3L-Inverter ist patentrechtlich geschützt[11][12].

Quellen

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  1. ↑ Peter R. W. Martin (Hrsg.): Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5, Abschnitt 1.2.3 Qualitatives Schaltverhalten von MOSFET und IGBT beim harten Schalten (semikron.com [PDF]).
  2. ↑ Akira Nabae, Isao Takahashi, Hirofumi Akagi: A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter. In: IEEE Transactions on Industry Applications. IA-17, Nr. 5, September 1981, S. 518–523, doi:10.1109/TIA.1981.4503992.
  3. ↑ M. Schweizer, J. W. Kolar: High efficiency drive system with 3-level T-type inverter. In: Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2011). 2011, ISBN 978-90-75815-15-3, S. 1–10.
  4. ↑ M. W. Gekeler: Soft switching three level inverter with passive snubber circuit (S3L inverter). In: Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2011). 2011, ISBN 978-90-75815-15-3, S. 1–10.
  5. ↑ M. W. Gekeler: Weich schaltender 3-Stufen-Pulswechselrichter mit verlustfreiem Entlastungsnetzwerk. In: Internationaler ETG-Kongress 2011 (ETG-Fachbericht 130 Teil B). 2011, ISBN 978-3-8007-3376-7, S. 264–270.
  6. ↑ Manfred W. Gekeler; Stefan Schreitmüller; Gunter Voigt: Comparison of the EMC and efficiency characteristics of hard and soft switching three-level inverters. In: PCIM Europe 2016 Conference (International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion and Power Quality), 10. -12. May 2016. Nürnberg 2016, ISBN 978-3-8007-4186-1, S. 136 – 143.
  7. ↑ Manfred W. Gekeler: EMV- und Effizienzvergleich von hart und weich schaltenden 3 Stufen – Pulswechselrichtern. In: emv Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Düsseldorf, 23.-25.02.2016. Apprimus Verlag, Aachen 2016, ISBN 978-3-86359-396-4, S. 214 - 227.
  8. ↑ Manfred W. Gekeler: Soft Switching Three Level Inverter (S3L Inverter). In: Proceedings of the European Conference of Power Electronics and Applications (EPE 2013). 2013, ISBN 978-90-75815-17-7.
  9. ↑ Manfred W. Gekeler: 一种达到最高效率的新型软切换 三电平逆变器拓扑结构 A Novel Topology of Soft Switching Three-level Inverters for Highest Efficiency Rates. In: Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering (PCSEE). Band 33, Nr. 21, Juli 2013, S. 1–8.
  10. ↑ Manfred W. Gekeler: Optimierte PWM-Steuerung für Soft Switching Three Level Inverter (S3L Inverter). In: Internationaler VDE ETG-Kongress November 2013. 2013, ISBN 978-3-8007-3550-1.
  11. ↑ 3-Stufen-Pulswechselrichter mit Entlastungsnetzwerk. Deutsche Patentschrift DE 10 2010 008 426 B4; Anmeldetag: 18. Februar 2010; Offenlegungstag: 18. August 2011; Veröffentlichungstag der Patenterteilung: 1. September 2011; Patentinhaber: Hochschule Konstanz, 78462, Konstanz, DE; Erfinder: Gekeler, Manfred W., 78464, Konstanz, DE.
  12. ↑ Patentfamilie: CA 2 789 937 C, CN 102804570 B, DE 10 2010 008 426 B4, EP 2 537 239 B1, JP 5395280 B2, KR 10-1366393 B1, US 8,462,524 B2
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