CN103023365A - 用于多电平发生器的开关优化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生对于多电平发生器（1）的控制信号（60至64）的方法（84），所述多电平发生器具有多个可互相独立接通的单元（24至28），这些单元分别设置为用于根据各自的控制信号（60至64）来输出单元电压（44至48），其中，所述单元（24至28）的控制信号（60至64）总共产生多电平量化的参考信号（58）。说给出的方法包括：这样来拆分多级量化的参考信号（58），使得不同单元（24至28）的至少两个控制信号（60至64）在预定的时间段（82）中对量化的参考信号（58）的一个量化级别（73，74）提供份额。

Description

用于多电平发生器的开关优化

技术领域

本发明涉及用于产生对于多电平发生器的控制信号（Ansteuersignalen）的方法、装置、电路和X射线设备。

背景技术

多电平发生器例如从Leon M.Tolbert等人的“Charge Balance ControlSchemes for Cascade Multilevel Converter in Hybrid Electric Vehicles“,IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,Vol.49,No.5,OCTOBER2002,第1058至1064页的文献中公知。在此，是如在多电平H桥式变换器中应用的级联式能量源，其基于量化的参考信号可以产生高的输出电压。每个多电平发生器具有能量输出单元，以下称为单元（Zelle），如以电池或电容器形式的能量存储单元。在所谓的有效阶段期间选择多个单元并且作为串联电路施加到级联式能量变换器的输出端，以便产生确定的依赖于量化的参考信号的电压水平。通过在有效阶段期间向或从串联电路接入和/或断开单元，可以利用输出电压来模拟量化的参考信号的形状。在有效阶段之外用于下一个有效阶段的单元又可以被充上能量。替换地，还可以在有效阶段期间取决于拓扑对各个单元充电。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，改进公知的多电平发生器的控制。

本发明建议，对于多电平发生器的各个单元来说必要的控制信号这样来产生，使得不同单元的至少两个控制信号在预定的时间段中向上面提到的量化的参考信号的一个量化级别（Quantisierungsstufen）提供份额，从而各个单元的用于产生输出电压的电能输出互相协调。

本发明基于如下思路：在公知的多电平发生器中在有效阶段期间每个单元设置为基于量化的参考信号来产生输出信号的确定的量化级别。这一点的缺陷是，为产生较低的量化级别而采用的单元比用于输出电压的更高量化级别的单元的负载更大。如果输出电压和由此还有量化的参考信号具有量化的正弦形状，则来自于对最大量化级别提供份额的单元的电能量流比来自于对最低的量化级别提供份额的单元的电能量流远远更小。但是以这种方式，单元的负载强度不同，这导致，对在输出信号中较低量化级别提供份额的单元比对输出信号中更高量化级别提供份额的单元更早地显示出故障迹象。

为了能够避免该故障迹象，可以不同牢固地设计各个单元，但是这特别会导致制造技术上的高成本，因为对于多电平发生器中的每个单元要采用一个特殊的制造方法。多电平发生器的构造也受到一定限制，因为各个单元的串联电路不可任意扩展。

相反，本发明基于如下思路：通过合适产生各个单元的控制信号来产生在单元间的负载平衡。如上所述，这通过如下进行：这样选择单元的各个控制信号，使得至少两个控制信号对量化的参考信号中的单个量化级别提供份额，从而多电平发生器的至少两个单元的单元电压对多电平发生器的量化的输出电压的单个量化级别提供份额。以这种方式例如可以缩短单元的通常对较低量化级别提供份额的接通持续时间并且相应延长单元的通常对较高量化级别提供份额的接通持续时间。替换地或附加地，还可以缩短单元的通常对较低量化级别提供份额的开关过程数量并且相应提高单元的通常对较高量化级别提供份额的开关过程数量。

因此，本发明给出一种用于产生对于多电平发生器的控制信号的方法，其中多电平发生器具有多个可互相独立接通的能量输出单元，以下称为单元，其分别设置为用于根据各自的控制信号来输出单元电压。单元的控制信号总共产生多电平量化的参考信号。给出的方法包括这样来拆分多级量化的参考信号，使得不同单元的至少两个控制信号在预定的时间段中对量化的参考信号的一个量化级别提供份额。

单元可以是适合于输出电能的任意电气装置。作为合适的单元例如与如下的蓄电池单元同样地考察如在修改的马克思发生器（Marx-Generator）中采用的可互相独立控制的电容器单元：例如在混合动力汽车中采用的用于电机的电能供应的多电平变流器，其中多电平变流器与汽车中的能量循环装置一起形成多电平发生器。在任何情况下通过给出的方法产生的控制信号允许各个单元的电能输出在输出电压的产生期间与多电平发生器协调。

按照本发明的扩展，量化的参考信号从一定数量的周期性子信号综合而成，所述子信号小于或等于所述单元的数量。可以以任意方式产生周期性子信号。子信号可以直接由微控制器在提到的条件下提供，使得其总和得出量化的参考信号。替换地，量化的参考信号的模拟版本可以借助斜坡信号来脉宽调制，其中斜坡信号的数量相应于使用的单元的数量并且各个斜坡信号互相以偏置，特别是均匀地位移。技术上来看，各个子信号代表量化的参考信号中量化级别的信号走向并且由此代表多电平发生器的输出电压中的量化级别的电压走向。

按照本发明的构造，参考信号和子信号是周期性的，并且给出的方法还包括如下步骤：将周期性子信号在量化的参考信号的每个周期中分布到控制信号，其中确定的时间段是参考信号的周期时间的数倍。在给定的条件下，多于一个控制信号对量化级别必须提供份额，这意味着，在量化的参考信号的不同周期中各个单元的控制基于不同的子信号进行。在量化的参考信号的每个周期中周期性子信号分布到控制信号的优点是，不必匹配用于产生控制信号本身的控制或调节方法。

按照该实施方式的扩展，对于周期性子信号到控制信号的分布，在量化的参考信号的每个周期之后这样交换周期性子信号，使得在量化的参考信号的确定数量的周期之后（其相应于多电平发生器中使用的单元的数量），每个单元一次接通每个子信号并且由此接通在输出信号中的每个电压水平。由此在多电平发生器的保持相同的输出电压的情况下在多个有效阶段上平均地确保所有单元的相同负载。

按照该实施方式的附加扩展，周期性子信号可以这样分布到控制信号上，使得单元在量化的参考信号的两个周期上经受大约相同的负载，所述负载相应于所有单元的平均负载。

按照该实施方式的优选扩展，周期性子信号到控制信号的分布的顺序可以固定地确定。一方面可以事先一次确定在多电平发生器的已知的输出电压的情况下各个单元的负载并且持续地利用固定预先给出的方案执行量化的参考信号的拆分。该方案和由此的子信号到各个控制信号的对应的所需顺序例如可以存储在存储器逻辑中。借助该存储器逻辑，周期性子信号可以在量化的参考信号的每个周期之后通过相应交换而重新分布到各个控制信号。简化地，该方案还可以这样来构造，使得各个周期性子信号在量化的参考信号的每个周期之后也顺序交换并且分布到各个控制信号。这一点的结果是，每个单元的控制信号（前提条件是，量化的参考信号是周期性的）重复量化的参考信号的与单元数量相应的周期。

按照该实施方式的特别优选的扩展，可以确定对于每个单个周期性子信号的损耗。该损耗可以从每个开关过程的开关损耗和/或通过电流负担引起的损耗中，关于每个单元的接通持续时间根据每个单元的电压和/或在改变的负载情况下也根据负载来综合。开关损耗例如可以通过计数器来确定，该计数器对量化的参考信号的周期中单元的开关过程的数量进行计数，而通过电流负载的损耗例如可以通过在量化的参考信号的一个周期中对于每个单元的接通持续时间的时间测量来确定。利用算术方法可以基于这些损耗将周期性子信号这样分布到各个单元，使得所有单元的平均负载相同。在该算术方法中例如可以考虑，在半导体开关情况下通常开关损耗明显比通过电流负载引起的损耗（也称为导通损耗）要大。如果单元构造为电容器单元，如在马克思发生器中，在正常情况下在更高频率下在电容器中的损耗小于在有效的半导体中，由此一般仅需确定在半导体中的开关损耗并且由此不需要对开关持续时间进行时间测量。当例如使用电池作为单元或频率非常低时，情况是不同的。

在一种替换或附加的扩展中，该方法还可以包括以下步骤：这样将量化的参考信号拆分到控制信号，使得各个单元的控制时间在预定的时间段中是相同的。这一点的优点是，单元负载的按照本发明的协调无论参考电压是周期性的还是非周期性的都可以实现。预定的时间段可以选择为任意短或长。预定的时间段越长，则多电平发生器的各个单元的长期负载也越均匀。相反地，给出的方法利用更短的预定时间段，则其特征是更小的计算开销和由此存储开销。

通常多电平发生器的单元仅仅是中间存储器，其例如在马克思发生器中由电压源或在混合动力汽车中由能量循环装置在充电阶段期间吸收电能并且在有效阶段期间向耗电器输出该电能。替换地，可以按照另外的拓扑在有效阶段期间也对中间存储器再充电，使得根本不存在被动阶段或充电阶段。如果存在被动阶段，则特别有利的是，预定的时间段与有效阶段相同地确定。这导致，单元的负载在有效阶段内部变得协调，从而各个单元不仅在持续时间上负载相同，而且各个单元的峰值负载也下降。对于具有通过电容器形成的单元的多电平发生器，这一点还具有如下优点：通过放电而在各个单元上的电压降更小并且电容器的电容可以确定为对各个单元的每个有效阶段平均更小的接通持续时间。替换地，可以更小地构造电容并且由此成本低地实现，从而节省制造成本。通过开关损耗的分布还可以提高开关频率。

按照本发明的另一个扩展，给出的方法包括：确定在预定的时间段中子信号或量化的参考信号的正边沿或负边沿并且激活或解除激活属于具有最短或最长控制时间的控制信号。也就是说，当确定了子信号中的正边沿时，激活具有最短接通持续时间的单元的控制信号，并且当确定了子信号中的负边沿时，解除激活具有最长接通持续时间的单元。通过根据子信号的边沿来产生控制信号，基本上可以实现各个单元的相同的接通持续时间。各个单元的接通持续时间的长度优选可以通过记录来确定。以这种方式不需事先定义控制信号的产生。各个控制信号根据量化的参考信号的形状始终这样产生，使得来自于单元的电能量流和由此其单元电压作为对多电平发生器的输出电压的份额而被协调。控制信号中控制时间的协调特别地对于由电容器构成的单元导致在能量存储单元中通过寄生效应产生的导通损耗的优化，和主要在多电平变流器中各个单元互相的协调放电。

替换地或附加地，按照本发明的扩展，在预定的时间段中确定子信号的正边沿和负边沿并且激活或解除激活属于具有最少的开关过程的单元的控制信号。即，不管确定了正的还是负的边沿，始终激活或解除激活具有最少数量的开关过程的单元的控制信号。开关过程的数量例如可以通过每个单元的计数器来确定。通过考虑开关过程的数量，除了或替代导通损耗之外，在产生控制信号时还可以考虑开关损耗。

按照特别的扩展，在具有最少的开关过程的单元之前，首先确定具有最短或最长控制时间的单元。以这种方式优先考虑控制时间，这在导通损耗主导的单元情况下是有利的。此外，如果要更好地利用储存器的总容量，则这点是有利的。

在按照替换的扩展，在具有最短或最长控制时间的单元之前，首先确定具有最少的开关过程的单元。以这种方式优先考虑开关过程的数量。当所述单元作为电容器单元构造时并且经过半导体开关以高的频率接通时，这一点是有利的。以这种方式，电容器中的以及半导体开关中的导通损耗小于有效半导体中的开关损耗。

按照本发明的另一个构造，该方法包括步骤：在预定的时间段流逝之后复位开关过程的数量和/或每个单元的开关持续时间。这一点对于共同的多电平发生器来说是特别有利的，该多电平发生器在有效阶段之后将各个单元复位到共同的充电状态作为参考状态。在这些发生器中可以使用具有较少计数位的计数器。

按照本发明的另一种或替换的构造，两个单元的控制时间相同，如果其各自的控制时间位于预定的公差带内的话。如果两个单元在控制时间优先的情况下仅具有微小的接通持续时间区别然而在开关过程中的高区别，公差带允许进一步降低多电平发生器中的损耗。一般地可以通过公差带来缓和优先性。

以相同方式，可以将两个单元的开关过程设置为相同，如果其各自的开关过程位于预定的公差带内部的话。如果这两个单元具有几乎相同的开关过程数量但是在其接通持续时间中的大的区别，这一点导致相同效果。

按照本发明的附加或替换扩展，该方法包括：利用加权系数对控制时间或各个单元的开关过程数量加权。通过加权系数，例如可以按照在控制时刻其瞬时出现的负载来互相分析控制时间。

按照优选扩展，加权系数可以取决于输出电流、多电平变流器的输出电压和/或在控制时间采集的时刻各自的有效单元的电压。输出电压在此不必精确测量，而是也可以通过对各个有效单元的单元电压求和来计算出。加权系数以这种方式的形成，可以减小多电平发生器输出端上的非线性负载对判断哪些单元作为下一个对多电平发生器的输出电压提供份额的影响。

本发明还提供一种装置，其适合于执行给出的方法。该装置特别是具有存储器和处理器。在此该方法以计算机程序的形式存储在存储器中并且处理器构造为当计算机程序从存储器中加载到处理器时用于执行该方法。

本发明还给出一种电路，该电路包括具有可互相独立接通的单元的多电平变流器，所述单元分别设置为用于根据各自的控制信号来输出单元电压，和所提供的装置。

此外，本发明还提出一种X射线设备，其包括X射线源和为X射线源提供电能的电路。

附图说明

本发明的上述特征、特点和优点以及如何实现这些优点的方式结合以下对实施例的描述变得清楚和容易理解，结合附图详细描述所述实施例。其中，

图1示出基于马克思发生器的多电平发生器的电路图，

图2示出图1的多电平发生器在充电状态，

图3示出图1的多电平发生器在第一放电状态，

图4示出图1的多电平发生器在第二放电状态，

图5示出图1的多电平发生器在第三放电状态，

图6示出具有对于要由多电平发生器产生的输出电压的量化的参考信号的图，

图7示出具有对于多电平发生器的控制信号的例子的图，

图8示出具有对于多电平发生器的控制信号的另一个例子的图，

图9示出按照第二实施例用于产生对于多电平发生器的控制信号的方法的流程图，

图10示出利用按照图9的方法产生的控制信号的例子的图，并且，

图11示出利用按照图9的方法产生的控制信号的另一个例子的图。

具体实施方式

参考图1至5，所述图示出了多电平发生器1的电路图，所述多电平发生器具有多电平变流器2、电能源6和控制装置8。在图1至5中相同的附图标记表示相同的元件。多电平发生器2构造为马克思发生器。但是本发明可以应用于任意的多电平发生器中，诸如多电平H桥式发生器、飞跨电容型多电平发生器或二极管箝位型多电平发生器。

多电平变流器2以来自于电能源6的电能对电负载4供电。为此通过控制装置8控制多电平变流器2。

电负载4在本实施例中是高压负载，其特征在于，所述高压负载利用明显高于电能源的空载电压的电压来运行。这一点高压负载例如是计算机断层造影设备的X射线源或混合动力汽车中的电动机。

电能源6在本实施中是直流电压源。给出的直流电压在此可以按照任意方式产生。直流电压例如可以由连接在具有两相或三相的通常的用户电网中的逆变器提供，或者由汽车发电机提供，该汽车发电机例如输出混合动力汽车的制动能量作为直流电压。为了不同地显示所述实施例，电能源6与电路技术上的规范相反不是用负的电势（-）朝向图的底部而是朝向图的顶部。电能源6的相应的源电压9由此不是在图平面内看从上到下而是从下到上显示。

后面详细讨论控制装置8。

多电平发生器2在本实施中具有中间存储器10至14，其将来自于电能源6的电能按照还要描述的方式中间存储。下面从图平面向内看从下到上作为第一中间存储器10至第五中间存储器14来总计中间存储器。作为中间存储器10至14，可以使用能够吸收、存储并且根据需要又输出电能的所有的能量存储系统。这样的能量存储系统例如是电容器或蓄电池。在图中作为中间存储器10至14，示例性示出了电容器。

中间存储器10至14可以经过充电开关16和经过保护二极管18至22与电能源6并联。以这种方式中间存储器10至14的各个单元电压44至48提高到源电压9的值并且由此对中间存储器10至14充电。

此外，每个中间存储器10至14在存储器单元24至28中接线，其中还分别连接一个续流二极管30至34和放电开关36至40。这些存储器单元24至28是开头提到的能量输出单元的例子。各个存储器单元24至28与电负载串联。各个存储器单元24至28可以个别地并且互相独立地提高电负载6上的耗电器电压42的电平。为此，可以选择在中间存储器10至14和续流二极管30至34之间的串联电路中的存储器单元24至28的放电开关36至40。如果选择续流二极管30至34，则相应的存储器单元对于耗电器电压42不提供份额。如果选择中间存储器10至14，则耗电器电压42被提高中间存储器10至14给出的单元电压44至48。

在每个存储器单元24至28中续流二极管30至34的阳极与开关并且续流二极管30至34的阴极与中间存储器10至14相连。此外，通过中间存储器10至14与放电开关36至40相连，形成封闭的网格。

从图1至5中得出，当多于一个放电开关36至40闭合时，充电开关16必须是断开的。否则源电压9降落到低于有效串联的单元电压44至48之和，从而在这种情况下电能源6也是耗电器。在充电开关16断开状态下，保护二极管18至22用于确保在存储器单元24至28和电能源6之间没有电流。

图2用虚线示出了在存储器单元24至28充电期间多电平变流器2中的有效电流路径。

在上面提到的前提条件下：源电压9在图平面中指向上，向与电能源相连的测量点52内流过充电电流50并且从与第一存储器单元10相连的测量点54又流出。因为放电开关36至40是断开的，所以充电电流50仅可以经过续流二极管30至34分布到各个中间存储器10至14并且经过保护二极管18至22流回到电能源6中。如果中间存储器10至14被充分充电，这在电容器的情况下例如根据其已知的充电方法通过其时间常数事先可以确定，可以断开充电开关。

图3示出了在有效阶段期间多电平变流器中的有效电流路径，其中仅对第五中间存储器14放电。

在这种情况下仅第五放电开关40闭合并且其他所有放电开关36至39都断开。如果第五中间存储器14在充电阶段期间是从电能源6吸收功率的耗电器，则其在有效阶段期间是电能源，其向耗电器4输出电能。由此也称为有效阶段（aktive Phase）。第五中间存储器14的单元电压48的方向在充电阶段和有效阶段之间过渡时不变。

如果第五中间存储器14如电能源那样工作，则其输出放电电流56。该放电电流56离开第五存储器单元28并且经过耗电器4流入第一存储器单元24中。在那里其进入到在续流二极管30和放电开关36之间的存储器单元24中。因为放电开关36是断开的，所以放电电流56仅可以经过续流二极管30从第一存储器单元24中又流出。放电电流56从第一存储器单元24流出到第二存储器单元25中并且以与第一存储器单元24相同的方式经过该第二存储器单元。这在第三和第四存储器单元26、27中重复，直到放电电流56到达第五存储器单元。

在那里，相应的放电开关40闭合。虽然续流二极管34导通，但是第五中间存储器14的负电位强制使得放电电流56经过闭合的放电开关40又流回到第五中间存储器14中。

图4示出了在有效阶段期间在多电平变流器2中的有效电流路径，其中仅第四中间存储器14被放电。有效电流路径经历与图3的有效电流路径相同的条件并且由此仅附带地解释。

在这种情况下仅第四放电开关39是闭合的并且所有其他放电开关36至38、40是断开的。

在这种情况下放电电流56由第四中间存储器提供。其从第四存储器单元27中出来并且进入第五存储器单元28。在那里其经过续流二极管34流出、离开第五存储器单元28并且经过耗电器4和第一至第三存储器单元24至26流回到第四存储器单元27中。

以相同方式第一至第三存储器单元24至26可以向耗电器4输出放电电流56。在任何情况下，当在耗电器上仅设置唯一的存储器单元24至28时，在耗电器上仅施加简单的单元电压44至48，作为耗电器电压42。

图5示出在有效阶段期间在多电平变流器2中的有效电流路径，其中第四和第五中间存储器13和14被共同放电。在这种情况下有效电流路径也经历与图3的有效电流路径相同的条件并且由此仅附带地解释。

图5中第四和第五放电开关39、40闭合并且所有其他放电开关36至38断开。

在这种情况下放电电流56由第四和第五中间存储器13、14提供。其从第四存储器单元27中出来并且进入第五存储器单元28。在那里其经过放电开关40和第五中间存储器流出、离开第五存储器单元28并且经过耗电器和第一至第三存储器单元24至26又流回到第四存储器单元27中。

因为在耗电器4上仅设置两个存储器单元27、28，所以在耗电器上现在施加第四和第五存储器单元27、28的单元电压47、48之和。以相同方式，如果在剩下的存储器单元24至26中的其他放电开关36至38被闭合，则在耗电器4上降落的耗电器电压42可以继续被提高。

由此各个存储器单元24至28的中间存储器10至14可以经过放电开关36至40来个别放电并且对耗电器4上的输出电压42提供份额。

通过控制装置8控制放电开关36至40。控制装置接收量化的参考信号58，其形状通过输出电压42来模拟。量化的参考信号58可以按照任意方式产生，但是优选通过多维脉宽调制来形成，其中按照公知方式将模拟的参考信号与多个相同形状和互相移相的脉冲信号比较。仅在参考信号和脉冲信号之间的差是正的那些比较结果提高量化的参考信号的电平。该方法的代表是正弦-三角形-调制。

基于量化的参考信号58，控制装置8对于每个放电开关36至40产生一个控制信号60至64，以便利用各个存储器单元24至28来模拟在输出电压42中的量化的参考信号56的形状。

参考图6，其示出了量化的参考信号56的图。在图6的该图中关于电压66随时间68定性画出。图6中与前面的图相同的元件具有相同的附图标记并且不再描述。

量化的参考信号56的特征在于，其偏转值只能取通过所谓的量化级别74、75确定的各个格栅值70至71。对于所有以下解释，考察仅具有两个量化级别74、75的量化参考信号56，尽管利用在图1至5中示出的多电平变流器2可以模拟在输出电压42中具有直至五个量化级别74、75的量化的参考信号56的形状。

作为量化的参考信号56的基础的模拟参考信号76，在图6中为完整起见按照虚线表示。

此外，在图6中示出上述有效阶段78、79和充电阶段80。利用唯一一个多电平变流器2在技术上不可能同时产生输出电压42中正的和负的半波。为了相应地模拟完整的正弦电压作为在耗电器4上的输出电压，因此连接两个多电平变流器2，其中一个产生正弦电压的正的半波一个产生负的半波。

参考图7，在图7中示出了控制信号63、64的例子，它们的和得出量化的参考信号56。图7中与前面的图相同的元件利用相同的附图标记表示并且不再描述。

在前面提到的前提条件下，即，量化的参考信号仅具有两个量化级别74、75，为了模拟输出电压42中的量化的参考信号56的形状仅控制第四和第五存储器单元27、28并且对其相应的中间存储器13、14放电。

如从图7可以看出的，在本例中第四存储器单元27接管对输出电压42中的量化的参考信号56的较高量化级别74的形状的模拟，因为对于放电开关39的为其相应的控制信号63具有量化的参考信号56的较高量化级别74的形状。相应地，第五存储器单元28接管对输出电压42中的量化的参考信号56的较低量化级别75的形状的模拟。

可以看出，在第四存储器单元27的两个示出的有效阶段78、79上累加的接通时间比第五存储器单元28明显小，因为第四存储器单元27比第五存储器单元28很少被控制。这样第四存储器单元27在总共仅在8个时间单位82上是接通的，而第五存储器单元28在22个时间单位82上是接通的。

此外，第四存储器单元27的控制信号63具有比第五存储器单元28的控制信号64小的边沿。这样第四存储器单元27在总共6个开关过程中（一个开关过程是控制信号63、64中的正的或者负的边沿）导通而第五存储器单元28在总共10个开关过程中导通。

这一点的结果是，第四存储器单元27的中间存储器13比第五存储器单元28的中间存储器14的负载少。同样，第四存储器单元27的中间存储器13比第五存储器单元28的中间存储器14放电少。

为了尽可能耐久地确定多电平变流器2的各个组件，存储器单元24至28这样构造，使得其可以在多电平变流器2中的每个位置上被采用并且不会由于形成的损耗而损坏。

附加地，为了减小开关损耗，需要开关频率限制。中间存储器10至14必须附加地这样构造，使得在存储器单元24至28上的由放电电流56引起的电压降独立于在模块中的位置而保持合理小。然而，由于该过程在多电平变流器2中多数的存储器单元24至28被超尺寸地确定，由此增加了模块的价格。

尽管作为辅助可以考虑，每个存储器单元24至28对于在多电平变流器2中的计划的位置而个别地确定尺寸。但是这样做的结果是：n个不同的存储器单元24至28和由此每个存储器单元24至28更小的件数和由此更高的制造成本。制造开销也增加，因为每个单元具有一个固定的构造位置。同样不能模块化地（即，通过存储器单元24至28的任意的顺序而可能存在任意高的输出电压42）构造多电平变流器2，因为每个存储器单元24至28单独地确定尺寸。

因此在预定的时间段上来看对于量化的参考信号56的量化级别74的形状的模拟，不是一个存储器单元24至28而是多个存储器单元24至28共同提供份额。以这种方式从电能源6到电负载4的能量流可以在各个存储器单元24至28上分布，从而在存储器单元24至28间的负载也均衡。

参考图8，图8中示出了控制信号63、64的另一个例子，所述控制信号总共产生量化的参考信号56。图8中与前面的图相同的元件具有相同的附图标记并且不再描述。此外在图8中还以具有图6的两级的量化参考信号56的形状的输出电压42的产生作为前提条件。

在该例中开关损耗以及电流负担被分布到多电平变流器2中的各个存储器单元24至28上。

对此的前提条件是，量化的参考信号56的形状和由此输出电压4的形状在多个有效阶段78、79上重复，或者至少相似。

用于产生控制信号63、64的方法基本上相应于在图7的范围内解释的方法。

但是在每个有效阶段78、79之后将量化的参考信号56的待产生的量化级别74、75这样在控制信号63、64中交换，使得在两个有效阶段的预定时间段82上平均地、每个存储器单元27、28已经产生量化的参考信号56的量化级别74、75。由此在多个有效阶段78、79上保持相同的输出电压42形状在预定的时间段82上平均地确保两个存储器单元27、28的相同负载。如果以在图8中未示出的方式产生在两个量化级别74、75上量化的参考信号56，则可以这样交换各个存储器单元24至28的量化的参考信号56的量化级别74、75，使得两个确定的存储器单元24至28在预定的时间段82上经历大约如下负载：即，该负载相应于所有存储器单元24至28的平均负载。

各个存储器单元24至28的负载可以在量化的参考信号56的已知形状和由此在输出电压42的已知形状的情况下事先一次确定。在此基础上，可以将顺序固定地存储在例如在控制单元8中的存储器逻辑中。借助该存储器逻辑然后在每个有效阶段78、79之后对于多电平变流器2的各个存储器单元24至28交换产生的控制信号60至64。

简化地还可以顺序地交换控制信号60至64。这一点的结果是，每个单元的控制信号60至64重复与存储器单元24至28相应的有效阶段78、79的所有数量。

在图8的例子中可以看出，在两个示出的有效阶段78、79上并且由此在预定的时间段82上，第四存储器单元27的累加的接通时间是第五存储器单元28的累加的接通时间，因为第四存储器单元27虽然在第一有效阶段78中比第五存储器单元28很少被控制，但是在第二有效阶段79中第四存储器单元27与第五存储器单元28在第一有效阶段78中同样频繁地控制并且反过来，第五存储器单元28与第四存储器单元27在第一有效阶段78中同样频繁地控制。这样两个存储器单元27在预定的时间段82上总共在15个时间单位82上接通。

对于控制信号60至64的边沿进行同样观察。两个存储器单元27、28由此在总共8个开关过程中导通。

在图8的例子的进一步实施中可以根据单元电压44至48并且在电负载4改变的情况下也根据电负载4对于量化的参考信号58的每个量化级别74、75来确定每个开关过程的开关损耗以及在接通持续时间上通过电流负载引起的损耗。附加地，在控制装置8中对于每个存储器单元24至28的开关过程具有一个单独的计数器以及对于每个存储器单元24至28的接通持续时间记录一个时间测量。计数器和时间测量可以单独地对于每个有效阶段78、79运行。借助来自于计数器的数据和时间测量以及事先确定的损耗然后可以确定在每个存储器单元24至28中以及在每个存储器单元24至28的各个组件中的总损耗。

通过算术方法可以从总损耗中对量化的参考信号56的与控制信号60至64对应的量化级别74、75对于每个有效阶段78、79进行分开地确定，使得所有存储器单元24至28的平均负担平均来说是相同的。如果例如采用半导体开关作为放电开关36至40，则在更高频率情况下开关损耗大于导通损耗。如果采用电容器作为中间存储器10至14，则通常在电容器中的导通损耗同样小于在半导体开关中，由此一般仅需考虑在半导体开关中的开关损耗。在这种情况下可以无需用于确定接通持续时间的时间测量。

但是该变体的缺陷是，输出电压4的形状和由此量化的参考信号56的形状在多个有效阶段78、79上不允许改变。此外没有降低时间上的峰值负载，因为负载最大的存储器单元24至28的损耗在有效阶段78、79内部没有分布到负载少的存储器单元24至28。如果多电平变流器2要模块化地构造，则所有存储器单元24至28还必须关于该时间上的峰值负载来确定尺寸。当采用电容器作为中间存储器10至14时，这一点是特别重要的，因为否则通过放电引起的在各个存储器单元24至28上的单元电压44至48变得太小。

参考图9，其中示出了用于产生与图7和8不同的控制信号63、64的方法84的步骤。整个方法84通过在图1中示出的控制装置8来实施。在控制装置8中为了实施方法84，存在未示出的处理器以及对于每个存储器单元24至28的未示出的计时器和对于每个存储器单元24至28的未示出的计数器。控制装置8利用计时器可以个别地确定每个存储器单元24至28的接通持续时间，其利用计数器个别地确定每个存储器单元24至28的进行的开关过程的数量。

该方法84可以在控制装置9中作为函数在包含了计数器和计时器的逻辑组件上实施并且插入到已经公知的控制信号产生和同样公知的对于存储器单元24至28的控制电路之间。

通过方法84可以将预定的时间段82降低到量化的参考信号56的有效阶段78、79。

控制装置8在步骤86中开始方法84，例如基于正弦-三角形-调制从模拟的参考信号76中进行量化的参考信号56的前面解释的产生。量化的参考信号56可选地按照图7可以由各个子信号组成，其中每个子信号相应于量化的参考信号56的量化级别74、75的时间上的走向。

在步骤88中控制装置8通过查询多电平变流器2是否处于有效阶段78、79中开始方法84的主要部分。

如果多电平变流器2位于有效阶段78、79外部，则在步骤90中控制装置8将计数器和计时器复位到标准值并且回到步骤88，直到多电平变流器2过渡到有效阶段78、79。

如果多电平变流器2过渡到有效阶段78、79，则在步骤92、94、94＇中接下来识别并分析量化的参考信号56的边沿或上面提到的子信号。控制装置8在步骤92中识别边沿本身，其在步骤94检查，边沿是否是正的，并且在步骤94'中，边沿是否是负的。如果识别的边沿例如由于错误而既不是正的也不是负的，则控制装置8返回到步骤88。

以下与跟随在对量化的参考信号56中的负边沿的识别之后的步骤一起来解释跟随在对量化的参考信号56中的正边沿的识别之后的各个方法步骤。对于两个方法分支之间的共同性和区别将在相应的地方详细提示。

如果控制装置8在步骤94中识别正的或者步骤94＇中识别负的边沿，则其在步骤96中根据计时器来比较已经有效的存储器单元24至28的接通持续时间，其放电开关36至40在比较的瞬时闭合，或在步骤96＇中比较被动的存储器单元24至28的接通持续时间，其放电开关36至40在比较的瞬时断开。根据计时器，即，根据接通持续时间，可以测量导线损耗，因为存储器单元24至28的中间存储器10至14越长地放电，则出现的存储器损耗越高。

这一点在步骤98、100以及98'、100＇中通过如下来考虑。在步骤98中控制装置8对于正边沿（从步骤94开始的方法分支）的情况检查，两个存储器单元24至28是否具有与那时最短接通持续时间相同的接通持续时间。如果存在具有最短接通持续时间的唯一的存储器单元24至28，控制装置8在步骤100中将它选出，在步骤102中激活它，在步骤104中激活它的相应计时器并且在步骤106中将其相应的计数器递增。最后控制装置8返回到步骤88。相反，控制装置对于负边沿的情况（从步骤94'起的方法分支）在步骤98＇中检查，两个存储器单元24至28是否具有与那时候最长的接通持续时间相同的接通持续时间。如果存在具有最长接通持续时间的唯一的存储器单元24至28，控制装置8在步骤100'中将它选出，在步骤102'中断开它，在步骤104'中停止它的相应计时器。可选地可以按照未示出的方式将相应的计数器对于一个开关过程进行递增，但这不是必须的，因为一个接通过程总是还引起一个断开过程，从而两个开关过程互相独立并且其总计数由此可以通过两个开关过程的一个的计数器来确定。在任何情况下控制装置8或者在步骤104'之后或者在属于断开的存储器单元24至28的计数器的未示出的递增步骤之后在步骤104'之后返回到步骤88。

在步骤102、102＇中存储器单元24至28的激活或存储器单元24至28的断开通过如下表征，即，控制装置8相应于控制信号60至64来激活或解除激活存储器单元24至28。

如果在步骤98中至少两个存储器单元24至28具有与那时候最短的接通持续时间或在步骤98＇中至少两个存储器单元24至28具有与那时最长的接通持续时间相同的接通持续时间，则控制装置8借助计数器在步骤108中或在步骤108'比较涉及的存储器单元24至28的开关过程的数量与最长的或最短的接通持续时间。

在步骤110和110＇中控制装置8根据计数器统一地检查，在具有最短的或最长的接通持续时间的涉及的存储器单元24至28间是否呈现具有较小的开关过程的存储器单元24至28。如果是，则控制装置8选择具有最少的开关过程的涉及的存储器单元24至28，也就是选择具有最小所属的计数器值的并且按照已经描述的方式继续步骤102或102'。

如果既不是根据步骤98、98'也不是根据步骤110、110'来找到具有最短接通持续时间和/或具有最少开关过程的存储器单元24至28，则控制装置8在步骤114中或在步骤114'中从多个确定的具有最短接通持续时间和/或具有最少开关过程的存储器单元24至28中任意选择存储器单元24至28并且按照已经描述的方式继续步骤102或102'。

参考图10，图10中示出了控制信号63、64，它们的和得出量化的参考信号56。图10中与前面的图相同的元件具有相同的附图标记并且不再描述。此外在图10中前提条件是，具有图6的两级量化的参考信号56的形状的输出电压42的产生。

从图10中可以直接看出，方法84与在图8的范围内描述的方法不同，使得预定的时间段82限制到量化的参考信号56的有效阶段78、79。以这种方式不仅互相均衡了在多电平变流器2的各个存储器单元24至28之间的时间上的负担而且可以互相均衡并且由此有效降低在一个有效阶段期间多电平变流器2的各个存储器单元24至28的峰值负载。

如图10中可以看出的，在量化的参考信号56的第二正边沿就已经导致，第四和第五存储器单元27、28在其绝对值上利用其单元电压47、48与耗电器电压42交替，尽管两个正的边沿属于量化的参考信号56的较低量化级别75。

方法84的缺陷是，该方法要么仅使接通持续时间优先要么仅使开关过程优先。但是如果对于每个存储器单元24至28的被优先的量强烈不同，则方法84不考虑这一点，而是总是根据被优先的量来硬性区分。

这一点通过在图10中示出的时刻116来解释。在时刻116出现量化的参考信号56中的负的边沿，其必须导致两个控制信号之一的断开。对于第四控制信号63在时刻116计数4.5个时间单位82和2个开关过程，而对于第五控制信号64在时刻116计数5个时间单位82和3个开关过程。因为第四控制信号63具有较小的接通持续时间并且方法84在步骤98＇中使得接通持续时间优先，所以方法84在步骤100'中断开第五控制信号64。

参考图11，其示出了两个控制信号63、64，它们的和得出量化的参考信号56。在图11中与前面的图相同的元件具体相同的附图标记并且不再描述。此外在图11中前提条件是，具有图6的两级的量化的参考信号56的形状的输出电压42的产生。

图11示出了方法84，其中关于接通持续时间不是按照最短的或最长的接通持续时间硬性地而是在容差带内部灵活地判断。如从图11可以看出的，在步骤98'中这导致在时刻116第四控制信号63的而是第五控制信号64的断开。

在方法84的步骤98、98＇中在接通持续时间中插入的容差Δ导致，具有接通持续时间t_d+Δ的存储器单元24至28看作是相同的，从而不仅在多个存储器单元24至28的接通持续时间的相同性情况下，而是也在多个存储器单元24至28的接通持续时间中的微小区别的情况下考虑开关过程的数量。

接通持续时间的或开关过程的优选性是可应用的并且独立于通常在哪里预计更高的损耗或各个单元24至28的均匀的放电是否是期望的。

使得具有预计较高损耗的量优选具有如下优点：方法84通常在第一判断步骤98、98'之后中断并且不进入第二判断步骤110、110'。

替换地，由此在上面提到的角度来看还可以使得开关过程优先，并且仅在相同或几乎相同数量的开关过程情况下才检查接通持续时间。

如果对于控制信号60至64的产生考虑接通持续时间和开关过程的数量在技术上不是有意义的，则同样还可以仅将接通持续时间或开关过程数量用于判断作为下一个要控制的存储器单元24至28。

通过在图9至11中描述的方法，还可以在有效阶段78、79期间将损耗分布到各个存储器单元24至28上并且将中间存储器10至14均匀放电，由此各个中间存储器10至14的总容量得到更好利用，不管其是电容器还是蓄电池。由此可以降低中间存储器10至14的容量值和/或改进耗电器电压4的稳定性。

由此可以对所有存储器单元24至28相同地确定尺寸。结果可以模块化地构造多电平变流器2并且每个存储器单元24至28的以及由此每个多电平变流器2的成本得到降低。同样由于负载均匀，可以预计对于各个存储器单元24至28的大约相同的寿命。

通过将开关损耗分布到各个存储器单元24至28还可以附加地提高单元的频率。由此还可以明显提高耗电器电压4的频率。

在图9至11的范围内解释的方法84的另一个优点是，为了提高开关频率，可以采用附加的存储器单元24至28，其关于最大耗电器电压4来说不是必须的。但是损耗可以分布到它们上并且由此附加地提高开关频率。因为由此还将接通持续时间分布到附加的存储器单元24至28上，所以不需要较大的总容量，由此可以降低中间存储器10至14的容量并且由此对于中间存储器10至14不产生附加成本。

按照本方法84的扩展，还可以考虑耗电器中的非线性。当由于强烈变化的输出电流，接通持续时间和/或开关过程到各个存储器单元24至28上的分布不足够时，这一点是特别有利的。为了尽管如此还分布负载，就必须测量经过耗电器引导的放电电流56。接通持续时间可以利用分别测量的放电电流56和可选地利用系数来加权。

该加权可以按照相同或替换的方式对于开关过程进行。

按照方法84的另一个替换实施方式，对下一个要通过控制信号60至64控制的存储器单元24至28的选择基于单元电压44至48来进行。为此在方法84中在步骤96、96＇中测量各个存储器单元24至28的单元电压44至48，在步骤98中根据各个单元电压44至48的比较确定具有最高单元电压44至48的存储器单元24至28或在步骤98＇中确定具有最小单元电压44至48的存储器单元24至28，并且在步骤100中选择具有最高单元电压44至48的存储器单元24至28或在步骤100'中确定具有最小单元电压44至48的存储器单元24至28。从此如上所述继续该方法。

基于单元电压44至48对存储器单元24至28的选择，还可以作为基于接通持续时间和/或开关过程数量来选择的替换或补充而在方法84中以任意的优先级进行。

通过基于单元电压44至48选择存储器单元24至28，确保了各个存储器单元24至28的中间存储器10至14的均匀放电。

此外，在线性电负载4情况下仅基于开关过程和/或基于存储器单元24至28的接通持续时间来产生控制信号60至64和由此进行方法84也可能是不足够的。这一点可以通过在提高的耗电器电压42的情况下提高的放电电流56和总共产生量化的参考信号56的各个控制信号60至64在有效阶段78、79上到存储器单元24至28上的同时不是最佳的分布而造成。

为了避免这一点，在线性负载情况下在方法84的步骤98、98＇中或在步骤100、100＇中对开关过程和/或接通持续时间加权。因为在线性电负载4的情况下放电电流56取决于耗电器电压42并且由此取决于有效的存储器单元24至28的数量，所以例如利用瞬时有效的存储器单元24至28的数量和/或利用单元电压44至48并且可选地利用系数来对开关过程和/或接通持续时间加权是有意义的。在此可以舍弃测量放电电流。

按照方法84的另一个实施方式，可以考虑，负载在接通和断开放电开关36至40时是不同的。例如，在接通存储器单元24至28时比在断开情况下流过更小的电流或断开过程在相同条件下作为较慢断开时间的结果比接通过程与更多损耗相关。

通过对断开过程的附加计数，可以考虑该区别并且进一步改善存储器单元24至28的负载的协调的精确性。为此，在存储器单元24至28中的接通过程与存储器单元24至28的断开过程不同地加权。

该加权可以总是立即进行。由此不需要附加的计数器。

按照本发明，在预定的时间段中不同存储器单元的至少两个控制信号对多电平变流器的量化的参考信号的一个量化级别提供份额。

尽管通过优选实施例详细示出和描述了本发明，但是本发明不受所公开的例子的限制并且专业人员可以从中导出其他变体，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种用于产生对于多电平发生器（1）的控制信号（60至64）的方法（84），所述多电平发生器具有多个可互相独立接通的单元（24至28），这些单元分别设置为用于根据各自的控制信号（60至64）来输出单元电压（44至48），其中，所述单元（24至28）的控制信号（60至64）总共产生多电平量化的参考信号（58），包括：这样来拆分多级量化的参考信号（58），使得不同单元（24至28）的至少两个控制信号（60至64）在预定的时间段（82）中对量化的参考信号（58）的一个量化级别（73，74）提供份额。

2.根据权利要求1所述的方法（84），其中，所述量化的参考信号（58）由多个的周期性子信号综合而成，所述数量小于或等于所述单元的数量。

3.根据权利要求2所述的方法（84），其中，所述量化的参考信号（58）和子信号是周期性的，并且所述方法（84）还包括如下步骤：将周期性子信号在量化的参考信号（58）的每个周期（78，79）中分布到控制信号（60至64），其中预定的时间段（82）是参考信号（58）的周期时间的数倍。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法（84），包括：这样将量化的参考信号（58）拆分到控制信号（60至64），使得各个单元（24至28）的控制时间在预定的时间段（82）中是相同的。

5.根据权利要求4所述的方法，包括：在预定的时间段（82）中确定（94，94'）量化的参考信号（24至28）或子信号的正边沿或负边沿，并且激活（114）或解除激活（114'）属于具有最短或最长控制时间的控制信号（60至64）。

6.根据上述权利要求4或5所述的方法，包括：在预定的时间段（82）中确定（94，94'）量化的参考信号（24至28）的或子信号的正边沿和负边沿，并且激活（114）或解除激活（114'）属于具有最少的开关过程的单元的控制信号（60至64）。

7.根据上述权利要求6所述的方法，其特征在于，在具有最少的开关过程的单元（24至28）之前，确定具有最短或最长控制时间（60至64）的单元（24至28）。

8.根据权利要求6或7中所述的方法，包括：在预定的时间段（82）流逝之后复位（90）开关过程的数量和/或每个单元的控制时间（60至64）。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，两个单元（24至28）的控制时间相同，如果其各自的控制时间位于预定的公差带内的话。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，具有最少开关过程的单元（24至28）在具有最短或最长控制时间的单元（24至28）之前被确定。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，包括：利用加权系数对控制时间或各个单元（24至28）的开关过程数量进行加权。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加权系数取决于多电平发生器（1）的输出电流（56）和/或在控制时间采集的时刻的多电平发生器的输出电压。

13.一种装置，其适合于执行按照上述权利要求中任一项所述的方法。

14.一种电路，包括具有可互相独立接通的单元（24至28）的多电平发生器（1），所述单元分别被设置为用于根据各自的控制信号（60至64）来输出单元电压（44至48），并且包括按照权利要求13所述的用于产生控制信号（60至64）的装置。

15.一种X射线设备，其包括X射线源和为该X射线源提供电能的按照权利要求14所述的电路。

Images