DE102011082946A1

DE102011082946A1 - Schaltoptimierung für einen Multilevel-Generator

Info

Publication number: DE102011082946A1
Application number: DE102011082946A
Authority: DE
Inventors: Tobias Graßl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: US20130070901A1; DE102011082946B4; CN103023365A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (84) zum Erzeugen von Ansteuersignalen (60 bis 64) für einen Multilevel-Generator (1), der eine Anzahl unabhängig voneinander schaltbarer Zellen (24 bis 28) aufweist, die jeweils zur Abgabe einer Zellspannung (44 bis 48) basierend auf einem jeweiligen Ansteuersignal (60 bis 64) vorgesehen sind, wobei die Ansteuersignale (60 bis 64) der Zellen (24 bis 28) in der Summe ein mehrstufig quantisiertes Referenzsignal (58) ergeben. Das angegebene Verfahren umfasst Zerlegen des mehrstufig quantisierten Referenzsignals (58) derart, dass wenigsten zwei Ansteuersignale (60 bis 64) verschiedener Zellen (24 bis 28) in einem vorbestimmten Zeitraum (82) zu einer Quantisierungsstufe (73, 74) des quantisierten Referenzsignals (58) beitragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Ansteuersignalen für einen Multilevel-Generator gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 13, eine Schaltung nach Anspruch 14 und ein Röntgengerät nach Anspruch 15.
Multilevel-Generatoren sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von Leon M. Tolbert et al., „Charge Balance Control Schemes for Cascade Multilevel Converter in Hybrid Electric Vehicles", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 49, No. 5, OCTOBER 2002, Seiten 1058 bis 1064, bekannt. Es handelt sich dabei um kaskadierte Energiequellen, wie sie beispielsweise ein einem Multilevel H-Brückenkonverter zu finden sind, die basierend auf einem quantisierten Referenzsignal hohe Ausgangsspannungen erzeugen können. Jeder Multilevel-Generator weist Energieabgabezellen, nachstehend Zellen genannt, wie beispielsweise Energiespeicherzellen in Form von Batterien oder ein Kondensatoren auf. Während einer sogenannten aktiven Phase wird eine Anzahl Zellen ausgewählt und als Reihenschaltung an den Ausgang des kaskadierten Energiewandlers angelegt, um ein bestimmtes vom quantisierten Referenzsignal abhängiges Spannungslevel zu erzeugen. Durch hinzu- und/oder abschalten von Zellen zur oder von der Reihenschaltung während der aktiven Phase kann mit der Ausgangsspannung die Form des quantisierten Referenzsignals nachgebildet werden. Außerhalb der aktiven Phase können die Zellen für die nächste aktive Phase wieder mit Energie aufgeladen werden. Alternativ können die einzelnen Zellen auch abhängig von der Topologie während der aktiven Phase aufgeladen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Ansteuerung bekannter Multilevel-Generatoren zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt vor, die für einzelne Zellen eines Multilevel-Generators notwendigen Ansteuersignale derart zu erzeugen, dass wenigsten zwei Ansteuersignale verschiedener Zellen in einem vorbestimmten Zeitraum zu einer Quantisierungsstufe des oben genannten quantisierten Referenzsignals beitragen, so dass die elektrische Energieabgabe der einzelnen Zellen zur Erzeugung der Ausgangsspannung untereinander harmonisiert wird.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass in bekannten Multilevel-Generatoren während einer aktiven Phase jede Zelle zur Erzeugung einer bestimmten Quantisierungsstufe des Ausgangssignals basierend auf dem quantisierten Referenzsignal vorgesehen ist. Dies hat den Nachteil, dass Zellen, die zur Erzeugung unterer Quantisierungsstufen herangezogen werden, stärker belastet werden, als Zellen für höhere Quantisierungsstufen der Ausgangsspannung. Weist die Ausgangsspannung und damit auch das quantisierte Referenzsignal eine quantisierte Sinus-Form auf, so ist der elektrische Energiefluss aus der Zelle, die zur maximalen Quantisierungsstufe beiträgt viel geringer, als der elektrische Energiefluss aus der Zelle, die zur untersten Quantisierungsstufe beiträgt. Auf diese Weise werden die Zellen jedoch unterschiedlich stark belastet, was dazu führt, dass die Zellen, die zu den unteren Quantisierungsstufen im Ausgangssignal beitragen früher Ausfallerscheinungen zeigen, als Zellen, die zu den höheren Quantisierungsstufen im Ausgangssignal beitragen.
Um diese Ausfallerscheinungen zu vermeiden könnten die einzelnen Zellen unterschiedlich beständig ausgelegt werden, was jedoch insbesondere herstellungstechnisch zu hohen Kosten führt, da für jede Zelle im Multilevel-Generator ein gesondertes Herstellungsverfahren einzusetzen wäre. Auch unterliegt dann der Aufbau des Multilevel-Generators gewissen Einschränkungen, denn die Reihenschaltung der einzelnen Zellen ist dann nicht mehr beliebig erweiterbar.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Idee zugrunde, einen Belastungsausgleich unter den Zellen über eine geeignete Erzeugung der Ansteuersignale der einzelnen Zellen herbeizuführen. Dies geschieht, wie bereits erwähnt dadurch, dass die einzelnen Ansteuersignale der Zellen derart ausgewählt werden, dass zu einer einzelnen Quantisierungsstufe im quantisierten Referenzsignal wenigstens zwei Ansteuersignale beitragen, so dass zu einer einzelnen Quantisierungsstufe der quantisierten Ausgangsspannung des Multilevel-Generators die Zellspannung wenigstens zweier Zellen des Multilevel-Generators beträgt. Auf diese Weise können beispielsweise die Einschaltdauern der Zellen, die herkömmlich zu einer unteren Quantisierungsstufe beitragen, verkürzt und entsprechend die Einschaltdauern der Zellen, die herkömmlich zu einer höheren Quantisierungsstufe beitragen verlängert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Zahl der Schaltvorgänge der Zellen, die herkömmlich zu einer unteren Quantisierungsstufe beitragen, verringert und entsprechend die Zahl der Schaltvorgänge der Zellen, die herkömmlich zu einer höheren Quantisierungsstufe beitragen erhöht werden.
Die Erfindung gibt daher ein Verfahren zum Erzeugen von Ansteuersignalen für einen Multilevel-Generator an, wobei der Multilevel-Generator eine Anzahl unabhängig voneinander schaltbarer Energieabgabezellen, nachstehend Zellen genannt, aufweist, die jeweils zur Abgabe einer Zellspannung basierend auf einem jeweiligen Ansteuersignal vorgesehen sind. Die Ansteuersignale der Zellen ergeben in der Summe ein mehrstufig quantisiertes Referenzsignal. Das angegebene Verfahren umfasst Zerlegen des mehrstufig quantisierten Referenzsignals derart, dass wenigsten zwei Ansteuersignale verschiedener Zellen in einem vorbestimmten Zeitraum zu einer Quantisierungsstufe des quantisierten Referenzsignals beitragen.
Die Zelle kann jede elektrische Vorrichtung sein, die zur Abgabe einer elektrischen Energie geeignet ist. So kommen als geeignete Zellen beispielsweise unabhängig voneinander steuerbare Kondensatorzellen, wie sie in einem modifizierten Marx-Generator eingesetzt werden, genauso in Betracht, wie Akkumulatorzellen, die beispielsweise einem Multilevel-Konverter zur elektrischen Energieversorgung eines Elektromotors in einem Hybrid-Fahrzeug eingesetzt werden, wobei der Multilevel-Konverter gemeinsam mit einem Energierückführaggregat im Fahrzeug den Multilevel-Generator bildet. In jedem Fall ermöglichen die Ansteuersignale, die durch das angegebene Verfahren erzeugt werden, die elektrische Energieabgabe der einzelnen Zellen während der Erzeugung einer Ausgangsspannung mit dem Multilevel-Generator zu harmonisieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das quantisierte Referenzsignal aus einer Anzahl an periodischen Teilsignalen zusammengesetzt, die kleiner oder gleich der Anzahl der Zellen ist. Die periodischen Teilsignale können auf jede beliebige Weise erzeugt werden. So können die Teilsignale direkt von einem Mikrokontroller unter der genannten Bedingung bereitgestellt werden, dass ihre Summe das quantisierte Referenzsignal ergeben. Alternativ kann die analoge Version des quantisierten Referenzsignals mittels Rampensignalen pulsweitenmoduliert werden, wobei die Anzahl der Rampensignale der Anzahl an verwendeten Zellen entspricht und die einzelnen Rampensignale untereinander um einen Offset, insbesondere gleichmäßig, verschoben sind. Technisch gesehen repräsentieren die einzelnen Teilsignale dann den Signalverlauf einer Quantisierungsstufe im quantisierten Referenzsignal und damit den Spannungsverlauf einer Quantisierungsstufe in der Ausgangsspannung des Multilevel-Generators.
In einer Ausführung der Erfindung können das Referenzsignal und die Teilsignale periodisch sein, und das angegebene Verfahren ferner den Schritt Verteilen der periodischen Teilsignale auf die Ansteuersignale in jeder Periode des quantisierten Referenzsignals umfassen, wobei der bestimmte Zeitraum ein Vielfaches der Periodendauer des Referenzsignals ist. Unter der angegebenen Bedingung, dass zu einer Quantisierungsstufe mehr als ein Ansteuersignal beitragen muss, bedeutet dies, dass in unterschiedlichen Perioden des quantisierten Referenzsignals die Ansteuerung der einzelnen Zellen basierend auf unterschiedlichen Teilsignalen erfolgt. Der Vorteil der Verteilung der periodischen Teilsignale auf die Ansteuersignale in jeder Periode des quantisierten Referenzsignals ist, dass das Steuer- beziehungsweise Regelungsverfahren zur Erzeugung der Ansteuersignale selbst nicht angepasst werden muss.
In einer Weiterbildung der Ausführung können zur Verteilung der periodischen Teilsignale auf die Ansteuersignale nach jeder Periode des quantisierten Referenzsignals die periodischen Teilsignale so getauscht werden, dass nach einer bestimmten Anzahl an Perioden des quantisierten Referenzsignals, die der Anzahl an verwendeten Zellen im Multilevel-Generator entspricht, jede Zelle einmal jedes Teilsignal und damit jedes Spannungslevel im Ausgangssignal geschaltet hat. Dadurch ist bei einer gleichbleibenden Ausgangsspannung des Multilevel-Generators gemittelt über die Anzahl der aktiven Phasen die gleichbleibende Belastung aller Zellen gewährleistet.
In einer zusätzlichen Weiterbildung der Ausführung können die periodischen Teilsignale auf die Ansteuersignale so aufgeteilt werden, dass die Zellen über zwei Perioden des quantisierten Referenzsignals in etwa die gleiche Belastung erfahren haben, die der durchschnittlichen Belastung aller Zellen entspricht.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Ausführung kann die Reihenfolge, in der die periodischen Teilsignale auf die Ansteuersignale aufgeteilt werden, fest vorgegeben sein. So ist es einerseits möglich, die Belastungen der einzelnen Zellen bei einer bekannten Ausgangsspannung des Multilevel-Generators vorab einmalig zu bestimmen und Zerlegung des quantisieren Referenzsignals dauerhaft mit einem fest vorgegebenen Schema durchzuführen. Das Schema und somit die notwendige Reihenfolge der Zuordnung der Teilsignale auf die einzelnen Ansteuersignale kann beispielsweise in einer Speicherlogik hinterlegt werden. Mit Hilfe dieser Speicherlogik können dann die periodischen Teilsignale durch entsprechendes Vertauschen nach jeder Periode des quantisierten Referenzsignals neu auf die einzelnen Ansteuersignale verteilt werden. Vereinfacht kann das Schema auch derart ausgestaltet sein, dass die einzelnen periodischen Teilsignale nach jeder Periode des quantisierten Referenzsignals auch sequentiell getauscht und auf die einzelnen Ansteuersignale verteilt werden. Dies hat zur Folge, dass sich die Ansteuersignale pro Zelle (unter der Voraussetzung, dass das quantisierte Referenzsignal periodisch ist) alle der Anzahl der Zellen entsprechenden Perioden des quantisierten Referenzsignals wiederholen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Ausführung können die Verluste für jedes einzelne periodische Teilsignal bestimmt werden. Die Verluste können sich aus den Schaltverlusten pro Schaltvorgang und/oder den Verlusten durch die Strombelastung über die Einschaltdauer jeder Zelle in Abhängigkeit von der Spannung jeder Zelle und/oder bei variierender Last auch in Abhängigkeit von der Last zusammensetzten. Während die Schaltverluste beispielsweise durch einen Zähler ermittelt werden können, der die Anzahl der Schaltvorgänge einer Zelle in einer Periode des quantisierten Referenzsignals zählt, können die Verluste durch die Strombelastung beispielsweise durch eine Zeitmessung für die Einschaltdauer jeder Zelle in einer Periode des quantisierten Referenzsignals bestimmt werden. Mit algorithmischen Verfahren lassen sich dann basierend auf diesen Verlusten die periodischen Teilsignale derart auf die einzelnen Zellen aufteilen, dass die durchschnittliche Belastung aller Zellen gleich ist. In diesen algorithmischen Verfahren kann beispielsweise berücksichtigt sein, dass bei Halbleiterschaltern meistens die Schaltverluste deutlich größer sind, als die Verluste durch die Strombelastung, auch Durchlassverluste genannt. Sind die Zellen als Kondensatorzellen, wie beispielsweise in einem Marx-Generator ausgeführt, sind im Normalfall bei höheren Frequenzen die Verluste in den Kondensatoren kleiner als in den aktiven Halbleitern, weshalb dann im Allgemeinen nur die Schaltverluste in den Halbleitern bestimmt werden müssten und somit auch keine Zeitmessung für die Schaltdauer notwendig wäre. Anders sehe die Situation aus, wenn als Zelle beispielsweise eine Batterie verwendet oder sehr niedrige Frequenzen werden würde.
In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung kann das Verfahren ferner folgenden Schritt umfassen: Zerlegen des quantisierten Referenzsignals in die Ansteuersignale derart, dass die Ansteuerzeiten der einzelnen Zellen im vorbestimmten Zeitraum gleich sind. Dies hat den Vorteil, dass sich die erfindungsgemäße Harmonisierung der Zellbelastungen unabhängig davon erreichen lässt, ob die Referenzspannung periodisch oder aperiodisch ist. Der vorbestimmte Zeitraum kann beliebig kurz oder lang gewählt werden. Je länger der vorbestimmte Zeitraum ist, desto gleichmäßiger ist auch die langfristige Belastung der einzelnen Zellen des Multilevel-Generators. Demgegenüber zeichnet sich ein angegebenes Verfahren mit einem kürzeren vorbestimmten Zeitraum durch einen geringeren Berechnungs- und damit Speicheraufwand aus.
In der Regel sind die Zellen des Multilevel-Generators lediglich Zwischenspeicher, die beispielsweise in einem Marx-Generator aus einer Spannungsquelle oder in einem Hybrid-Fahrzeug aus einem Energierückführaggregat während einer Ladephase elektrische Energie aufnehmen und diese während einer aktiven Phase an einen elektrischen Verbraucher abgeben. Alternativ können in anderen Topologien die Zwischenspeicher auch während der aktiven Phase nachgeladen werden, so dass gar keine passive Phase oder Ladephase existiert. Falls eine passive Phase existiert, ist es besonders günstig, den vorbestimmten Zeitraum gleich einer aktiven Phase festzulegen. Dies führt dazu, dass die Belastungen der Zellen innerhalb einer aktiven Phase harmonisiert werden, so dass die einzelnen Zellen nicht nur auf Dauer gleich belastet werden, sondern dass auch die Spitzenbelastung der einzelnen Zellen gesenkt wird. Bei Multilevel-Generatoren mit Zellen, die durch Kondensatoren ausgebildet sind, hat dies zusätzlich den Vorteil, dass der Spannungsabfall durch die Entladung an den einzelnen Zellen geringer ist und die Kapazität der Kondensatoren auf eine geringere Einschaltdauer im Mittel pro aktiver Phase der einzelnen Zellen dimensioniert werden kann. Alternativ können auch die Kapazitäten geringer ausgelegt und damit kostengünstiger umgesetzt werden, so dass sich Herstellungskosten einsparen lassen. Durch die Verteilung der Schaltverluste können auch die Schaltfrequenzen erhöht werden.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst das angegebene Verfahren Ermitteln einer positiven Flanke oder einer negativen Flanke der Teilsignale oder des quantisierten Referenzsignals im vorbestimmten Zeitraum und Aktivieren beziehungsweise Deaktivieren des zu einer Zelle mit der kürzesten beziehungsweise längsten Ansteuerzeit gehörenden Ansteuersignals. Das heißt, wenn eine positive Flanke in den Teilsignalen ermittelt wird, wird das Ansteuersignal der Zelle mit der kürzesten Einschaltdauer aktiviert, und wenn eine negative Flanke im Teilsignal ermittelt wird, wird die Zelle mit der längsten Einschaltdauer deaktiviert. Durch das Erzeugen der Ansteuersignale basierend auf den Flanken der Teilsignale kann im Wesentlichen die gleiche Einschaltauer der einzelnen Zellen erreicht werden. Die Länge der Einschaltdauer der einzelnen Zellen kann bevorzugt durch Aufzeichnen ermittelt werden. Auf diese Weise braucht die Erzeugung der Ansteuersignale nicht vorab definiert zu werden. Die einzelnen Ansteuersignale werden abhängig von der Form des quantisierten Referenzsignals stets so erzeugt, dass der elektrische Energiefluss aus den Zellen und damit ihre Zellspannung als Beitrag zur Ausgangsspannung des Multilevel-Generators harmonisiert werden. Die Harmonisierung der Ansteuerzeiten in den Ansteuersignalen bewirkt insbesondere bei Zellen, die aus Kondensatoren aufgebaut sind, eine Optimierung der Durchlassverluste, die durch parasitäre Effekte in und an der Energiespeicherzelle entstehen, und vor allem auch eine harmonische Entladung der einzelnen Zellen untereinander im Multilevel-Konverter.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer Weiterbildung der Erfindung eine positive Flanke oder eine negative Flanke der Teilsignale im vorbestimmten Zeitraum ermittelt und das zu einer Zelle mit den wenigsten Schaltvorgängen gehörenden Ansteuersignals aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden. Das heißt, egal ob eine positive oder negative Flanke ermittelt wird, es wird stets das Ansteuersignal der Zelle mit der wenigsten Anzahl an Schaltvorgängen aktiviert beziehungsweise deaktiviert. Die Anzahl der Schaltvorgänge kann beispielsweise durch einen Zähler je Zelle bestimmt werden. Durch die Berücksichtigung der Anzahl der Schaltvorgänge, können zusätzlich oder alternativ zu den Durchlassverlusten die Schaltverluste bei der Erzeugung der Ansteuersignale berücksichtigt werden.
In einer besonderen Weiterbildung wird zunächst die Zelle mit der kürzesten beziehungsweise längsten Ansteuerzeit vor der Zelle mit den wenigsten Schaltvorgängen bestimmt. Auf diese Weise werden die Ansteuerzeiten priorisiert, was bei Zellen vorteilhaft ist, in denen die Durchlassverluste die Schaltverluste dominieren. Zudem ist dies vorteilhaft, wenn die Gesamtkapazität der Speicher besser ausgenutzt werden soll.
In einer alternativen Weiterbildung wird zunächst die Zelle mit den wenigsten Schaltvorgängen vor der Zelle mit der kürzesten beziehungsweise längsten Ansteuerzeit bestimmt. Auf diese Weise wird die Anzahl an Schaltvorgängen priorisiert. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Zellen als Kondensatorzellen ausgeführt sind und über Halbleiterschalter mit hohen Frequenzen geschaltet werden. In diesem Fall sind die Durchlassverluste in den Kondensatoren und in den Halbleisterschaltern kleiner als die Schaltverluste in den aktiven Halbleitern.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt Zurücksetzen der Zahl der Schaltvorgänge und/oder Schaltdauern jeder Zelle nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraums. Dies ist besonders vorteilhaft für einen gemeinsamen Multilevel-Generator, der nach einer aktiven Phase die einzelnen Zellen auf einen gemeinsamen Ladezustand als Referenzzustand zurücksetzt. In diesen Generatoren können dann Zähler mit wenigen Zählstellen verwendet werden.
In einer anderen oder alternativen Ausbildung der Erfindung ist die Ansteuerzeit zweier Zellen gleich, wenn ihre jeweiligen Ansteuerzeiten innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes liegen. Das Toleranzband ermöglicht es die Verluste im Multilevel-Generator weiter zu reduzieren, wenn zwei Zellen bei einer Priorisierung der Ansteuerzeiten nur geringfügige Einschaltdauerunterschiede jedoch hohe Unterschiede in den Schaltvorgängen aufweisen. Im Allgemeinen kann durch das Toleranzband die Priorität aufgeweicht werden.
In gleicher Weise können die Schaltvorgänge zweier Zellen gleich gesetzt werden, wenn ihre jeweiligen Schaltvorgänge innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes liegen. Dies würde zu dem gleichen Effekt führen, wenn die zwei Zellen eine fast gleiche Zahl an Schaltvorgängen aber einen großen Unterschied in ihren Einschaltdauern aufweisen.
In einer zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren Gewichten der Ansteuerzeiten beziehungsweise der Anzahl der Schaltvorgänge der einzelnen Zellen mit einem Gewichtungsfaktor. Durch den Gewichtungsfaktor können die Ansteuerzeiten untereinander beispielsweise in ihrer momentan auftretenden Belastung zum Ansteuerzeitpunkt bewertet werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Gewichtungsfaktor vom Ausgangsstrom, von der Ausgangsspannung des Multilevel-Konverters und/oder von der Spannung der jeweiligen aktiven Zelle zum Zeitpunkt der Ansteuerzeit-Erfassung abhängig sein. Die Ausgangsspannung muss dabei nicht explizit gemessen werden, sondern kann auch durch eine Summation der Zellspannungen der einzelnen aktiven Zellen ausgerechnet werden. Die Bildung des Gewichtungsfaktors auf diesem Wege kann den Einfluss nichtlinearer Lasten am Ausgang des Multilevel-Generators auf die Entscheidung, welche Zelle als nächstes zur Ausgangsspannung des Multilevel-Generators beiträgt, verringern.
Die Erfindung gibt auch eine Vorrichtung an, die zur Ausführung eines angegebenen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung weist insbesondere einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
Die Erfindung gibt auch eine Schaltung an, die einen Multilevel-Konverter mit unabhängig voneinander schaltbaren Zellen, die jeweils zur Abgabe einer Zellspannung basierend auf einem jeweiligen Ansteuersignal vorgesehen sind, und eine angegebene Vorrichtung umfasst.
Ferner gibt die Erfindung ein Röntgengerät an, dass eine Röntgenquelle und eine die Röntgenquelle mit elektrischer Energie versorgende angegebene Schaltung umfasst.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
1 ein Schaltbild eines auf einem Marx-Generator basierenden Multilevel-Generators,
2 den Multilevel-Generator aus 1 im Ladezustand,
3 den Multilevel-Generator aus 1 in einem ersten Entladezustand,
4 den Multilevel-Generator aus 1 in einem zweiten Entladezustand,
5 den Multilevel-Generator aus 1 in einem dritten Entladezustand,
6 ein Diagramm mit einem quantisierten Referenzsignal für die vom Multilevel-Generator zu erzeugende Ausgangsspannung,
7 ein Diagramm mit einem Beispiel von Ansteuersignalen für den Multilevel-Generator,
8 ein Diagramm mit einem weiteren Beispiel von Ansteuersignalen für den Multilevel-Generator,
9 ein Ablaufdiagramm mit einem Verfahren zur Erzeugung der Ansteuersignale für den Multilevel-Generator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
10 ein Diagramm mit einem Beispiel von Ansteuersignalen, die mit einem Verfahren nach 9 erzeugt wurden, und
11 ein Diagramm mit einem weiteren Beispiel von Ansteuersignalen, die mit einem Verfahren nach 9 erzeugt wurden, zeigen.
Es wird auf die 1 bis 5 Bezug genommen, die ein Schaltbild eines Multilevel-Generators 1 mit einem Multilevel-Konverter 2, einer elektrischen Energiequelle 6 und einer Steuervorrichtung 8 zeigen. In den 1 bis 5 stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente dar. Der Multilevel-Generator 2 ist als Marx-Generator ausgeführt. Jedoch lässt sich die Erfindung in beliebigen Multilevel-Generatoren wie zum Beispiel Multilevel-H-Brückengeneratoren, Flying-Capacitor-Multilevel-Generatoren oder Diode-Clamped-Multilevel-Generatoren anwenden.
Der Multilevel-Konverter 2 versorgt eine elektrische Last 4 mit elektrischer Energie aus der elektrischen Energiequelle 6. Dazu wird der Multilevel-Konverter 8 durch die Steuervorrichtung 8 angesteuert.
Die elektrische Last 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Hochspannungslast, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mit Spannungen betrieben wird, die deutlich höher sind, als die Leerlaufspannung der elektrischen Energiequelle. Derartige Hochspannungslasten stellen beispielsweise Röntgenquellen eines Computertomographen oder ein Elektromotoren in Hybridfahrzeugen dar.
Die elektrische Energiequelle 6 ist in der vorliegenden Ausführung eine Gleichspannungsquelle. Die abgegebene Gleichspannung kann dabei in beliebiger Weise erzeugt werden. So kann die Gleichspannung beispielsweise von einem Wechselrichter bereitgestellt werden, der an ein gewöhnliches Haushaltsnetz mit zwei oder drei Phasen angeschlossen ist, oder von einem Fahrzeuggenerator, der beispielsweise die Bremsenergie des Hybridfahrzeugs als Gleichspannung abgibt. Zur übersichtlicheren Darstellung der Ausführungsbeispiele ist die elektrische Energiequelle 6 entgegen schaltungstechnischer Konventionen nicht mit dem negativen Potential (–) zur Bildunterseite gerichtet sondern zur Bildoberseite gerichtet eingezeichnet. Eine entsprechende Quellspannung 9 der elektrischen Energiequelle 6 zeigt daher nicht in die Bildebene hinein betrachtet von oben nach unten sondern von unten nach oben.
Auf die Steuervorrichtung 8 wird an späterer Stelle detailliert eingegangen.
Der Multilevel-Generator 2 weist in der vorliegenden Ausführung Zwischenspeicher 10 bis 14 auf, die die elektrische Energie aus der elektrischen Energiequelle 6 in einer noch zu beschreibenden Weise zwischenspeichern. Nachstehend werden die Zwischenspeicher in die Zeichnungsebene hinein betrachtet von unten nach oben als erster Zwischenspeicher 10 bis fünfter Zwischenspeicher 14 durchgezählt. Als Zwischenspeicher 10 bis 14 können alle Energiespeichersysteme verwendet werden, die elektrische Energie aufnehmen, speichern und auf Abruf wieder abgeben können. Derartige Energiespeichersysteme sind beispielsweise Kondensatoren oder Akkumulatoren. In den Figuren sind als Zwischenspeicher 10 bis 14 beispielhaft Kondensatoren dargestellt.
Die Zwischenspeicher 10 bis 14 können über einen Ladeschalter 16 und über Schutzdioden 18 bis 22 parallel mit der elektrischen Energiequelle 6 verbunden. Auf diese Weise können die einzelnen Zellspannungen 44 bis 48 der Zwischenspeicher 10 bis 14 bis auf den Wert der Quellspannung 9 erhöht und die Zwischenspeicher 10 bis 14 so geladen werden.
Darüber hinaus ist jeder Zwischenspeicher 10 bis 14 in einer Speicherzelle 24 bis 28 verschaltet, in der ferner jeweils eine Freilaufdiode 30 bis 34 und ein Entladeschalter 36 bis 40 verschaltet ist. Diese Speicherzellen 24 bis 28 sind ein Beispiel für die eingangs erwähnten Energieabgabezellen. Die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 sind in Reihe mit der elektrischen Last verbunden. Die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 können das Level einer Verbraucherspannung 42 an der elektrischen Last 6 individuell und unabhängig voneinander erhöhen. Dazu können die Entladeschalter 36 bis 40 einer Speicherzelle 24 bis 28 in der Reihenschaltung zwischen den Zwischenspeichern 10 bis 14 Freilaufdioden 30 bis 34 ausgewählt werden. Ist die Freilaufdiode 30 bis 34 ausgewählt, trägt die entsprechende Speicherzelle nicht zur Verbraucherspannung 42 bei. Ist der Zwischenspeicher 10 bis 14 ausgewählt, so wird die Verbraucherspannung 42 um die Zellspannung 44 bis 48 erhöht, die der Zwischenspeicher 10 bis 14 abgibt.
In jeder Speicherzelle 24 bis 28 sind die Anoden der Freilaufdioden 30 bis 34 mit dem Schalter und die Kathoden der Freilaufdioden 30 bis 34 mit dem Zwischenspeicher 10 bis 14 verbunden. Ferner wird eine geschlossene Masche gebildet, indem der Zwischenspeicher 10 bis 14 mit dem Entladeschalter 36 bis 40 verbunden wird.
Aus den 1 bis 5 ergibt sich, dass der Ladeschalter 16 geöffnet sein muss, wenn mehr als ein Entladeschalter 36 bis 40 geschlossen ist. Anderenfalls würde die Quellspannung 9 unter die Summe der wirksam in Reihe geschalteten Zellspannungen 44 bis 48 fallen, so dass in diesem Fall auch die elektrische Energiequelle 6 einen elektrischen Verbraucher darstellt. Im geöffneten Zustand des Ladeschalters 16 sorgen die Schutzdioden 18 bis 22 dafür, dass kein Stromfluss zwischen den Speicherzellen 24 bis 28 und der elektrischen Energiequelle 6 zustande kommt.
In 2 sind die wirksamen Strompfade im Multilevel-Konverter 2 während der Ladephase der Speicherzellen 24 bis 28 mit gestrichelten Linien dargestellt.
Unter der oben genannten Voraussetzung, dass die Quellspannung 9 in der Bildebene nach oben gerichtet ist, fließt ein Ladestrom 50 in einen mit der elektrischen Energiequelle verbundenen Massepunkt 52 hinein und aus einem mit der ersten Speicherzelle 10 verbundenen Massepunkt 54 wieder heraus. Da die Entladeschalter 36 bis 40 geöffnet sind, kann sich der Ladestrom 50 lediglich über die Freilaufdioden 30 bis 34 auf die einzelnen Zwischenspeicher 10 bis 14 aufteilen und über die Schutzdioden 18 bis 22 in die elektrische Energiequelle 6 zurückfließen. Sind die Zwischenspeicher 10 bis 14 ausreichend aufgeladen, was im Falle eines Kondensators beispielsweise anhand seines bekannten Ladeverhaltens über seine Zeitkonstante vorab bestimmt werden kann, kann der Ladeschalter geöffnet werden.
In 3 ist der wirksame Strompfad im Multilevel-Konverter während einer aktiven Phase gezeigt, in der lediglich der fünfte Zwischenspeicher 14 entladen wird.
In diesem Fall ist lediglich der fünfte Entladeschalter 40 geschlossen und alle anderen Entladeschalter 36 bis 39 sind geöffnet. War zudem der fünfte Zwischenspeicher 14 während der Ladephase ein elektrischer Verbraucher, der elektrische Leistung aus der elektrischen Energiequelle 6 aufgenommen hat, so ist er während der aktiven Phase eine elektrische Energiequelle, die elektrische Energie an den elektrischen Verbraucher 4 abgibt. Daher auch der Name, aktive Phase. Die Richtung der Zellspannung 48 des fünften Zwischenspeichers 14 ändert beim Übergang zwischen der Ladephase und der aktiven Phase nicht.
Wirkt der fünfte Zwischenspeicher 14 wie eine elektrische Energiequelle, dann gibt er einen Entladestrom 56 ab. Dieser Entladestrom 56 verlässt die fünfte Speicherzelle 28 und fließt über den elektrischen Verbraucher 4 in die erste Speicherzelle 24. Dort tritt er in die Speicherzelle 24 zwischen der Freilaufdiode 30 und dem Entladeschalter 36 ein. Da der Entladeschalter 36 geschlossen ist, kann der Entladestrom 56 nur über die Freilaufdiode 30 aus der ersten Speicherzelle 24 wieder abfließen. Aus der ersten Speicherzelle 24 heraus fließt der Entladestrom 56 in die zweiter Speicherzelle 25 und passiert sie in der gleichen Weise, wie die erste Speicherzelle 24. Dies wiederholt sich auch in der dritten und vierten Speicherzelle 26, 27, bis der Entladestrom 56 in der fünften Speicherzelle ankommt.
Dort ist der entsprechende Entladeschalter 40 geschlossen. Zwar ist die Freilaufdiode 34 durchlässig, das negative Potential des fünften Zwischenspeichers 14 zwingt den Entladestrom 56 jedoch über den geschlossenen Entladeschalter 40 wieder zurück in den fünfte Zwischenspeicher 14 zu fließen.
In 4 ist der wirksame Strompfad im Multilevel-Konverter 2 während einer aktiven Phase gezeigt, in der lediglich der vierte Zwischenspeicher 14 entladen wird. Der wirksame Strompfad unterliegt den gleichen Bedingungen, wie der wirksame Strompfad der 3 und soll daher nur noch flankierend erläutert werden.
In diesem Fall ist lediglich der vierte Entladeschalter 39 geschlossen und alle anderen Entladeschalter 36 bis 38, 40 sind geöffnet.
Der Entladestrom 56 wird in diesem Fall vom vierten Zwischenspeicher bereitgestellt. Er tritt aus der vierten Speicherzelle 27 aus und in die fünfte Speicherzelle 28 ein. Dort fließt er über die Freilaufdiode 34 ab, verlässt die fünfte Speicherzelle 28 und fließt über den elektrischen Verbraucher 4 und die erste bis dritte Speicherzelle 24 bis 26 in die vierte Speicherzelle 27 zurück.
In gleicher Weise können die erste bis dritte Speicherzelle 24 bis 26 an den elektrischen Verbraucher 4 einen Entladestrom 56 abgeben. In jedem Fall, wenn an den elektrischen Verbraucher nur eine einzige Speicherzelle 24 bis 28 angelegt ist, liegt an dem elektrischen Verbraucher 4 nur eine einfache Zellspannung 44 bis 48 als Verbraucherspannung 42 an.
In 5 ist der wirksame Strompfad im Multilevel-Konverter 2 während einer aktiven Phase gezeigt, in der der vierte und fünfte Zwischenspeicher 13 und 14 gemeinsam entladen werden. Auch in diesem Fall unterliegt der wirksame Strompfad den gleichen Bedingungen, wie der wirksame Strompfad der 3 und soll daher nur noch flankierend erläutert werden.
In 5 sind der vierte und fünfte Entladeschalter 39, 40 geschlossen und alle anderen Entladeschalter 36 bis 38 geöffnet.
Der Entladestrom 56 wird in diesem Fall vom vierten und fünften Zwischenspeicher 13, 14 bereitgestellt. Er tritt aus der vierten Speicherzelle 27 aus und in die fünfte Speicherzelle 28 ein. Dort fließt er über Entladeschalter 40 und den fünften Zwischenspeicher ab, verlässt die fünfte Speicherzelle 28 und fließt über den elektrischen Verbraucher 4 und die erste bis dritte Speicherzelle 24 bis 26 in die vierte Speicherzelle 27 zurück.
Da an dem elektrischen Verbraucher 4 nun zwei Speicherzellen 27, 28 angelegt sind, liegt an dem elektrischen Verbraucher 4 nun die Summe der Zellspannung 47, 48 der vierten und fünften Speicherzelle 27, 28 an. In gleicher Weise kann die am elektrischen Verbraucher 4 abfallende Verbraucherspannung 42 weiter erhöht werden, wenn weitere Entladeschalter 36 bis 38 in den verbleibenden Speicherzellen 24 bis 26 geschlossen werden.
Damit können die Zwischenspeicher 10 bis 14 der einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 über die Entladeschalter 36 bis 40 individuell entladen werden und zur Ausgangsspannung 42 am elektrischen Verbraucher 4 beitragen.
Gesteuert werden die Entladeschalter 36 bis 40 über die Steuervorrichtung 8. Diese empfängt ein quantisiertes Referenzsignal 58, dessen Form durch die Ausgangsspannung 42 nachgebildet werden soll. Das quantisierte Referenzsignal 58 kann in beliebiger Weise generiert werden, vorzugsweise wird es jedoch durch eine mehrdimensionale Pulsweitenmodulation gebildet, bei der in einer an sich bekannten Weise ein analoges Referenzsignal mit mehreren gleichförmigen und zueinander phasenverschobenen Pulssignalen verglichen wird. Nur diejenigen Vergleichsergebnisse, deren Differenz zwischen Referenzsignal und Pulssignal positiv sind, erhöhen den Pegel des quantisierten Referenzsignals. Ein Vertreter dieses Verfahrens ist die Sinus-Dreieck-Modulation.
Basierend auf dem quantisierten Referenzsignal 58 erzeugt die Steuervorrichtung 8 für jeden Entladeschalter 36 bis 40 ein Ansteuersignal 60 bis 64, um mit den einzelnen Speicherzellen 24 bis 30 die Form des quantisierten Referenzsignals 56 in der Ausgangsspannung 42 nachzubilden.
Es wird auf 6 Bezug genommen, die ein Diagramm mit dem quantisierten Referenzsignal 56 zeigt. In dem Diagramm der 6 ist über eine Spannung 66 über die Zeit 68 qualitativ aufgetragen. In 6 werden zu den vorstehenden FIG gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben.
Das quantisierte Referenzsignal 56 ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Auslenkungswerte nur einzelne Rasterwerte 70 bis 71 einnehmen können, die durch sogenannte Quantisierungsstufen 74, 75 bestimmt sind. Für alle folgenden Erläuterungen wird ein quantisiertes Referenzsignal 56 mit lediglich zwei Quantisierungsstufen 74, 75 betrachtet, obwohl sich mit dem in den 1 bis 5 gezeigten Multilevel-Konverter 2 in der Ausgangsspannung 42 die Form eines ein quantisiertes Referenzsignals 56 mit bis zu fünf Quantisierungsstufen 74, 75 nachbilden lässt.
Das dem quantisierten Referenzsignal 56 zugrundeliegende analoge Referenzsignal 76 ist in 6 der Vollständigkeit halber in gestrichelter Linie mit eingezeichnet.
Ferner sind in 6 sind die oben beschriebenen aktiven Phasen 78, 79 und die Ladephasen 80 angedeutet. Die gleichzeitige Erzeugung einer positiven und negativen Halbwelle in der Ausgangsspannung 42 mit einem einzigen Multilevel-Konverter 2 ist technisch nicht möglich. Um demnach eine vollständige Sinusspannung als Ausgangsspannung 42 am elektrischen Verbraucher 4 nachzubilden, ist daher eine Zusammenschaltung zweier Multilevel-Konverter 2, bei denen einer die positive und einer die negative Halbwelle der Sinusspannung erzeugt.
Es wird auf 7 Bezug genommen, in der ein Beispiel für die Ansteuersignale 63, 64 gezeigt ist, die in der Summe das quantisierte Referenzsignal 56 ergeben. In 7 werden zu den vorangegangenen FIG gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben.
Unter der oben genannten Voraussetzung, dass das quantisierte Referenzsignal lediglich zwei Quantisierungsstufen 74, 76 aufweist, werden zur Nachbildung der Form des quantisierten Referenzsignals 56 in der Ausgangsspannung 42 lediglich die vierte und fünfte Speicherzelle 27, 28 angesteuert und ihre entsprechenden Zwischenspeicher 13, 14 entladen.
Wie aus 7 ersichtlich übernimmt in dem vorliegenden Beispiel die vierte Speicherzelle 27 die Nachbildung der Form der oberen Quantisierungsstufe 74 des quantisierten Referenzsignals 56 in der Ausgangsspannung 42, da ihr entsprechendes Ansteuersignal 63 für den Entladeschalter 39 die Form der oberen Quantisierungsstufe 74 des quantisierten Referenzsignals 56 aufweist. Entsprechend übernimmt die fünfte Speicherzelle 28 die Nachbildung der Form der unteren Quantisierungsstufe 75 des quantisierten Referenzsignals 56 in der Ausgangsspannung 42.
Es ist zu erkennen, dass die aufsummierte Einschaltzeit über die beiden gezeigten aktive Phasen 78, 79 der vierten Speicherzelle 27 im Vergleich zur fünften Speicherzelle 28 deutlich kleiner ist, da die vierte Speicherzelle 27 seltener angesteuert wird, als die fünfte Speicherzelle 28. So ist die vierte Speicherzelle 27 in der Summe nur über 8 Zeiteinheiten 82 eingeschaltet, während die fünfte Speicherzelle 28 über 22 Zeiteinheiten 82 eingeschaltet ist.
Zudem weist das Ansteuersignal 63 der vierten Speicherzelle 27 weniger Flanken auf, als das Ansteuersignal 64 der fünften Speicherzelle 28. So durchläuft die vierte Speicherzelle 27 in der Summe 6 Schaltvorgänge (ein Schaltvorgang ist eine positive oder eine negative Flanke im Ansteuersignal 63, 64) während die fünfte Speicherzelle 28 in der Summe 10 Schaltvorgänge durchläuft.
Dies hat zur Folge, dass der Zwischenspeicher 13 der vierten Speicherzelle 27 weniger belastet wird als der Zwischenspeicher 14 der fünften Speicherzelle 28. Ebenso wird der Zwischenspeicher 13 der vierten Speicherzelle 27 weniger entladen als der Zwischenspeicher 14 der fünften Speicherzelle 28.
Um die einzelnen Bauelemente des Multilevel-Konverters 2 möglichst lang haltbar zu dimensionieren, müssen die Speicherzellen 24 bis 28 so ausgelegt werden, dass sie an jeder Position im Mulitlevel-Konverter 2 eingesetzt werden können und durch die entstehenden Verluste nicht zerstört werden können.
Zusätzlich ist zur Verringerung der Schaltverluste eine Schaltfrequenzbegrenzung notwendig. Die Zwischenspeicher 10 bis 14 müssen zusätzlich so ausgelegt sein, dass der Spannungseinbruch an den Speicherzellen 24 bis 28 bedingt durch den Entladestrom 56 unabhängig von der Position im Modul vertretbar klein bleibt. Durch diese Vorgehensweise sind jedoch die meisten Speicherzellen 24 bis 28 im Multilevel-Konverter 2 überdimensioniert, wodurch der Preis des Moduls zunimmt.
Zwar wäre als Abhilfe denkbar, jede Speicherzelle 24 bis 28 individuell für die vorgesehene Position im Multilevel-Konverter 2 zu dimensionieren. Dies hätte aber n-mal unterschiedliche Speicherzellen 24 bis 28 und somit geringere Stückzahlen je Speicherzelle 24 bis 28 und dadurch höhere Fertigungskosten zur Folge. Auch der Fertigungsaufwand würde steigen, da jede Zelle einen festen Einbauplatz hätte. Ebenso könnte der Multilevel-Konverter 2 nicht modular (das heißt, dass beliebig hohe Ausgangsspannungen 42 durch beliebiges Aneinanderreihen von Speicherzellen 24 bis 28 möglich sind) aufgebaut werden, da jede Speicherzellen 24 bis 28 separat zu dimensionieren wäre.
Daher sollten zur Nachbildung der Form einer Quantisierungsstufe 74 des quantisierten Referenzsignals 56 über einen vorbestimmten Zeitraum gesehen, nicht eine einzige Speicherzelle 24 bis 28, sondern mehrere Speicherzellen 24 bis 28 gemeinsam beitragen. Auf diese Weise kann der Energiefluss von der elektrischen Energiequelle 6 zur elektrischen Last 4 über die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 verteilt werden, so dass auch die Belastungen unter den Speicherzellen 24 bis 28 ausgeglichen sind.
Es wird auf 8 Bezug genommen, in der ein weiteres Beispiel für die Ansteuersignale 63, 64 gezeigt ist, die in der Summe das quantisierte Referenzsignal 56 ergeben. In 8 werden zu den vorangegangenen FIG gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben. Weiterhin wird in 8 weiterhin die Erzeugung einer Ausgangsspannung 42 mit der Form des zweistufig quantisierten Referenzsignals 56 aus 6 vorausgesetzt.
In diesem Beispiel werden die Schaltverluste sowie die Strombelastungen auf die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 im Multilevel-Konverter 2 aufgeteilt.
Voraussetzung dafür ist, dass sich die Form des quantisierten Referenzsignals 56 und damit die Form der Ausgangsspannung 4 über mehrere aktive Phasen 78, 79 wiederholt, oder zumindest ähnelt.
Das Verfahren zur Erzeugung der Ansteuersignale 63, 64 entspricht im Wesentlichen dem im Rahmen der 7 erläuterten Verfahren.
Jedoch werden nach jeder aktiven Phase 78. 79 die zu erzeugenden Quantisierungsstufen 74, 75 des quantisierten Referenzsignals 56 in den Ansteuersignalen 63, 64 so getauscht, dass gemittelt über einen vorbestimmten Zeitraum 82 von zwei aktive Phasen jede Speicherzelle 27, 28, jede Quantisierungsstufe 74, 75 des quantisierten Referenzsignals 56 erzeugt hat. Dadurch ist bei einer über mehrere aktive Phasen 78, 79 hinweg gleichbleibenden Form der Ausgangsspannung 42 gemittelt über den vorbestimmten Zeitraum 82 die gleiche Belastung beider Speicherzellen 27, 28 gewährleistet. Wird in einer in 8 nicht gezeigten Weise ein über zwei Quantisierungsstufen 74, 75 hinausgehendes quantisiertes Referenzsignal 56 erzeugt, können die Quantisierungsstufen 74, 75 des quantisierten Referenzsignals 56 der einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 so getauscht werden, dass zwei bestimmte Speicherzellen 24 bis 28 über den vorbestimmten Zeitraum 82 in etwa die Belastung erfahren haben, die der durchschnittlichen Belastung aller Speicherzellen 24 bis 28 entspricht.
Die Belastung der einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 kann bei bekannter Form des quantisierten Referenzsignals 56 und damit bei bekannter Form der Ausgangsspannung 42 vorab einmalig bestimmt werden. Basierend darauf kann die Reihenfolge fest in einer Speicherlogik beispielsweise in der Steuereinheit 8 hinterlegt werden. Mit Hilfe dieser Speicherlogik werden dann die erzeugten Ansteuersignale 60 bis 64 für die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 des Multilevel-Konverters 2 nach jeder aktiven Phase 78, 79 getauscht.
Vereinfacht ist es auch möglich, die Ansteuersignale 60 bis 64 sequentiell zu tauschen. Dies hat zur Folge, dass sich die Ansteuersignale 60 bis 64 pro Zelle alle der Anzahl der Speicherzellen 24 bis 28 entsprechenden aktiven Phasen 78. 79 wiederholen.
Im Beispiel der 8 ist zu erkennen, dass über die beiden gezeigten aktive Phasen 78, 79 und damit über den vorbestimmten Zeitraum 82 die aufsummierte Einschaltzeit der vierten Speicherzelle 27 der aufsummierten Einschaltzeit der fünften Speicherzelle 28 ist, da die vierte Speicherzelle 27 zwar in der ersten aktiven Phase 78 seltener angesteuert wird als die fünfte Speicherzelle 28, in der zweiten aktiven Phase 79 wird die vierte Speicherzelle 27 jedoch so oft angesteuert, wie die fünfte Speicherzelle 28 in der ersten aktiven Phase 78 und umgekehrt, die fünfte Speicherzelle 28 so oft, wie die vierte Speicherzelle 27 in der ersten aktiven Phase 78. So sind beide Speicherzellen 27 über den vorbestimmten Zeitraum 82 hinweg in der Summe über 15 Zeiteinheiten 82 eingeschaltet.
Dieselbe Beobachtung lässt sich zu den Flanken der Ansteuersignale 63, 64 treffen. Beide Speicherzellen 27, 28 durchlaufen damit in der Summe 8 Schaltvorgänge.
In einer Weiterführung des Beispiels nach 8 können die Schaltverluste pro Schaltvorgang sowie die Verluste durch die Strombelastung über die Einschaltdauer in Abhängigkeit von der Zellspannung 44 bis 48 und bei variierender elektrischer Last 4 auch in Abhängigkeit von der elektrischen Last 4 für jede Quantisierungsstufe 74, 75 des quantisierten Referenzsignals 58 bestimmt werden. Zusätzlich können in die Steuereinrichtung 8 für die Schaltvorgänge jeder Speicherzelle 24 bis 28 ein individueller Zähler sowie für die Einschaltdauer jeder Speicherzelle 24 bis 28 eine Zeitmessung aufgenommen sein. Zähler und Zeitmessung können zudem individuell für jede aktive Phase 78, 79 betrieben werden. Mit Hilfe der Daten aus den Zählern und den Zeitmessungen sowie den zuvor bestimmten Verlusten können dann die Gesamtverluste in jeder Speicherzelle 24 bis 28 bzw. in den einzelnen Bauelementen jeder Speicherzelle 24 bis 28 ermittelt werden.
Über Algorithmische Verfahren lassen sich aus den Gesamtverlusten die den Ansteuersignalen 60 bis 64 zuzuordnenden Quantisierungsstufen 74, 75 des quantisierten Referenzsignals 56 für je aktive Phase 78, 79 getrennt bestimmen, so dass die durchschnittliche Belastung aller Speicherzellen 24 bis 28 im Mittel gleich ist. Werden als Entladeschalter 36 bis 40 beispielsweise Halbleiterschalter eingesetzt, so sind bei höheren Frequenzen die Schaltverluste größer als die Durchlassverluste. Werden als Zwischenspeicher 10 bis 14 Kondensatoren eingesetzt, so sind in der Regel die Durchlassverluste in den Kondensatoren ebenfalls kleiner als in den Halbleiterschalter, weshalb im allg. nur die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern berücksichtigt werden brauchen. Auf eine Zeitmessung zur Bestimmung der Einschaltdauern kann in diesem Fall verzichtet werden.
Ein Nachteil dieser Variante ist jedoch, dass sich die Form der Ausgangsspannung 4 und damit die Form des quantisierten Referenzsignals 56 über mehrere aktive Phasen 78, 79 nicht ändern darf. Ferner werden keine zeitlichen Spitzenbelastungen reduziert, da die Verluste der am stärksten belasteten Speicherzelle 24 bis 28 innerhalb einer aktiven Phase 78, 79 nicht auf weniger stark belastete Speicherzelle 24 bis 28 aufgeteilt werden. Soll der Multilevel-Konverter 2 modular aufbaubar sein, so müssen auch alle Speicherzellen 24 bis 28 weiterhin hinsichtlich dieser zeitlichen Spitzenbelastungen dimensioniert werden. Dies ist besonders wichtig, wenn als Zwischenspeicher 10 bis 14 Kondensatoren eingesetzt werden, da sonst die Zellspannung 44 bis 48 durch die Entladung an einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 zu klein werden würde.
Es wird auf 9 Bezug genommen, in der die Schritte eines Verfahrens 84 zur Erzeugung von zu 7 und 8 alternativen Ansteuersignalen 63, 64 gezeigt ist. Das gesamte Verfahren 84 wird durch die in 1 gezeigte Steuervorrichtung 8 ausgeführt. In der Steuervorrichtung 8 sind zur Ausführung des Verfahrens 84 ein nicht gezeigter Prozessor sowie ein nicht gezeigter Timer für jede Speicherzelle 24 bis 28 und ein nicht gezeigter Zähler für jede Speicherzelle 24 bis 28 vorhanden. Während die Steuervorrichtung 8 mit den Timern individuell die Einschaltdauern jeder Speicherzelle 24 bis 28 bestimmen kann, kann sie mit den Zählern individuell die Anzahl der durchgeführten Schaltvorgänge einer jeden Speicherzelle 24 bis 28 bestimmen.
Das Verfahren 84 kann in der Steuervorrichtung 9 als Funktion auf einem Logikbaustein, der Zähler und Timer enthält, implementiert sein und zwischen einer bereits bekannten Steuersignalerzeugung und einer ebenfalls bekannten Ansteuerschaltung für die Speicherzellen 24 bis 28 eingefügt werden.
Durch das Verfahren 84 kann der vorbestimmte Zeitraum 82 auf die aktive Phasen 78, 79 des quantisierten Referenzsignals 56 reduziert werden.
Die Steuervorrichtung 8 startet das Verfahren 84 in Schritt 86 mit der bereits erläuterten Erzeugung des quantisierten Referenzsignals 56 aus einem analogen Referenzsignal 76 beispielsweise basierend auf einer Sinus-Dreieck-Modulation. Das quantisierte Referenzsignal 56 kann optional gemäß 7 aus einzelnen Teilsignalen bestehen, wobei jedes Teilsignal den zeitlichen Verlauf einer der Quantisierungsstufen 74, 75 des quantisierten Referenzsignals 56 entspricht.
In Schritt 88 startet die Steuervorrichtung 8 den wesentlichen Teil des Verfahrens 84 durch Abprüfen, ob der Multilevel-Konverter 2 in einer aktiven Phase 78, 79 ist.
Befindet sich der Multilevel-Konverter 2 außerhalb einer aktiven Phase 78, 79, setzt die Steuervorrichtung 8 in Schritt 90 die Zähler und Timer auf einen Standartwert zurück und kehrt zu Schritt 88 zurück, bis der Multilevel-Konverter 2 in eine aktive Phase 78, 79 übergegangen ist.
Ist der Multilevel-Konverter 2 in eine aktive Phase 78, 79 übergegangen, dann folgt in den Schritten 92, 94, 94‘ eine Erkennung und Auswertung der Flanken des quantisierten Referenzsignals 56 oder alternativ der Flanken der oben genannten Teilsignale. Während die Steuervorrichtung 8 in Schritt 92 die Flanke selbst erkennt, prüft sie in Schritt 94 ab, ob die Flanke positiv ist, und in Schritt 94‘, ob die Flanke negativ ist. Wenn die erkannte Flanke beispielsweise aufgrund eines Fehlers weder positiv noch negativ war, dann kehrt die Steuervorrichtung 8 zu Schritt 88 zurück.
Im Folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte, die auf eine Erkennung einer positiven Flanke im quantisierten Referenzsignal 56 folgen gemeinsam mit den Verfahrensschritten erklärt, die auf eine Erkennung einer negativen Flanke im quantisierten Referenzsignal 56 folgen. Auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den beiden Verfahrenszweigen wird an den entsprechenden Stellen explizit hingewiesen.
Erkennt die Steuervorrichtung 8 in Schritt 94 eine positive beziehungsweise in Schritt 94‘ eine negative Flanke, so vergleicht sie in Schritt 96 anhand der Timer die Einschaltdauern der bereits aktiven Speicherzellen 24 bis 28, deren Entladeschalter 36 bis 40 im Moment des Vergleichs geschlossen sind, beziehungsweise in Schritt 96‘ die Einschaltdauern der inaktiven Speicherzellen 24 bis 28, deren Entladeschalter 36 bis 40 im Moment des Vergleichs geöffnet ist. Anhand der Timer, das heißt anhand der Einschaltdauern, lassen sich die Leitungsverluste messen, denn je länger der Zwischenspeicher 10 bis 14 einer Speicherzelle 24 bis 28 entladen wird, desto höher sind die auftretenden Speicherverluste.
Dies wird in den Schritten 98, 100 beziehungsweise 98‘, 100‘ dadurch berücksichtigt. Im Schritt 98 prüft die Steuervorrichtung 8 für den Fall einer positiven Flanke (Verfahrenszweig ab Schritt 94), ob die beiden Speicherzellen 24 bis 28 mit den derzeit kürzesten Einschaltdauern identische Einschaltdauern aufweisen. Gibt es eine eindeutige Speicherzelle 24 bis 28 mit einer kürzesten Einschaltdauer, wählt die Steuervorrichtung 8 diese in Schritt 100 aus, aktiviert sie in Schritt 102, aktiviert ihren entsprechenden Timer in Schritt 104 und inkrementiert in Schritt 106 ihren entsprechenden Zähler. Schließlich kehrt die Steuervorrichtung 8 zu Schritt 88 zurück. Demgegenüber prüft die Steuervorrichtung 8 für den Fall einer negativen Flanke (Verfahrenszweig ab Schritt 94‘) im Schritt 98‘, ob die beiden Speicherzellen 24 bis 28 mit den derzeit längsten Einschaltdauern identische Einschaltdauern aufweisen. Gibt es eine eindeutige Speicherzelle 24 bis 28 mit einer längsten Einschaltdauer, wählt die Steuervorrichtung 8 diese in Schritt 100‘ aus, schaltet sie in Schritt 102‘ ab und stoppt ihren entsprechenden Timer in Schritt 104‘. Optional kann in nicht gezeigter Weise der entsprechende Zähler für einen Schaltvorgang inkrementiert werden, was aber nicht notwendig ist, da ein Einschaltvorgang immer auch einen Ausschaltvorgang bedingt, so dass beide Schaltvorgänge voneinander abhängig und ihre Gesamtzahl daher durch Zählen eines der beiden Schaltvorgänge bestimmbar ist. In jedem Fall kehrt die Steuervorrichtung 8 entweder nach Schritt 104‘ oder nach einem nicht gezeigten Inkrementierungsschritt des zur ausgeschalteten Speicherzelle 24 bis 28 gehörenden Zählers nach Schritt 104‘ zu Schritt 88 zurück.
In den Schritten 102, 102‘ ist die Aktivierung der Speicherzelle 24 bis 28 beziehungsweise das Ausschalten der Speicherzelle 24 bis 28 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung 8 das der Speicherzelle 24 bis 28 entsprechende Ansteuersignal 60 bis 64 aktiviert beziehungsweise deaktiviert.
Weisen in Schritt 98 mindestens zwei Speicherzellen 24 bis 28 mit den derzeit kürzesten Einschaltdauern beziehungsweise in Schritt 98‘ mindestens zwei Speicherzellen 24 bis 28 mit den derzeit längsten Einschaltdauern identische Einschaltdauern auf, dann vergleicht die Steuervorrichtung 8 in Schritt 108 beziehungsweise in Schritt 108‘ die Zahl der Schaltvorgänge der betreffenden Speicherzellen 24 bis 28 mit den längsten beziehungsweise kürzesten Einschaltdauern anhand der Zähler.
In den Schritten 110 und 110‘ prüft die Steuervorrichtung 8 anhand der Zähler einheitlich, ob unter den betreffenden Speicherzellen 24 bis 28 mit den kürzesten beziehungsweise längsten Einschaltdauern eine Speicherzelle 24 bis 28 mit geringeren Schaltvorgängen vorliegt. Ist dies der Fall, dann wählt die Steuervorrichtung 8 aus den betreffenden Speicherzelle 24 bis 28 mit den geringsten Schaltvorgängen, also mit dem geringsten zugehörigen Zählerwert aus und verfährt weiter mit Schritt 102 beziehungsweise mit Schritt 102‘ in der bereits beschriebenen Weise.
Wenn sich weder anhand der Schritte 98, 98‘ noch anhand der Schritte 110, 110‘ eine Speicherzelle 24 bis 28 mit den kürzesten Einschaltdauern und/oder mit den wenigsten Schaltvorgängen finden lässt, dann wählt die Steuervorrichtung 8 in Schritt 114 beziehungsweise in Schritt 114‘ willkürlich eine Speicherzelle 24 bis 28 aus den mehreren bestimmten Speicherzellen 24 bis 28 mit den kürzesten Einschaltdauern und/oder mit den wenigsten Schaltvorgängen aus und verfährt weiter mit Schritt 102 beziehungsweise mit Schritt 102‘ in der bereits beschriebenen Weise.
Es wird Bezug auf 10 genommen, die zwei Ansteuersignale 63, 64 zeigt, die in der Summe das quantisierte Referenzsignal 56 ergeben. In 10 werden zu den vorangegangenen FIG gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben. Weiterhin wird in 10 die Erzeugung einer Ausgangsspannung 42 mit der Form des zweistufig quantisierten Referenzsignals 56 aus 6 vorausgesetzt.
Aus 10 ist unmittelbar ersichtlich, dass das Verfahren 84 anders als das im Rahmen der 8 beschriebene Verfahren zu einer Begrenzung der vorbestimmten Zeitraum 82 auf die aktive Phase 78, 79 des quantisierten Referenzsignals 56 führt. Auf diese Weise werden nicht nur die zeitlichen Belastungen zwischen den einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 des Multilevel-Konverters 2 untereinander ausgeglichen, auch die Spitzenbelastungen der einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 des Multilevel-Konverters 2 während einer aktiven Phase können untereinander ausgeglichen und so wirksam gesenkt werden.
Wie in 10 zu sehen ist, führt bereits die zweite positive Flanke im quantisierten Referenzsignal 56 dazu, dass sich die vierte und die fünfte Speicherzelle 27, 28 in ihrem Beitrag mit ihren Zellspannungen 47, 48 zur Verbraucherspannung 42 abwechseln, obwohl beide positiven Flanken zur unteren Quantisierungsstufe 75 des quantisierten Referenzsignals 56 gehören.
Der Nachteil an dem Verfahren 84 ist, dass das Verfahren entweder nur die Einschaltdauern oder nur die Schaltvorgänge priorisiert. Unterscheiden sich die priorisierten Größen für jede Speicherzelle 24 bis 28 jedoch stark, so wird dies durch das Verfahren 84 nicht berücksichtigt, sondern es wird immer anhand der priorisierten Größe hart entschieden.
Dies soll anhand des in 10 angedeuteten Zeitpunktes 116 verdeutlicht werden. Zum Zeitpunkt 116 tritt eine negative Flanke im quantisierten Referenzsignal 56 auf, die zum Abschalten eines der beiden Ansteuersignale führen muss. Während für das vierte Ansteuersignal 63 zum Zeitpunkt 116 4,5 Zeiteinheiten 82 und 2 Schaltvorgänge gezählt sind, werden für das fünfte Ansteuersignal 64 zum Zeitpunkt 116 5 Zeiteinheiten 82 und 3 Schaltvorgänge gezählt. Da das vierte Ansteuersignal 63 eine geringere Einschaltdauer aufweist und das Verfahren 84 die Einschaltdauern in Schritt 98‘ priorisiert, schaltet das Verfahren 84 in Schritt 100‘ das fünfte Ansteuersignal 64 ab.
Es wird Bezug auf 11 genommen, die zwei Ansteuersignale 63, 64 zeigt, die in der Summe das quantisierte Referenzsignal 56 ergeben. In 11 werden zu den vorangegangenen FIG gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben. Weiterhin wird in 11 die Erzeugung einer Ausgangsspannung 42 mit der Form des zweistufig quantisierten Referenzsignals 56 aus 6 vorausgesetzt.
11 zeigt ein Verfahren 84 bei dem hinsichtlich der Einschaltdauern nicht hart nach der kürzesten beziehungsweise längsten Einschaltdauer, sondern weich innerhalb eines Toleranzbandes entschieden wird. Dies führt, wie aus 11 ersichtlich zum Zeitpunkt 116 zu einem Abschalten des vierten Ansteuersignals 63 und nicht des fünften Ansteuersignals 64 in Schritt 98‘.
Die in den Schritten 98, 98‘ des Verfahrens 84 eingeführte Toleranz ∆ in der Einschaltdauer führt dazu, dass Speicherzellen 24 bis 28 mit einer Einschaltdauer t_d ± ∆ als identisch angesehen werden, so dass nicht nur bei Gleichheit der Einschaltdauer mehrerer Speicherzellen 24 bis 28 sondern auch bei geringfügigen Unterschieden in der Einschaltdauer mehrerer Speicherzellen 24 bis 28 die Anzahl der Schaltvorgänge berücksichtigt wird.
Die Priorisierung der Einschaltdauer oder der Schaltvorgänge ist applizierbar und abhängig davon, wo in der Regel die höheren Verluste erwartet werden oder ob eine gleichmäßige Entladung den einzelnen Zellen 24 bis 28 gewünscht ist.
Die Größe mit den zu erwartenden höheren Verlusten zu priorisieren hat den Vorteil, dass das Verfahren 84 in der Regel nach dem ersten Entscheidungsschritt 98, 98‘ abbricht und nicht in den zweiten Entscheidungsschritt 110, 110‘ einsteigt.
Alternativ könnten daher unter den oben genannten Gesichtspunkten auch die Schaltvorgänge priorisiert und nur bei gleicher oder fast gleicher Anzahl an Schaltvorgängen die Einschaltdauer überprüft werden.
Wenn es technisch nicht sinnvoll ist, die Einschaltdauer und die Anzahl der Schaltvorgänge für die Erzeugung der Ansteuersignale 60 bis 64 zu berücksichtigen, kann ebenso auch nur Einschaltdauer oder die Anzahl der Schaltvorgänge alleine zur Entscheidung der als nächstes anzusteuernden Speicherzelle 24 bis 28 genutzt werden.
Durch die in den 9 bis 11 beschriebenen Verfahren können noch während der aktiven Phasen 78, 79 die Verluste auf die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 aufgeteilt und die Zwischenspeicher 10 bis 14 gleichmäßiger entladen, wodurch die Gesamtkapazität der einzelnen Zwischenspeicher 10 bis 14, egal ob es sich um Kondensatoren oder um Akkumulatoren handelt, besser genutzt wird. Somit können die Kapazitätswerte der Zwischenspeicher 10 bis 14 reduziert und/oder die Stabilität der Verbraucherspannung 4 verbessert werden.
Dadurch ist eine identische Dimensionierung aller Speicherzellen 24 bis 28 möglich. In der Folge kann der Multilevel-Konverter 2 modular aufgebaut und die Kosten je Speicherzelle 24 bis 28 und somit je Multilevel-Konverter 2 reduziert werden. Ebenso ist durch die gleichmäßige Belastung in etwa eine gleiche Lebensdauer für die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 zu erwarten.
Durch die Aufteilung der Schaltverluste auf die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 können zusätzlich die Schaltfrequenzen der Zellen erhöht werden. Dadurch kann auch die Frequenz der Verbraucherspannung 4 deutlich gesteigert werden.
Ein weiterer Vorteil der im Rahmen der 9 bis 11 erläuterten Verfahren 84 ist, dass zur Erhöhung der Schaltfrequenzen zusätzliche Speicherzellen 24 bis 28 einsetzbar sind, welche hinsichtlich der maximalen Verbraucherspannung 4 nicht notwendig wären. Auf diese können jedoch die Verluste aufgeteilt und somit die Schaltfrequenz zusätzlich erhöht werden. Da dadurch auch die Einschaltdauern auf die zusätzlichen Speicherzellen 24 bis 28 verteilt werden, wäre keine größere Gesamtkapazität notwendig, wodurch eine Reduktion der Kapazität der Zwischenspeicher 10 bis 14 möglich ist und somit für die Zwischenspeicher 10 bis 14 keine zusätzlichen Kosten entstehen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens 84 können auch Nichtlinearitäten im elektrischen Verbraucher berücksichtigt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn bedingt durch die stark variierenden Ausgangsströme eine Aufteilung der Einschaltdauern und/oder Schaltvorgänge auf die einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 nicht ausreichen. Um die Belastung trotzdem aufzuteilen, müsste dann der über den elektrischen Verbraucher geführte Entladestrom 56 gemessen werden. Die Einschaltdauer kann dann mit dem jeweils gemessen Entladestrom 56 und optional mit einem Faktor gewichtet werden.
Die Gewichtung kann in gleicher oder alternativer Weise für die Schaltvorgänge durchgeführt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführung des Verfahrens 84 kann die Auswahl der nächsten über ein Ansteuersignal 60 bis 64 anzusteuernden Speicherzelle 24 bis 28 basierend auf den Zellspannungen 44 bis 48 erfolgen. Dazu werden in dem Verfahren 84 in den Schritten 96, 96‘ die Zellspannungen 44 bis 48 der einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 gemessen, im Schritt 98 anhand einem Vergleich der einzelnen Zellspannungen 44 bis 48 die Speicherzelle 24 bis 28 mit der höchsten Zellspannung 44 bis 48 beziehungsweise im Schritt 98‘ die Speicherzelle 24 bis 28 mit der geringsten Zellspannung 44 bis 48 bestimmt und in Schritt 100 die Speicherzelle 24 bis 28 mit der höchsten Zellspannung 44 bis 48 beziehungsweise im Schritt 100‘ mit der geringsten Zellspannung 44 bis 48 ausgewählt. Ab dann wird das Verfahren wie oben beschrieben weitergeführt.
Die Auswahl der Speicherzellen 24 bis 28 basierend auf den Zellspannungen 44 bis 48 kann alternativ zur Auswahl basierend auf den Einschaltdauern und/oder der Anzahl der Schaltvorgänge oder ergänzend dazu mit jeder beliebigen Priorisierung im Verfahren 84 erfolgen.
Durch die Auswahl der Speicherzellen 24 bis 28 basierend auf den Zellspannungen 44 bis 48 wird eine gleichmäßige Entladung der Zwischenspeicher 10 bis 14 der einzelnen Speicherzellen 24 bis 28 sichergestellt.
Zudem kann auch bei linearen elektrischen Lasten 4 eine Erzeugung der Ansteuersignale 60 bis 64 und damit die Durchführung des Verfahrens 84 nur basierend auf Schaltvorgänge und/oder basierend auf den Einschaltdauern der Speicherzellen 24 bis 28 nicht ausreichend sein. Dies kann durch den erhöhten Entladestrom 56 bei erhöhter Verbraucherspannung 42 und gleichzeitig nicht optimaler Verteilung der einzelnen Ansteuersignale 60 bis 64, die in der Summe das quantisierte Referenzsignal 58 ergeben, auf die Speicherzellen 24 bis 28 über die aktiven Phasen 78, 79 entstehen.
Um dies zu vermeiden, können auch bei linearen Lasten in den Schritten 98, 98‘ beziehungsweise in den Schritten 100, 100‘ des Verfahrens 84 die Schaltvorgänge und/oder die Einschaltdauern gewichtet werden. Da der Entladestrom 56 bei einer linearen elektrischen Last 4 von der Verbraucherspannung 42 und somit von der Anzahl der aktiven Speicherzellen 24 bis 28 abhängt, ist beispielsweise eine Gewichtung der Schaltvorgänge und/oder der Einschaltdauern mit der Anzahl der momentan aktiven Speicherzellen 24 bis 28 und/oder mit der Zellspannung 44 bis 48 und optional mit einem Faktor sinnvoll. Auf eine Messung des Entladestromes kann dabei verzichtet werden.
In einer noch weiteren Ausführung des Verfahrens 84 kann berücksichtigt werden, dass die Belastung beim Ein- und Ausschalten der Entladeschalter 36 bis 40 unterschiedlich sind. Zum Beispiel können beim Einschalten einer Speicherzelle 24 bis 28 geringer Ströme fließen als beim Ausschalten oder der Ausschaltvorgang ist bei gleichen Bedingung als Folge einer langsameren Abschaltzeit mit mehr Verlusten verbunden als der Einschaltvorgang.
Durch eine zusätzliche Zählung der Ausschaltvorgänge kann dieser Unterschied berücksichtigt und die Genauigkeit der Harmonisierung der Belastungen der Speicherzellen 24 bis 28 weiter verbessert werden. Dazu werden die Einschaltvorgänge in den Speicherzellen 24 bis 28 unterschiedlich zu den Ausschaltvorgängen der Speicherzellen 24 bis 28 gewichtet.
Die Gewichtung kann immer sofort erfolgen. Somit sind keine zusätzlichen Zähler notwendig ist.
Erfindungsgemäß tragen in einem Multilevel-Konverter wenigstens zwei Ansteuersignale verschiedener Speicherzellen in einem vorbestimmten Zeitraum zu einer Quantisierungsstufe eines quantisierten Referenzsignals für den Multilevel-Konverter bei.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Leon M. Tolbert et al., „Charge Balance Control Schemes for Cascade Multilevel Converter in Hybrid Electric Vehicles“, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 49, No. 5, OCTOBER 2002, Seiten 1058 bis 1064 [0002]

Claims

Verfahren (84) zum Erzeugen von Ansteuersignalen (60 bis 64) für einen Multilevel-Generator (1), der eine Anzahl unabhängig voneinander schaltbarer Zellen (24 bis 28) aufweist, die jeweils zur Abgabe einer Zellspannung (44 bis 48) basierend auf einem jeweiligen Ansteuersignal (60 bis 64) vorgesehen sind, wobei die Ansteuersignale (60 bis 64) der Zellen (24 bis 28) in der Summe ein mehrstufig quantisiertes Referenzsignal (58) ergeben, umfassend Zerlegen des mehrstufig quantisierten Referenzsignals (58) derart, dass wenigsten zwei Ansteuersignale (60 bis 64) verschiedener Zellen (24 bis 28) in einem vorbestimmten Zeitraum (82) zu einer Quantisierungsstufe (73, 74) des quantisierten Referenzsignals (58) beitragen.
Verfahren (84) nach Anspruch 1, wobei das quantisierte Referenzsignal (58) aus einer Anzahl an Teilsignalen zusammengesetzt ist, die kleiner oder gleich der Anzahl der Zellen (24 bis 28) ist.
Verfahren (84) nach Anspruch 2, wobei das quantisierte Referenzsignal (24 bis 28) und die Teilsignale periodisch sind, und das Verfahren (84) ferner folgenden Schritt umfasst Verteilen der periodischen Teilsignale auf die Ansteuersignale (60 bis 64) in jeder Periode (78, 79) des quantisierten Referenzsignals (58), wobei der vorbestimmte Zeitraum (82) ein Vielfaches der Periodendauer des Referenzsignals (58) ist.
Verfahren (84) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend Zerlegen des quantisierten Referenzsignals (58) in die Ansteuersignale (60 bis 64) derart, dass die Ansteuerzeiten der einzelnen Zellen (24 bis 28) im vorbestimmten Zeitraum (82) gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend Ermitteln (94, 94‘) einer positiven Flanke oder einer negativen Flanke des quantisierten Referenzsignals (24 bis 28) oder der Teilsignale im vorbestimmten Zeitraum (82) und Aktivieren (114) beziehungsweise Deaktivieren (114‘) des zu einer Zelle (24 bis 28) mit der kürzesten beziehungsweise längsten Ansteuerzeit gehörenden Ansteuersignals (60 bis 64).
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, umfassend Ermitteln (94, 94‘) einer positiven Flanke oder einer negativen Flanke des quantisierten Referenzsignals (24 bis 28) oder der Teilsignale im vorbestimmten Zeitraum (82) und Aktivieren (114) beziehungsweise Deaktivieren (114‘) des zu einer Zelle mit den wenigsten Schaltvorgängen gehörenden Ansteuersignals (60 bis 64).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Zelle (24 bis 28) mit der kürzesten beziehungsweise längsten Ansteuerzeit (60 bis 64) vor der Zelle (24 bis 28) mit den wenigsten Schaltvorgängen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, umfassend Zurücksetzen (90) der Zahl der Schaltvorgänge und/oder Ansteuerzeiten (60 bis 64) jeder Zelle nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraums (82).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Ansteuerzeit zweier Zellen (24 bis 28) gleich ist, wenn ihre jeweiligen Ansteuerzeiten innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Zellen (24 bis 28) mit den wenigsten Schaltvorgängen vor der Zelle (24 bis 28) mit der kürzesten beziehungsweise längsten Ansteuerzeit bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, umfassend Gewichten der Ansteuerzeiten beziehungsweise der Anzahl der Schaltvorgänge der einzelnen Zellen (24 bis 28) mit einem Gewichtungsfaktor.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Gewichtungsfaktor vom Ausgangsstrom (56) des Multilevel-Generators (1) und/oder von der Ausgangsspannung des Multilevel-Generators zum Zeitpunkt der Ansteuerzeit-Erfassung abhängig ist.
Vorrichtung, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche geeignet ist.
Schaltung umfassend einen Multilevel-Generator (1) mit unabhängig voneinander schaltbaren Zellen (24 bis 28), die jeweils zur Abgabe einer Zellspannung (44 bis 48) basierend auf einem jeweiligen Ansteuersignal (60 bis 64) vorgesehen sind, und eine Vorrichtung nach Anspruch 13 zum Erzeugen der Ansteuersignale (60 bis 64).
Röntgengerät umfassend eine Röntgenquelle und eine die Röntgenquelle mit elektrischer Energie versorgende Schaltung nach Anspruch 14.