DE102018103711A1 - Method and circuit for multilevel modulation - Google Patents

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Abstract

Verfahren zu einer Multilevelmodulation, bei dem ein Multilevelkonverter, welcher eine Mehrzahl steuerbarer Schalter umfasst, durch ein Ausgangssignal (204) einer elektronischen Schaltung (200) angesteuert wird, wobei ein an einem Eingang (202) der elektronischen Schaltung (200) anliegendes Referenzsignal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert aufgespaltet wird, indem in der elektronischen Schaltung (200) das Referenzsignal von einem Signalbildner (210) als Multilevelsockelsignal (206) auf vorgegebenen Quantisierungsleveln ausgegeben wird, dieses Multilevelsockelsignal (206) von dem Referenzsignal durch einen Subtrahierer subtrahiert wird und damit der Restwert gebildet wird, der Restwert durch einen Zweilevelmodulator (212) digitalisiert wird und durch einen Addierer mit dem Multilevelsockelsignal (206) zusammengeführt wird, wodurch das Ausgangssignal (204) der elektronischen Schaltung (200) gebildet wird.Method for a multilevel modulation, in which a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is driven by an output signal (204) of an electronic circuit (200), wherein a reference signal present at an input (202) of the electronic circuit (200) is in In the electronic circuit (200), the reference signal is output from a signal generator (210) as a multilevel base signal (206) at predetermined quantization levels, this multilevel base signal (206) is subtracted from the reference signal by a subtractor, and thus the Residue value is formed, the residual value is digitized by a two-level modulator (212) and merged by an adder with the Multilevelsockelsignal (206), whereby the output signal (204) of the electronic circuit (200) is formed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zu einer Multilevelmodulation, bei dem eine Modulation eines Eingangssignals durch Aufspaltung in zwei Anteile bewirkt wird.The present invention relates to a method and a circuit for a multilevel modulation, in which a modulation of an input signal is effected by splitting into two parts.

Leistungselektronische Schaltungen verwenden Halbleiter nahezu ausschließlich als Schalter und vermeiden einen verlustbehafteten resistiven Betrieb. Mittels einer Schaltmodulation, bspw. in der am weitest verbreiteten Variante als Pulsweitenmodulation mit festem Takt ausgeführt, werden aus wenigen zu Verfügung stehenden diskreten Schaltstufen eine kontinuierliche Ausgangsspannung und insbesondere Zwischenwerte zwischen diskreten Schaltstufen erzeugt. Im zeitlichen Mittel entspricht der ausgegebene Wert (Spannung oder Strom) dabei einer Vorgabe. Konventionelle Gleichspannungswandler und Inverter verwenden dabei in der Regel nur eine sehr geringe Zahl von Stufen bzw. Leveln, oft sogar nur zwei. Zwischenwerte zwischen zwei Leveln werden dann meist durch zeitlichen Wechsel zwischen einem jeweiligen oberen und unteren Level angenähert. Zentraler Nachteil ist dabei eine Erzeugung von Schaltharmonischen im elektromagnetischen Spektrum.Power electronic circuits use semiconductors almost exclusively as switches and avoid lossy resistive operation. By means of a switching modulation, for example in the most widely used variant implemented as a pulse width modulation with a fixed clock, a continuous output voltage and in particular intermediate values between discrete switching stages are generated from a few available discrete switching stages. In terms of time, the output value (voltage or current) corresponds to a specification. Conventional DC-DC converters and inverters usually use only a very small number of stages or levels, often only two. Intermediate values between two levels are then approximated by temporal alternation between a respective upper and lower level. The central disadvantage is the generation of switching harmonics in the electromagnetic spectrum.

Die Darstellung der Ausgangsspannung durch Schaltmodulation mit diskreten Strom- oder Spannungswerten wird als Modulation und das zugehörige Verfahren als ein Modulator bezeichnet. Diverse Verfahren, insbesondere solche, die ein Fehlersignal in der Vergangenheit oder der Zukunft bilden, beispielsweise eine Sigma-Delta-Modulation, modellprädiktive Modulation oder Pl-Regelverfahren umfassen ferner einen Quantisierer, der auf Basis eines Fehlersignals entscheidet, welches der zwei Level gesetzt werden soll. Für ein Zweilevelsystem ist eine Quantisierung leicht umsetzbar, weil beispielsweise lediglich eine Tendenz oder eine Vorzeichenangabe des Fehlersignals verwendet werden muss, um mit dem nächsten gesetzten Level das Fehlersignal zu verkleinern. The representation of the output voltage by switching modulation with discrete current or voltage values is referred to as modulation and the associated method as a modulator. Various methods, in particular those which form an error signal in the past or the future, for example a sigma-delta modulation, model predictive modulation or PI control method further comprise a quantizer, which decides on the basis of an error signal which of the two levels should be set , For a two-level system, quantization is easy to implement because, for example, only a tendency or a sign of the error signal must be used in order to reduce the error signal at the next set level.

Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2007 020 477 A1 einen Sigma-Delta-Modulator mit einer Regelschleife, in der ein Multi-Level-Quantisierer und ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer angeordnet sind. Der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer wird mit einer Mehrzahl von elektrischen Einheitselementen realisiert, wobei dynamische und statische Abweichungen zwischen den elektrischen Einheitselementen untereinander ermittelt werden.For example, the document describes DE 10 2007 020 477 A1 a sigma-delta modulator with a control loop in which a multi-level quantizer and a multilevel digital-to-analog converter are arranged. The multilevel digital-to-analog converter is realized with a plurality of unitary electrical elements, wherein dynamic and static deviations between the unitary electrical elements are determined among each other.

Modulare Multilevelkonverter können im Gegensatz zu einer traditionellen Leistungselektronik, die mit wenigen Leistungshalbleiterschaltern Ein- und/oder Ausgangsspannungen zwischen wenigen Niveaus umschalten, um im Mittel eine gewünschte Spannung zu bewirken, eine Spannung durch eine dynamisch wechselbare elektrische Konfiguration von in Modulen angeordneten Energiespeichern, bspw. Kondensatoren oder Batterien, in sehr feinen Stufen bereitstellen. Ein zentraler Multilevelkonverter in diesem Sinn ist der modulare Multilevelkonverter MMSPC, beschrieben durch S. M. Goetz, A. V. Peterchev and T. Weyh, „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215, Jan. 2015 . Weitere bekannte Multileveltopologien werden u. a. durch einen Neutral-Point-Clamped-Inverter oder einen Flying-Capacitor-Inverter realisiert.Modular multilevel converters, in contrast to a traditional power electronics, which switch with a few power semiconductor switches input and / or output voltages between a few levels to cause a desired voltage on average, a voltage through a dynamically changeable electrical configuration of modules arranged in energy storage, eg. Provide capacitors or batteries in very fine steps. A central multilevel converter in this sense is the modular multilevel converter MMSPC, described by SM Goetz, AV Peterchev and T. Weyh, "Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215, Jan. 2015 , Further known multilevel topologies are realized, inter alia, by a neutral point clamped inverter or a flying capacitor inverter.

Werden insbesondere Modulatoren, die Quantisierer einsetzen, auf ein Multilevelsystem übertragen, besteht das Problem, dass nach dem Stand der Technik ein Multilevelquantisierer eingesetzt werden muss. Der Multilevelquantisierer bezieht im Gegensatz zu oben genanntem Zweilevelquantisierer nicht nur das Vorzeichen des Fehlersignals oder eines äquivalenten Signals, sondern auch dessen Größe mit ein. Bspw. kann für einen Fünflevelinverter (Level -2, -1, 0, 1, 2) das Fehlersignal mit dem Level 0 bei einem negativen Vorzeichen nur sehr geringfügig verringert werden, mit +1 schneller und mit +2 am schnellsten. Insbesondere bei induktiven Lasten und spannungsgesteuerten Invertern kann dies genutzt werden, um eine Stromsteilheit zu steuern, wodurch sich ein offener Freiheitsgrad ergibt. Allerdings verursacht dieser offene Freiheitsgrad auch Probleme.In particular, when modulators using quantizers are transmitted to a multilevel system, there is the problem that a multilevel quantizer must be used in the prior art. The multilevel quantizer, unlike the above-mentioned two-level quantizer, involves not only the sign of the error signal or an equivalent signal but also its magnitude. For example. For example, for a five-level inverter (level -2, -1, 0, 1, 2), the level 0 error signal can be reduced only very slightly with a negative sign, +1 faster and +2 fastest. In particular for inductive loads and voltage-controlled inverters this can be used to control a current gradient, resulting in an open degree of freedom. However, this open degree of freedom also causes problems.

So sind typische Multilevelquantisierer auf einen bestimmten Nutzfrequenzbereich abgestimmt. Bei hoher Bandbreite von Nutzsignalen, beispielsweise in Antrieben, muss entweder die Verstärkung des Multilevelquantisierers laufend angepasst werden oder es muss damit gerechnet werden, dass bspw. bei niedrigen Frequenzen in der Regel mehr Ausgangsstufen auf einmal geschaltet werden als vergleichsweise bei hohen Frequenzen. Dieses Problem tritt insbesondere auf, sobald das Fehlersignal einem Filter unterzogen wird. Während das Fehlersignal in derselben Einheit wie die quantisierte Ausgangsstufe vorliegt (bspw. in Volt) und entsprechend einfach allgemein gültige Quantisierungsstufen abgeleitet werden könnten (bspw. der maximale Ausgangsspannungshub geteilt durch die Zahl der Level), ist dies für das gefilterte Signal nur noch sehr schwer möglich. Das gefilterte Signal stellt eine Kombination aus dem absoluten Signal, dessen Ableitung und dessen Integral dar, und eine Festlegung von Quantisierungsstufen ist höchstens noch mit Informationen aus einer Ableitung, einer Frequenz oder einem Integral des Signals erreichbar. Gegebenenfalls kann eine natürliche Quantisierung auch gar nicht abgeleitet werden. Dieser Sachverhalt ist insbesondere bei Sigma-Delta-Modulatoren nachteilig.Thus, typical multilevel quantizers are tuned to a specific useful frequency range. In the case of a high bandwidth of useful signals, for example in drives, either the gain of the multilevel quantizer must be continuously adapted or it must be expected that, for example, at low frequencies, more output stages will generally be switched at once than comparatively at high frequencies. In particular, this problem occurs as soon as the error signal is subjected to a filter. While the error signal may be in the same unit as the quantized output stage (e.g., in volts) and correspondingly easy to derive generally valid quantization levels (eg the maximum output voltage swing divided by the number of levels), this is very difficult for the filtered signal possible. The filtered signal represents a combination of the absolute signal, its derivative and its integral, and a determination of quantization levels can only be achieved with information from a derivative, a frequency or an integral of the signal. If necessary, a natural quantization can not be derived at all. This situation is particularly disadvantageous in sigma-delta modulators.

Ein konventioneller Sigma-Delta-Modulator bildet in der Regel das Fehlersignal als Differenz zwischen dem kontinuierlichen Sollsignal und dem quantisierten Ausgangsignal (hier zwei Level, d. h. +1 oder -1). Dieses Fehlersignal wird in fortgeführter Ausführung gebildet und in ein Filter geführt, der bspw. im einfachsten Fall durch einen Integrator realisiert ist. Der Ausgang des Filters wird dem Quantisierer übergeben, der entsprechend als quantisiertes Ausgangssignal eine -1/+1-Folge bildet, die als Digitalsignal an die Leistungselektronik geschickt wird und in dieser das Öffnen/Schließen der jeweiligen Schalter bewirkt. A conventional sigma-delta modulator typically forms the error signal as the difference between the continuous target signal and the quantized output signal (here two levels, ie +1 or -1). This error signal is formed in a continued embodiment and guided into a filter, which is realized, for example, in the simplest case by an integrator. The output of the filter is passed to the quantizer, which forms a -1 / + 1 sequence as a quantized output signal, which is sent as a digital signal to the power electronics and in this causes the opening / closing of the respective switch.

Die Sigma-Delta-Schleife kann kontinuierlich ablaufen oder zeitlich getaktet sein, so dass zu jedem Takt ein neuer Wert gebildet wird. Diese Schleife kann wie ein PID-Regler (vom Fachmann abgekürzt für Proportional-Integral-Differential-Regler) auf einen Quantisierer betrachtet werden: Der PID-Regler minimiert den Regelfehler des Quantisierers. Als rückgekoppelter Ausgang kann das quantisierte Ausgangssignal oder auch ein physikalischer Messwert, beispielsweise die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom, verwendet werden.The sigma-delta loop may be continuous or timed so that a new value is formed for each clock. This loop can be considered as a PID (abbreviated as proportional-integral-derivative) controller to a quantizer: the PID controller minimizes the control error of the quantizer. The feedback output can be the quantized output signal or even a physical measurement value, for example the output voltage or the output current.

In einem Multilevelsystem müsste der Quantisierer, wie bereits voranstehend beschrieben, mehrere Level diskriminieren können und damit entscheiden, ab welcher Fehlergröße er welchen Wert am Ausgang einstellt. Hierzu ist eine Sensitivitätseinstellung nötig. Diese Sensitivitätseinstellung sollte aber in einem Sigma-Delta-Modulator vom Filter abhängen und den spektralen Anteil des Signales berücksichtigen. Wenn das Signal mehr als eine Frequenz enthält, ist die Sensitivitätseinstellung jedoch nicht mehr einfach möglich.In a multilevel system, the quantizer, as already described above, would have to be able to discriminate several levels and thus decide from which error variable onwards which value is set at the output. This requires a sensitivity adjustment. However, this sensitivity setting should depend on the filter in a sigma-delta modulator and take into account the spectral component of the signal. However, if the signal contains more than one frequency, the sensitivity setting is no longer easily possible.

In der Druckschrift DE 10 2011 082 946 B4 wird nun die Zerlegung eines mehrstufigen quantisierten Referenzsignals in Teilsignale offenbart. Die jeweiligen Teilsignale werden dann mittels verschiedener Energiezellen bereitgestellt, so dass die durchschnittliche Belastung der jeweiligen Energiezellen gleich ist.In the publication DE 10 2011 082 946 B4 Now, the decomposition of a multi-level quantized reference signal is disclosed in sub-signals. The respective sub-signals are then provided by means of different energy cells, so that the average load of the respective energy cells is the same.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Problem der Multilevelquantisierung mit bereits vorhandenen und einfach bereitzustellenden elektronischen Bauteilen und Baugruppen löst. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method which solves the problem of multilevel quantization with already existing and easily provided electronic components and assemblies. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a corresponding system for carrying out such a method.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Multilevelmodulation vorgeschlagen, bei dem ein Multilevelkonverter, welcher eine Mehrzahl steuerbarer Schalter umfasst, durch ein Ausgangssignal einer elektronischen Schaltung angesteuert wird, wobei ein an einem Eingang der elektronischen Schaltung anliegendes Referenzsignal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert aufgespaltet wird, indem in der elektronischen Schaltung das Referenzsignal von einem Signalbildner als Multilevelsockelsignal auf vorgegebenen Quantisierungsleveln ausgegeben wird, dieses Multilevelsockelsignal von dem Referenzsignal durch einen Subtrahierer subtrahiert wird und damit der Restwert gebildet wird, der Restwert durch einen Zweilevelmodulator digitalisiert wird und durch einen Addierer mit dem Multilevelsockelsignal zusammengeführt wird, wodurch das Ausgangssignal der elektronischen Schaltung gebildet wird.To solve the above object, a method for a multilevel modulation is proposed, in which a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is driven by an output signal of an electronic circuit, wherein a voltage applied to an input of the electronic circuit reference signal in a Multilevelsockelsignal and a Residual value is split by the reference signal is output in the electronic circuit from a Signalbildner as Multilevelsockelsignal on predetermined Quantisierungsleveln, this Multilevelsockelssignal from the reference signal is subtracted by a subtractor and thus the residual value is formed, the residual value is digitized by a Zweilevelmodulator and an adder is merged with the Multilevelsockelsignal, whereby the output signal of the electronic circuit is formed.

Die Lösung spaltet das Signal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert auf, wobei das Multilevelsockelsignal ungefiltert verwendet wird, so dass natürliche Quantisierungslevel vorgegeben werden können, während der Restwert einem gewöhnlichen Zweilevelmodulator übergeben wird.
Die vorgegebenen Quantisierungslevel ergeben sich dabei aus einer Anzahl von Leveln in einem Multilevelkonverter, welcher von einem das erfindungsgemäße Verfahren realisierenden System verwendet wird. Durch die Lösung kann nahezu jeder bisher bekannte Zweilevelmodulator in einen Multilevelmodulator umgewandelt werden.The solution splits the signal into a multi-level base signal and a residual, where the multilevel base signal is used unfiltered so that natural quantization levels can be given while the residual value is passed to an ordinary two-level modulator.
The predetermined quantization levels result from a number of levels in a multilevel converter, which is used by a system implementing the method according to the invention. Through the solution, almost every previously known two-level modulator can be converted into a multilevel modulator.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für Ausgangssignal, Referenzsignal und Multilevelsockelsignal entweder eine Spannung oder ein Strom gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich je nach Auslegung einer Ansteuerung bspw. einer elektrischen Antriebsmaschine für Spannungen oder Ströme gleichermaßen ausführen.In one embodiment of the method according to the invention, either a voltage or a current is selected for the output signal, reference signal and multilevel base signal. Depending on the design of a control, for example, an electric drive machine for voltages or currents can be carried out in the same way.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Signalbildner von den vorgegebenen Quantisierungsleveln dasjenige Quantisierungslevel ausgewählt, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal darstellt. Dadurch wird berücksichtigt, dass es bspw. in einer Leistungselektronik, und insbesondere bei einer einen Multilevelkonverter umfassenden Multilevelleistungselektronik, vorteilhaft ist, wenn von einem Schaltzustand zum nächsten nur eine minimale Anzahl von Halbleiterschaltern ihren Zustand wechselt. Auf diese Weise werden Schaltverluste minimiert, die in der Regel mit der Zahl der zu schaltenden Leistungshalbleiter steigen.In a further embodiment of the method according to the invention, in the signal generator of the predetermined quantization levels that quantization level is selected which represents a nearest neighbor to the reference signal. This takes into account that it is advantageous, for example, in power electronics, and in particular in multilevel power electronics comprising a multilevel converter, when only a minimum number of semiconductor switches change state from one switching state to the next. In this way, switching losses are minimized, which usually increase with the number of power semiconductors to be switched.

In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der nächste Nachbar durch eine Aufrundung oder eine Abrundung oder eine Rundung gegen Null oder eine Rundung gegen plus bzw. minus unendlich oder eine kaufmännische Rundung einer Differenz zwischen dem Quantisierungslevel, welches zu dem Referenzsignal eine geringste Differenz darstellt, und dem Referenzsignal gebildet. Weitere Formen der nächsten Nachbarbildung, bspw. aus zeitlicher Integration, sind denkbar.In a further further embodiment of the method according to the invention, the nearest neighbor is rounded by a rounding or a rounding or a rounding towards zero or a rounding against plus or minus infinity or a commercial rounding of a difference between the quantization level, which is the smallest difference to the reference signal, and the reference signal. Other forms of the next neighbor education, for example, from temporal integration, are conceivable.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger steuerbarer Schalter ein Leistungshalbleiterschalter gewählt. Diese kommen insbesondere in der Multilevelleistungselektronik zum Einsatz.In a still further embodiment of the method according to the invention, a power semiconductor switch is selected as the respective controllable switch. These are used in particular in the multilevel power electronics.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einem Ausgang des Zweilevelmodulators ein gefiltertes Fehlersignal erzeugt, welches mit einem Eingangssignal des Zweilevelmodulators rückgekoppelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer Vielzahl von Modulatoren, welche ein gefiltertes Fehlersignal erzeugen und ihren Ausgang auf Basis dessen bilden, ausgeführt werden. Insbesondere kann als Zweilevelmodulator ein Sigma-Delta-Modulator gewählt werden.In a further embodiment of the method according to the invention, a filtered error signal is generated at an output of the two-level modulator, which is fed back with an input signal of the two-level modulator. The method according to the invention may advantageously be implemented with a large number of modulators which generate a filtered error signal and form its output on the basis of this. In particular, a sigma-delta modulator can be selected as a two-level modulator.

Ferner wird eine Schaltung für eine Multilevelmodulation mit einem Eingang und einem Ausgang beansprucht, welche einen Signalbildner, einen Zweilevelmodulator, einen Subtrahierer und einen Addierer umfasst, wobei der Signalbildner dazu ausgelegt ist, ein an dem Eingang der Schaltung anliegendes Referenzsignal als Multilevelsockelsignal auf vorgegebenen Quantisierungsleveln auszugeben, der Subtrahierer dazu ausgelegt ist, dieses Multilevelsockelsignal von dem Referenzsignal zu subtrahieren und dadurch einen Restwert zu bilden, der Zweilevelmodulator dazu ausgelegt ist, diesen Restwert zu digitalisieren und der Addierer dazu ausgelegt ist, dies mit dem Multilevelsockelsignal zu einem Ausgangssignal am Ausgang der Schaltung zusammenzuführen, wodurch ein am Eingang der Schaltung anliegendes Referenzsignal in ein am Ausgang der Schaltung vorliegendes Multilevelsockelsignal und dem Restwert aufgespaltet wird.Furthermore, a circuit for a multilevel modulation having an input and an output is claimed, which comprises a signal generator, a two-level modulator, a subtractor and an adder, wherein the signal generator is adapted to output a voltage applied to the input of the circuit reference signal as Multilevelsockelsignal on predetermined quantization levels in that the subtractor is adapted to subtract this multilevel base signal from the reference signal to thereby form a residual, the bi-level modulator is adapted to digitize this residual value, and the adder is adapted to combine this with the multilevel base signal to produce an output signal at the output of the circuit whereby a reference signal applied to the input of the circuit is split into a multilevel base signal present at the output of the circuit and the residual value.

In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Zweilevelmodulator ein Sigma-Delta-Modulator. Die erfindungsgemäße Schaltung kann als Zweilevelmodulator generell Modulatoren, welche ein gefiltertes Fehlersignal erzeugen und ihren Ausgang auf Basis dessen bilden, verwenden.In an embodiment of the circuit according to the invention, the two-level modulator is a sigma-delta modulator. The circuit according to the invention can generally use, as a two-level modulator, modulators which generate a filtered error signal and form its output on the basis of this.

Schließlich wird ein System zu einer Multilevelmodulation beansprucht, welches eine erfindungsgemäße Schaltung, einen Multilevelkonverter, mindestens eine Energiespeichereinheit, einen Referenzsignalbildner, und eine Strom- oder Spannungsquelle, welche den Referenzsignalbildner speist, aufweist und das dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.Finally, a system for a multilevel modulation is claimed which has a circuit according to the invention, a multilevel converter, at least one energy storage unit, a reference signal generator, and a current or voltage source which feeds the reference signal generator, and which is designed to carry out the method according to the invention.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Aufspaltung eines Referenzsignals in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, mit der durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Aufspaltung eines Referenzsignals in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert bewirkt wird.
  • 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, welche mit einen Sigma-Delta-Modulator ausgestattet ist.
The figures are described coherently and comprehensively, the same components are assigned the same reference numerals.
  • 1 1 shows a schematic representation of a splitting of a reference signal into a multilevel base signal and a residual value by execution of an embodiment of the method according to the invention.
  • 2 shows a schematic representation of an embodiment of a circuit according to the invention, with the execution of an embodiment of the method according to the invention, a splitting of a reference signal in a Multilevelsockelsignal and a residual value is effected.
  • 3 shows a schematic representation of an embodiment of a circuit according to the invention, which is equipped with a sigma-delta modulator.

In 1 wird in schematischer Darstellung 100 eine durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Aufspaltung eines Referenzsignals 112 in ein Multilevelsockelsignal 122 und einen Restwert 132 gezeigt. Das sinusförmige Referenzsignal 112 ist in Graph 110 dargestellt, mit einer Zeitachse 102, hier beispielhaft mit der Einheit Millisekunde, und einer Amplitudenachse 104 mit der Einheit Volt. Das Multilevelsockelsignal 122 ist in Graph 120 mit denselben Achseneinheiten dargestellt. Es wird zu einem jeweiligen Zeitpunkt auf einem Quantisierungslevel erhalten, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal 112 darstellt. Solange das Multilevelsockelsignal 122 auf dem jeweiligen Quantisierungslevel verweilt, bedingt sich dadurch kein Wechsel einer Leistungshalbleiterschalterstellung in einem entsprechenden Multilevelkonverter. Der vom Referenzsignal 112 durch Subtraktion des Multilevelsockelsignals 122 entstehende Restwert 132 ist in Graph 130 dargestellt. Wiederum sind die physikalischen Einheiten der Achsen 102 und 134 gleich zu den Graphen 110 und 120, jedoch ist bei der Amplitudenachse 134 die Skala vergrößert.In 1 is shown in schematic form 100 a splitting of a reference signal caused by execution of an embodiment of the method according to the invention 112 in a multilevel socket signal 122 and a residual value 132 shown. The sinusoidal reference signal 112 is in graph 110 shown with a timeline 102 , here by way of example with the unit millisecond, and an amplitude axis 104 with the unit volt. The multilevel socket signal 122 is in graph 120 represented with the same axis units. It is obtained at a particular time at a quantization level which is a nearest neighbor to the reference signal 112 represents. As long as the multilevel socket signal 122 lingers on the respective quantization level, this causes no change of a power semiconductor switch position in a corresponding multilevel converter. The from the reference signal 112 by subtracting the multi-level base signal 122 resulting residual value 132 is in graph 130 shown. Again, the physical units are the axes 102 and 134 equal to the graphs 110 and 120 but is at the amplitude axis 134 the scale is enlarged.

In 2 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung 200, mit der durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Aufspaltung eines am Eingang 202 anliegenden Referenzsignals, dargestellt in Graph 110, in ein Multilevelsockelsignal 206, dargestellt in Graph 120, und einen Restwert, dargestellt in Graph 130, bewirkt wird, gezeigt. Ein Signalbildner 210 gibt das am Eingang 202 anliegende Referenzsignal als Multilevelsockelsignal 206 auf vorgegebenen Quantisierungsleveln aus. Dieses wird in einem durch die Symbole „+“ und „-“ bezeichneten Subtrahierer vom am Eingang 202 anliegenden Referenzsignal subtrahiert. Der dadurch gebildete Restwert, dargestellt in Graph 130, wird dann einem Zweilevelmodulator 212 zugeführt. Der vom Zweilevelmodulator 212 digitalisierte Restwert wird im durch die Symbole „+“ und „+“ bezeichneten Addierer mit dem Multilevelsockelsignal 206 zu einem Ausgangssignal 204 zusammengeführt. Mit dem Ausgangssignal 204 wird bspw. ein Multilevelkonverter bzw. werden die von diesem umfassten Leistungshalbleiterschalter angesteuert.In 2 is a schematic representation of an embodiment of the circuit according to the invention 200 , with which by execution of a Embodiment of the method according to the invention, the splitting of a at the entrance 202 applied reference signal, shown in graph 110 , in a multilevel socket signal 206 represented in graph 120 , and a residual value, shown in graph 130 , is shown. A signal generator 210 gives that at the entrance 202 applied reference signal as Multilevelsockelsignal 206 at given quantization levels. This is indicated in a subtractor, indicated by the symbols "+" and "-", at the input 202 subtracted reference signal applied. The residual value formed thereby, represented in graph 130 , then becomes a two-level modulator 212 fed. The from the two-level modulator 212 Digitized residual value is indicated in the adder with the multi-level base signal denoted by the symbols "+" and "+" 206 to an output signal 204 merged. With the output signal 204 For example, a multilevel converter or the power semiconductor switch encompassed by it is actuated.

In 3 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform 300 der erfindungsgemäßen Schaltung aus 2 gezeigt, welche mit einem Sigma-Delta-Modulator ausgestattet ist. Das vom Signalbildner 310 gebildete Multilevelsockelsignal wird einem ersten mit „+“ und „-“ bezeichneten Subtrahierer zugeführt, in welchem es von dem am Eingang 202 anliegenden Referenzsignal subtrahiert wird und als Restwert 308 dem durch einen zweiten mit „+“ und „-“ bezeichneten Subtrahierer, einen Filter 312 und einen binären Quantisierer 314 gebildeten Sigma-Delta-Modulator, der den Zweilevelmodulator 212 aus 2 darstellt, zugeführt. Das vom Sigma-Delta-Modulator ausgegebene Signal wird dabei einerseits über den zweiten Subtrahierer mit dem Restwert 308 rückgekoppelt, andererseits zu dem durch die Symbole „+“ und „+“ bezeichneten Addierer mit dem Multilevelsockelsignal 206 zu einem Ausgangssignal 204 zusammengeführt.In 3 is a schematic representation of an embodiment 300 the circuit of the invention 2 shown which is equipped with a sigma-delta modulator. The signal generator 310 formed multilevel base signal is supplied to a first with "+" and "-" designated subtractor, in which it from the input 202 applied reference signal is subtracted and as a residual value 308 the subtractor denoted by a second "+" and "-", a filter 312 and a binary quantizer 314 formed sigma-delta modulator, the two-level modulator 212 out 2 represents supplied. The signal output by the sigma-delta modulator is on the one hand via the second subtractor with the residual value 308 on the other hand to the designated by the symbols "+" and "+" adder with the Multilevelsockelsignal 206 to an output signal 204 merged.

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Claims (10)

Verfahren zu einer Multilevelmodulation, bei dem ein Multilevelkonverter, welcher eine Mehrzahl steuerbarer Schalter umfasst, durch ein Ausgangssignal (204) einer elektronischen Schaltung (200, 300) angesteuert wird, wobei ein an einem Eingang (202) der elektronischen Schaltung (200, 300) anliegendes Referenzsignal (112) in ein Multilevelsockelsignal (122) und einen Restwert (132, 308) aufgespaltet wird, indem in der elektronischen Schaltung (200, 300) das Referenzsignal (112) von einem Signalbildner (210, 310) als Multilevelsockelsignal (122, 206) auf vorgegebenen Quantisierungsleveln ausgegeben wird, dieses Multilevelsockelsignal (122, 206) von dem Referenzsignal (112) durch einen Subtrahierer subtrahiert wird und damit der Restwert (132, 308) gebildet wird, der Restwert (132, 308) durch einen Zweilevelmodulator (212) digitalisiert wird und durch einen Addierer mit dem Multilevelsockelsignal (112, 206) zusammengeführt wird, wodurch das Ausgangssignal (204) der elektronischen Schaltung (200, 300) gebildet wird.Method for a multilevel modulation, in which a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is driven by an output signal (204) of an electronic circuit (200, 300), one at an input (202) of the electronic circuit (200, 300) present reference signal (112) is split into a multi-level base signal (122) and a residual value (132, 308), in the electronic circuit (200, 300) the reference signal (112) from a signal generator (210, 310) as a multi-level base signal (122, 206) is outputted at predetermined quantization levels, said multilevel base signal (122, 206) is subtracted from said reference signal (112) by a subtracter, and the remainder value (132, 308) is formed, the remainder value (132, 308) is determined by a two-level modulator (212 ) and is merged by an adder with the multi-level base signal (112, 206), whereby the output signal (204) of the electronic Schaltu ng (200, 300) is formed. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für Ausgangssignal (204), Referenzsignal (112) und Multilevelsockelsignal (122, 206) entweder eine Spannung oder ein Strom gewählt wird.Method according to Claim 1 in which either voltage or current is selected for output signal (204), reference signal (112) and multilevel base signal (122, 206). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in dem Signalbildner (210, 310) von den vorgegebenen Quantisierungsleveln dasjenige Quantisierungslevel ausgewählt wird, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal (112) darstellt.Method according to one of the preceding claims, wherein in the signal generator (210, 310) from the predetermined quantization levels the quantization level is selected which represents a nearest neighbor to the reference signal (112). Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der nächste Nachbar durch eine Aufrundung oder eine Abrundung oder eine Rundung gegen Null oder eine Rundung gegen plus unendlich bzw. minus unendlich oder eine kaufmännische Rundung einer Differenz zwischen dem Quantisierungslevel, welches zu dem Referenzsignal (112) eine geringste Differenz darstellt, und dem Referenzsignal (112) gebildet wird.Method according to Claim 3 in which the nearest neighbor is rounded off or rounding or rounding towards zero or rounding versus plus or minus infinity or a commercial rounding of a difference between the quantization level representing a smallest difference from the reference signal (112), and the reference signal (112) is formed. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als jeweiliger steuerbarer Schalter ein Leistungshalbleiterschalter gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a power semiconductor switch is selected as the respective controllable switch. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem an einem Ausgang des Zweilevelmodulators (212) ein gefiltertes Fehlersignal erzeugt wird, welches mit einem Eingangssignal des Zweilevelmodulators (212) rückgekoppelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein at an output of the two-level modulator (212) a filtered error signal is generated, which is fed back with an input signal of the two-level modulator (212). Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Zweilevelmodulator (212) ein Sigma-Delta-Modulator gewählt wird.Method according to Claim 6 in which a sigma-delta modulator is selected as the two-level modulator (212). Schaltung (200, 300) für eine Multilevelmodulation mit einem Eingang (202) und einem Ausgang (204), welche einen Signalbildner (210, 310), einen Zweilevelmodulator (212), einen Subtrahierer und einen Addierer umfasst, wobei der Signalbildner (210, 310) dazu ausgelegt ist, ein an dem Eingang der Schaltung (200, 300) anliegendes Referenzsignal (112) als Multilevelsockelsignal (122, 206) auf vorgegebenen Quantisierungsleveln auszugeben, der Subtrahierer dazu ausgelegt ist, dieses Multilevelsockelsignal (122, 206) von dem Referenzsignal (112) zu subtrahieren und dadurch einen Restwert (132, 308) zu bilden, der Zweilevelmodulator (212) dazu ausgelegt ist, diesen Restwert (132, 308) zu digitalisieren und der Addierer dazu ausgelegt ist, dies mit dem Multilevelsockelsignal (122, 206) zu einem Ausgangssignal (204) am Ausgang der Schaltung (200, 300) zusammenzuführen, wodurch das am Eingang (202) der Schaltung (200, 300) anliegende Referenzsignal (112) in das am Ausgang (204) der Schaltung (200, 300) vorliegende Multilevelsockelsignal (132, 306) und den Restwert (132, 308) aufgespaltet wird.Circuit (200, 300) for a multilevel modulation having an input (202) and an output (204), which comprises a signal generator (210, 310), a two-level modulator (212), a subtractor and an adder, wherein the signal generator (210, 310) is adapted to output a reference signal (112) applied to the input of the circuit (200, 300) as a multilevel base signal (122, 206) at predetermined quantization levels, the subtractor being adapted to receive that multilevel base signal (122, 206) from the reference signal (112) and thereby form a residual value (132, 308), the two-level modulator (212) is adapted to digitize this residual value (132, 308) and the adder is adapted to do so with the multi-level base signal (122, 206 ) to an output signal (204) at the output of the circuit (200, 300), whereby the at the input (202) of the circuit (200, 300) applied reference signal (112) in the output (204) of the circuit (2 00, 300) present multilevel base signal (132, 306) and the residual value (132, 308) is split. Schaltung nach Anspruch 8, bei dem der Zweilevelmodulator (212) ein Sigma-Delta-Modulator ist.Switching to Claim 8 in which the two-level modulator (212) is a sigma-delta modulator. System zu einer Multilevelmodulation, welches eine Schaltung (200, 300) nach Anspruch 8 oder 9, einen Multilevelkonverter, mindestens eine Energiespeichereinheit, einen Referenzsignalbildner, und eine Strom- oder Spannungsquelle, welche den Referenzsignalbildner speist, aufweist, wobei das System dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.System for a multilevel modulation, which a circuit (200, 300) after Claim 8 or 9 , a multilevel converter, at least one energy storage unit, a reference signal generator, and a current or voltage source that feeds the reference signal generator, the system being configured to implement a method according to any one of Claims 1 to 7 perform.
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