DE102022001302A1 - HD electrical inverter system and associated control method - Google Patents
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Abstract
Es ist bekannt, dass kaskadierte H-Bridges mit heterogenen Modulspannungen theoretisch exponentiell verfeinerte Ausgangsspannungsniveaus erzeugen und hohe Ausgangsauflösungen mit nur einer Stromquelle erreichen können. Mehrere kritische Aspekte müssen jedoch noch gründlich untersucht werden, nämlich 1) die Steuerbarkeit der Modulspannungen unter beliebigen Lastbedingungen und 2) die optimale Planung der Schaltzustände.Wir stellen einen Planungsalgorithmus und topologische Änderungen für binäre asymmetrische kaskadierte H-Brücken (ACHBs) vor, um einen vollständig sensorlosen Betrieb unter allen Lastbedingungen zu erreichen und dabei nur eine Stromquelle zu verwenden. Der Planungsalgorithmus hebt die Energieaufnahme der floatenden Module pro Zeitrahmen auf, während Gleichstrom-Hilfsschaltungen mit geringem Stromverbrauch, die sich natürlich aus der Brückenstruktur ergeben, jegliche Spannungsdrift korrigieren können, ohne dass Spannungssensoren erforderlich sind. Rigorose Analysen zeigen einen inhärenten Leistungskonflikt zwischen der Genauigkeit der Referenzabtastung und der Kontrollierbarkeit der Spannung der floatenden Module für ACHBs im Allgemeinen, für die der vorgeschlagene Algorithmus immer die Pareto-Front erreicht. Die vorgeschlagene ACHB und der Algorithmus werden in einem Versuchsaufbau mit sechs Modulen und 65 Ausgangspegeln (d. h. effektiv 6 Bits) getestet.It is known that cascaded H-bridges with heterogeneous module voltages can theoretically produce exponentially refined output voltage levels and achieve high output resolutions with only a single power source. However, several critical aspects remain to be thoroughly investigated, namely 1) the controllability of module voltages under arbitrary load conditions and 2) the optimal scheduling of switching states.We present a scheduling algorithm and topological changes for binary asymmetric cascaded H-bridges (ACHBs) to achieve a to achieve completely sensorless operation under all load conditions while using only one power source. The scheduling algorithm cancels out the energy consumption of the floating modules per time frame, while low-power DC auxiliary circuits, which naturally arise from the bridge structure, can correct for any voltage drift without the need for voltage sensors. Rigorous analyzes reveal an inherent performance trade-off between reference sampling accuracy and floating module voltage controllability for ACHBs in general, for which the proposed algorithm always achieves the Pareto front. The proposed ACHB and algorithm are tested in a six-module experimental setup with 65 output levels (i.e., effectively 6 bits).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungstopologie und ein zugehöriges Steuerungsverfahren für einen leistungselektronischen Wechselrichter mit ultrahoher Ausgangsspannungsauflösung, hohem Wirkungsgrad sowie hoher Skalierbarkeit zur Abdeckung kleiner, mittlerer und hoher Leistungen, jedoch mit geringem Kosten- und Betriebsaufwand.The invention relates to a circuit topology and an associated control method for a power electronic inverter with ultra-high output voltage resolution, high efficiency and high scalability to cover small, medium and high powers, but with low costs and operating effort.
Der Bedarf an Hochleistungsstromquellen ergibt sich aus vielen neuen Anwendungen, die häufig gleichzeitig eine hohe Leistung (> 1 kW, manchmal > 100 kW oder sogar > 1 MW), eine hohe Qualität (z. B. eine Auflösung von > 10 Bit) und eine hohe Frequenz (> 1 kHz) erfordern. Beispiele hierfür sind Geräte zur magnetischen Nervenstimulation, Hochleistungs-Audioverstärker und Hochleistungs-Elektromotorprüfstände. Die meisten bestehenden Stromquellentechnologien wurden jedoch mit Blick auf einen bestimmten Betriebsbereich entwickelt und verfeinert, und es gibt keine allgemeine Lösung, die hochauflösende, flexible Wechselstromwellenformen von kW bis MW und Frequenzen von DC bis MHz liefern kann. Kundenspezifische Anpassungen waren schon immer der Hauptansatz für die Entwicklung von Stromrichtern, was bei jedem neuen F&E-Projekt hohe Vorabinvestitionen nach sich zieht und den Markteintritt verzögert. Auch im akademischen Bereich besteht der Bedarf an schnellem, flexiblem Hardware-Prototyping, wobei jedes Labor einen weiteren spezifischen und teuren Stromrichteraufbau baut.The need for high power power sources arises from many new applications that often simultaneously require high power (> 1 kW, sometimes > 100 kW or even > 1 MW), high quality (e.g. resolution of > 10 bits) and a require high frequency (> 1 kHz). Examples include magnetic nerve stimulation devices, high-performance audio amplifiers, and high-performance electric motor test benches. However, most existing power source technologies have been developed and refined with a specific operating range in mind, and there is no general solution that can deliver high-resolution, flexible AC waveforms from kW to MW and frequencies from DC to MHz. Customization has always been the main approach to power converter development, which requires large upfront investments in each new R&D project and delays market entry. There is also a need for fast, flexible hardware prototyping in academia, with each lab building another specific and expensive power converter setup.
Wissenschaftliche Referenz B. Wang et al. (2022) [Wang, Boshuo, Zhongxi Li, Charles E. Sebesta, Daniel Torres Hinojosa, Qingbo Zhang, Jacob Robinson, Gang Bao, Angel V. Peterchev, and Stefan Goetz (2022). „Multichannel power electronics and magnetic nanoparticles for selective thermal magnetogenetics“. Journal of Neural Engineering, doi: 10.1088/1741-2552/ac5b94] beschreibt eine Schaltung, die hochfrequente Leistung mit hoher Qualität und Leistung erzeugen kann. Die dort beschriebene Lösung kann jedoch nur ganz bestimmte Frequenzen erzeugen, ist aber nicht in der Lage, praktisch jede Leistung innerhalb einer bestimmten Bandbreite zu erzeugen.Scientific reference B. Wang et al. (2022) [Wang, Boshuo, Zhongxi Li, Charles E. Sebesta, Daniel Torres Hinojosa, Qingbo Zhang, Jacob Robinson, Gang Bao, Angel V. Peterchev, and Stefan Goetz (2022). “Multichannel power electronics and magnetic nanoparticles for selective thermal magnetogenetics”. Journal of Neural Engineering, doi: 10.1088/1741-2552/ac5b94] describes a circuit that can generate high-frequency power with high quality and performance. However, the solution described there can only generate very specific frequencies, but is not able to generate practically any power within a specific bandwidth.
Z. Li et al. (2019) [Li, Zhongxi, Ricardo Lizana, Zhujun Yu, Sha Sha, Angel V. Peterchev, and Stefan M. Goetz (2019). „A modular multilevel series/parallel converter for a wide frequency range operation.“ IEEE Transactions on Power Electronics, 34(10): 9854-9865. doi: 10.1109/TPEL.2019.2891052], S. Goetz et al. (2016) [Goetz, Stefan M., Zhongxi Li, Xinyu Liang, Chengduo Zhang, Srdjan M. Lukic, and Angel V. Peterchev (2016). „Control of modular multilevel converter with parallel connectivity-Application to battery systems.“ IEEE Transactions on Power Electronics, 32(11):8381-8392, doi: 10.1109/TPEL.2016.2645884], Patentschrift
Z. Li et al. (2022) [Li, Zhongxi, Jinshui Zhang, Angel Peterchev, und Stefan Goetz (2022). Modular Pulse Synthesizer for [Transcranial Magnetic Stimulation with Flexible User-Defined Pulse Shaping and Rapidly Changing Pulse in Sequences. arXiv preprint arXiv:2202.06530.], Z. Zeng et al. (2022) [Zeng, Zhiyong, Lari Koponen, Rena Hamdan, Zhongxi Li, Stefan Goetz, , and Angel V. Peterchev (2022). „Modular multi-level TMS device with wide output range and ultrabrief pulse capability for sound reduction“. Journal of Neural Engineering, 19(2): 026008, doi: 10.1088/1741-2552/ac572c], und S. Goetz et al. (2012) [Goetz, Stefan M., Michael Pfaeffl, Jonas Huber, Matthias Singer, Rainer Marquardt, and Thomas Weyh (2012). „Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform“. In 2012'Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), pp. 4700-4703. doi: 10.1109/EMBC.2012.6347016] offenbaren Geräte, die praktisch jede Ausgangsform mit sehr hoher Leistung und großer Bandbreite erzeugen können. Allerdings ist die Ausgangsqualität eher begrenzt und erfordert viele Komponenten oder Module, da die Spannungsgranularität nur proportional zur Anzahl der Module wächst.Z. Li et al. (2022) [Li, Zhongxi, Jinshui Zhang, Angel Peterchev, and Stefan Goetz (2022). Modular Pulse Synthesizer for [Transcranial Magnetic Stimulation with Flexible User-Defined Pulse Shaping and Rapidly Changing Pulse in Sequences. arXiv preprint arXiv:2202.06530.], Z. Zeng et al. (2022) [Zeng, Zhiyong, Lari Koponen, Rena Hamdan, Zhongxi Li, Stefan Goetz, , and Angel V. Peterchev (2022). “Modular multi-level TMS device with wide output range and ultrabrief pulse capability for sound reduction”. Journal of Neural Engineering, 19(2): 026008, doi: 10.1088/1741-2552/ac572c], and S. Goetz et al. (2012) [Goetz, Stefan M., Michael Pfaeffl, Jonas Huber, Matthias Singer, Rainer Marquardt, and Thomas Weyh (2012). “Circuit topology and control principle for a first magnetic stimulator with fully controllable waveform”. In 2012'Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), pp. 4700-4703. doi: 10.1109/EMBC.2012.6347016] disclose devices that can generate virtually any form of output with very high power and wide bandwidth. However, the output quality is rather limited and requires many components or modules since the voltage granularity only grows proportionally to the number of modules.
Wissenschaftliche Referenz J. Fang (2021) [Fang, Jingyang, Frede GE Blaabjerg, Steven Liu, und Stefan Goetz (2021). „A review of multilevel converters with parallel connectivity“. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(11):12468-12489. doi: 10.1109/TPEL.2021.3075211] offenbart verschiedene Modulkonfigurationen, von denen einige in Kombination mit der Erfindung verwendet werden können und hier durch Bezugnahme aufgenommen werden sollen.Scientific Reference J. Fang (2021) [Fang, Jingyang, Frede GE Blaabjerg, Steven Liu, and Stefan Goetz (2021). “A review of multilevel converters with parallel connectivity”. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(11):12468-12489. doi: 10.1109/TPEL.2021.3075211] discloses various module configurations, some of which may be used in combination with the invention and are intended to be incorporated herein by reference.
Die Patentschrift
Die Verstärkerschaltung der Patentschrift
Die Vorrichtung aus Patentschrift
Die gängigste Methode zur Erzielung einer hohen Leistung bei gleichzeitig hoher Ausgangsqualität sind sogenannte kaskadierte H-Brücken-Wandler (CHB). CHB ist eine typische modulare Topologie, die in erster Linie aus mehreren identischen Leistungsschaltungsmodulen besteht. Durch individuelles Ein- und Ausschalten dieser Module erzeugt der CHB eine Reihe von diskreten Spannungspegeln. Da die Anzahl der Ausgangsspannungspegel proportional zur Anzahl der Module wächst, wird für eine hochauflösende Ausgabe eine große Anzahl von Modulen benötigt. Eine 7-Bit-Ausgangsauflösung erfordert beispielsweise eine Größenordnung von 128 Modulen; eine weitere Erhöhung der Auflösung auf 8 Bit verdoppelt die Anzahl der Module. Die enormen Bauteilkosten und der Betriebsaufwand behindern den Einsatz von CHBs in Nieder-/ Mittelspannungsanwendungen, trotz ihrer hervorragenden Skalierbarkeit in Bezug auf Leistung und Ausgangsauflösung.The most common method for achieving high performance while maintaining high output quality are so-called cascaded H-bridge converters (CHB). CHB is a typical modular topology, which primarily consists of several identical power switching modules. By turning these modules on and off individually, the CHB generates a range of discrete voltage levels. Since the number of output voltage levels grows in proportion to the number of modules, a large number of modules are required for high-resolution output. For example, a 7-bit output resolution requires an order of 128 modules; further increasing the resolution to 8 bits doubles the number of modules. The enormous component cost and operational overhead hinder the use of CHBs in low/medium voltage applications, despite their excellent scalability in terms of power and output resolution.
Digitale Schaltungen wie Sigma/Delta-DAC hingegen geben problemlos 16 Bit in einer sehr großen Bandbreite aus. Allerdings können solche Schaltungen kaum eine sinnvolle elektrische Last tragen, was sie in der Leistungselektronik unbrauchbar macht. Allgemeine Verstärkerschaltungen, die sich durch eine geringere Leistung auszeichnen, können zwar die Qualität, nicht aber die Leistung erzeugen, da ihr Wirkungsgrad begrenzt ist. Die meisten Verstärker verwenden Transistoren, die linear im strom- oder spannungsgesteuerten Bereich arbeiten, was zu erheblichen Verlusten führt.Digital circuits such as Sigma/Delta DAC, on the other hand, easily output 16 bits in a very wide bandwidth. However, such circuits can hardly carry any meaningful electrical load, which makes them unusable in power electronics. General amplifier circuits that are characterized by lower power can produce the quality but not the power because their efficiency is limited. Most amplifiers use transistors that operate linearly in the current or voltage controlled range, resulting in significant losses.
Die im Folgenden beschriebene Erfindung stellt eine Art asymmetrische kaskadierte H-Brückenschaltung (ACHB) vor, die die oben genannten Probleme löst und einen High-Definition-Wandler (HD-Wandler) bildet. Die vorgeschlagenen ACHBs behalten die hervorragende (Leistungs-)Skalierbarkeit von CHBs bei und besitzen gleichzeitig die hohe Auflösung und Bandbreite von Sigma/Delta-DACs. Der vorgeschlagene ACHB benötigt zum Beispiel nur 7 Module für eine 7-Bit-Auflösung und 8 Module für eine 8-Bit-Auflösung - eine erhebliche Vereinfachung im Vergleich zu herkömmlichen CHBs.The invention described below introduces a kind of asymmetric cascaded H-bridge circuit (ACHB) that solves the above problems and forms a high-definition converter (HD converter). The proposed ACHBs retain the excellent (performance) scalability of CHBs while possessing the high resolution and bandwidth of sigma/delta DACs. For example, the proposed ACHB requires only 7 modules for 7-bit resolution and 8 modules for 8-bit resolution - a significant simplification compared to traditional CHBs.
Die ACHB kann modular aufgebaut sein, so dass sie mehrere Stromkreismodule umfasst. Die ACHBs steuern die Module jedoch absichtlich auf unterschiedlichen Spannungsniveaus. Die Modulspannungen können z. B. eine Potenzfolge von {2k} bilden, was eine Sigma/Delta-Synthetisierung ermöglicht. Zusätzlich zur Nutzung einer Mischung verschiedener Modulspannungen für eine hochauflösende Ausgabe offenbart die Erfindung eine Lösung, wie sich eine solche Schaltung unter beliebigen Lastbedingungen verhalten würde. Die Kombination aus Steuerungsverfahren und Schaltungsimplementierung verhindert, dass ACHB-Module ungleiche Energiemengen aufnehmen, von ihren vorgegebenen Spannungen abweichen und das System schnell zusammenbricht.The ACHB can have a modular design so that it includes several circuit modules. However, the ACHBs intentionally control the modules at different voltage levels. The module voltages can e.g. B. form a power sequence of {2 k }, which enables sigma/delta synthesis. In addition to using a mix of different module voltages for high resolution output, the invention discloses a solution to how such a circuit would perform under arbitrary load conditions. The combination of control method and circuit implementation prevents ACHB modules from absorbing unequal amounts of energy, deviating from their specified voltages and causing the system to quickly collapse.
Die vorliegende Erfindung unterliegt keinem Kompromiss zwischen dem Ausgangslastbereich und der Notwendigkeit, eine große Anzahl von galvanisch getrennten Gleichstromversorgungen (z. B. eine pro Modul) zu implementieren: Die vorgeschlagene ACHB kann sogar mit nur einer Gleichstromversorgung arbeiten, während sie alle Arten von Lastbedingungen akzeptiert.The present invention is not subject to any compromise between the output load range and the need to implement a large number of galvanically isolated DC supplies (e.g. one per module): the proposed ACHB can even operate with only one DC supply while accepting all types of load conditions .
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Eine wichtige Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Reihe von Gleichstrom/Wechselstrom-Schaltungsmodulen, die jeweils mit einer bestimmten Spannung geladen sind. Benachbarte Module sind elektrisch miteinander verbunden, z. B. durch ein Stromkabel und eine kleine Induktivität (z. B. 0,1 µH bis 10 mH, vorzugsweise 1 µH bis 1 mH). Bei der Spule kann es sich z. B. um eine Verbindung mit mehreren Windungen, eine Verbindung mit magnetischem Material, das ein geschlossenes Volumen bildet, oder um ein einzelnes Spulenbauteil handeln. Die Positionen der Schaltungsmodule sind nach Spannung sortiert. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst N brückenartige Schaltungsmodule, die auf unterschiedliche Spannungen aufgeladen sind, z. B. proportional zu der Zahlenfolge 2: 4: 8: ...: 2N.An important embodiment of the invention includes a series of DC/AC circuit modules, each charged with a specific voltage. Adjacent modules are electrically connected to each other, e.g. B. by a power cable and a small inductance (e.g. 0.1 µH to 10 mH, preferably 1 µH to 1 mH). The coil can be e.g. B. a connection with multiple turns, a connection with magnetic material that forms a closed volume, or a single coil component. The positions of the circuit modules are sorted by voltage. One The preferred embodiment of the invention includes N bridge-like circuit modules charged to different voltages, e.g. B. proportional to the number sequence 2: 4: 8: ...: 2 N.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vier Hierarchieebenen vorgestellt: Modul, Inter-Modulverbindung, Armbildung und Steuerung.The invention is presented below using four hierarchy levels: module, inter-module connection, arm formation and control.
Modulmodule
Die Erfindung kann prinzipiell mit einer Vielzahl von Modulschaltungen (sog. Mikrotopologien oder Modultopologien) von modularen Wandlern kombiniert werden. Bevorzugte Modultypen sind Zwei-Quadranten-Module mit reiner Reihenschaltung (nachfolgend kurz M2C-2q genannt), Vier-Quadranten-Module mit reiner Reihenschaltung (nachfolgend kurz M2C-4q genannt), kurzschlussfeste Module mit reiner Reihenschaltung (nachfolgend kurz 4q-KGM2C genannt), Vier-Quadranten-Module mit Reihen- und Parallelschaltung (nachfolgend kurz M2SPC-4q genannt), Zwei-Quadranten-Module mit Reihen- und Parallelschaltung (nachfolgend kurz M2SPC-2q genannt). Diese Module arbeiten mit unterschiedlichen Spannungsniveaus, die sich vorzugsweise um den Faktor 2k oder 3k voneinander unterscheiden, d. h. mit Spannungen, die in erster Näherung einer Leistungsreihe folgen.The invention can in principle be combined with a large number of module circuits (so-called microtopologies or module topologies) of modular converters. Preferred module types are two-quadrant modules with pure series connection (hereinafter referred to as M2C-2q), four-quadrant modules with pure series connection (hereinafter referred to as M2C-4q), short-circuit-proof modules with pure series connection (hereinafter referred to as 4q-KGM2C). , four-quadrant modules with series and parallel connection (hereinafter referred to as M2SPC-4q), two-quadrant modules with series and parallel connection (hereinafter referred to as M2SPC-2q). These modules work with different voltage levels, which preferably differ from each other by a factor of 2 k or 3 k , ie with voltages that, to a first approximation, follow a power series.
Inter-Modul-VerbindungInter-module connection
Die Inter-Modul-Verbindung oder kurz Verbindung bezieht sich auf die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Modulen. Die benachbarten Module werden über einen elektrischen Leiter oder Konduktor und eine Drosselspule, Induktivität oder Induktor miteinander verbunden. Während der elektrische Leiter als sogenannter Leistungspfad, wie z. B. ein Stromkabel oder Stromschienen - ähnlich wie bei herkömmlichen CHBs - in erster Linie den Laststrom leitet, bietet der zusätzliche Induktor eine Möglichkeit für die kontrollierte Energieübertragung über die Verbindung. Durch geeignete Steuersignale der Leistungstransistoren können das Stromkabel, die Induktivität und die Energiespeicherelemente, z. B. Kondensatoren, Batteriezellen oder Batterien, der beiden benachbarten Module einen bidirektionalen Gleichspannungswandler zur Energieübertragung bilden. Eine solche Energieübertragung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des exponentiellen Spannungsgradienten zwischen den Modulen.The inter-module connection or connection for short refers to the electrical connection between adjacent modules. The adjacent modules are connected to each other via an electrical conductor or conductor and a choke coil, inductor or inductor. While the electrical conductor acts as a so-called power path, such as. B. a power cable or busbars - similar to conventional CHBs - primarily conducts the load current, the additional inductor offers a possibility for controlled energy transfer across the connection. The power cable, the inductance and the energy storage elements, e.g. B. capacitors, battery cells or batteries, the two adjacent modules form a bidirectional DC-DC converter for energy transmission. Such energy transfer is crucial for maintaining the exponential voltage gradient between modules.
Armpoor
Eine Reihe von miteinander verbundenen Modulen wird als Arm bezeichnet. Mehrere Arme können miteinander verbunden werden, um verschiedene Makrotopologien für unterschiedliche Anforderungen zu bilden. So können beispielsweise drei dieser Arme miteinander verbunden werden, um eine so genannte Sternkonfiguration für dreiphasige Anwendungen wie Motorantriebe zu bilden. Eine Verbindung kann mit elektrischen Verbindungen, wie Kabeln und Drähten, und Induktoren für maximale Steuerbarkeit (
Steuerungsteering
Das vorgestellte Steuerungsverfahren verwendet eine kontinuierliche Referenzwellenform als Eingangssignal und bestimmt die Schaltzustände, auch kurz Zustände, von elektrischen Schaltern, z. B. Leistungstransistoren, um die Referenzwellenform mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz anzunähern. Wichtig ist, dass die vorgestellte Methode 1) einen engen Ausgangsfehlerbereich garantiert, der streng durch die Gleichstrom-Zwischenkreisspannung des kleinsten Moduls begrenzt ist, 2) eine Nettoladung von Null für alle floatenden Module garantiert, was zu einer wesentlich vereinfachten Spannungsregelung der Gleichstrom-Zwischenkreise aller Module führt, und 3) die redundanten Schaltzustände der benachbarten Module und der Verbindung ausnutzt, um das vorgegebene Spannungsverhältnis zu gewährleisten, ohne dass Spannungssensoren erforderlich sind.The control method presented uses a continuous reference waveform as an input signal and determines the switching states, also briefly states, of electrical switches, e.g. B. power transistors to approximate the reference waveform with a predetermined sampling frequency. Importantly, the presented method 1) guarantees a narrow output error range, strictly limited by the DC link voltage of the smallest module, 2) guarantees a zero net charge for all floating modules, resulting in significantly simplified voltage regulation of all DC links modules, and 3) exploits the redundant switching states of the neighboring modules and the connection to ensure the specified voltage ratio without the need for voltage sensors.
Floatend im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere, dass die Elemente, beispielsweise Energiespeicher oder Module, keinen festen Potentialbezug zur Erde aufweisen sondern beispielsweise durch wirksame Aktivierung von Schaltelementen gegenüber der Erde in ihrem Potential verschoben werden können.Floating in the sense of the invention means in particular that the elements, for example energy storage devices or modules, do not have a fixed potential reference to earth but can be shifted in their potential relative to earth, for example by effectively activating switching elements.
Die oben genannten Merkmale ermöglichen zusammen mit den oben erwähnten Wandlertopologien eine hochgenaue, vorzugsweise spannungsgespeiste Wellenformsynthetisierung unter praktisch allen Lastbedingungen, wobei die vordefinierte Zwischenkreisspannungsleiter beibehalten wird. Es wird nur eine Gleichspannungsquelle benötigt, und ein Sensor ist nicht erforderlich. Die Berechnungskomplexität liegt in der Größenordnung von O(N), wobei N die Anzahl der Module pro Zweig ist.The above features, together with the above-mentioned converter topologies, enable highly accurate, preferably voltage-fed, waveform synthesis under virtually any load conditions, whereby the predefined DC link voltage ladder is maintained. Only a DC voltage source is required and a sensor is not required. The computational complexity is on the order of O(N), where N is the number of modules per branch.
Die geforderten Eigenschaften werden durch Neuerungen im Kontrollsystem und in der Schaltungstopologie ermöglicht. Im Kern teilt das Steuerungsverfahren die abgetastete Referenzwellenform in Segmente mit einer bestimmten Länge (typischerweise in der Größenordnung von 100 µs) auf. Für jedes Segment werden alle Abtastwerte zusammen betrachtet, um die Schaltredundanz auszunutzen. Dies ist der Kerngedanke, um gleichzeitig eine niedrige Ausgangsfehlerrate und eine hohe Gleichstromstabilität zu erreichen. Im Gegensatz dazu scheitert das Scoping der Steuerung für jede Wellenformprobe - wie in den meisten existierenden Steuerungsmethoden für ACHBs - entweder bei der Suche nach dem besten Kompromiss zwischen den vorgenannten Steuerungszielen oder erfordert die Übertragung von Informationen auf die zukünftigen Steuerungszyklen, was die Stabilität des Systems erschwert und möglicherweise zu unvorhersehbarem Verhalten führt. Das Batching führt zwar zu einer Durchsatzlatenz, aber diese Latenz liegt in der Größenordnung der Schaltgeschwindigkeit (z. B. das zehnfache der Schaltperiode des schnellsten Transistors des ACHB-Systems), was bei den meisten Anwendungen vernachlässigbar ist. Dank der hohen vertikalen Auflösung des vorgeschlagenen Konverters sind keine großen Filter erforderlich, so dass die effektive Durchsatzlatenz sogar kürzer sein dürfte als bei herkömmlichen Zwei-/Dreistufen-Konvertern, die auf dieselbe Wellenformqualität abzielen.The required properties are made possible by innovations in the control system and circuit topology. At its core, the control method divides the sampled reference waveform into segments of a specific length (typically on the order of 100 µs). For each segment, all samples are considered together in order to exploit switching redundancy. This is the core idea to achieve low output error rate and high DC stability at the same time. In contrast, scoping the control for each waveform sample - as in most existing control methods for ACHBs - either fails to find the best compromise between the aforementioned control objectives or requires the transfer of information to the future control cycles, complicating the stability of the system and potentially lead to unpredictable behavior. Although batching introduces throughput latency, this latency is on the order of the switching speed (e.g., ten times the switching period of the fastest transistor in the ACHB system), which is negligible in most applications. Thanks to the high vertical resolution of the proposed converter, large filters are not required, so the effective throughput latency is expected to be even shorter than traditional two-/three-stage converters aiming at the same waveform quality.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Weitere Vorteile und Weiterentwicklungen der Erfindung können der Beschreibung und den Figuren entnommen werden.
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1 zeigt schematische Darstellungen von drei elektrischen Umrichtersystemen nach dem Stand der Technik-
1a (US 8,441,224 B2 -
1b (US 7,279,855 B2 1a ähnelt, bei dem jedoch eine DC/DC-Stufe zwischen der Batteriebank und dem DC/AC-Wechselrichter eingefügt ist. -
1c-d (US 8,760,122 B2 US 20190288617 A1
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2a-c zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.-
2a ist für einphasige Anwendungen gedacht. -
2b ist für dreiphasige Anwendungen mit einer Mindestanzahl von Modulen gedacht. Die Modulstränge sind sternförmig angeschlossen. -
2c ist für dreiphasige Anwendungen gedacht, die sich durch eine minimale Anzahl von Transistoren pro Modul und eine bessere Steuerbarkeit auszeichnen.
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3a-c zeigen verschiedene Ausführungsformen der Module mit unterschiedlicher Schaltredundanz, Polarität und Anzahl der Komponenten.-
3d zeigt eine Ausführungsform des zentralen Schaltmoduls, das verschiedene Konverterarme miteinander verbindet.
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4a-b zeigen verschiedene Ausführungsformen der Zusammenschaltung, die eine eigene Gleichstromwandlung zwischen den Modulen ermöglicht. -
5a-b zeigen die grundlegenden Schaltzustände. Die Schaltzustände sind durch den Leistungspfad und den Induktorpfad (Gleichspannungswandler) entkoppelt. -
6 zeigt Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens. -
7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens.
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1 shows schematic representations of three electrical converter systems according to the state of the art-
1a (US 8,441,224 B2 -
1b (US 7,279,855 B2 1a similar, but in which a DC/DC stage is inserted between the battery bank and the DC/AC inverter. -
1c-d (US 8,760,122 B2 US 20190288617 A1
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2a-c show various embodiments of the invention.-
2a is intended for single-phase applications. -
2 B is intended for three-phase applications with a minimum number of modules. The module strings are connected in a star shape. -
2c is intended for three-phase applications characterized by a minimum number of transistors per module and better controllability.
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3a-c show different embodiments of the modules with different switching redundancy, polarity and number of components.-
3d shows an embodiment of the central switching module that connects different converter arms to one another.
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4a-b show various embodiments of the interconnection, which enables its own direct current conversion between the modules. -
5a-b show the basic switching states. The switching states are decoupled by the power path and the inductor path (DC-DC converter). -
6 shows embodiments of the control method according to the invention. -
7 shows an embodiment of a control method according to the invention.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Vorrichtungcontraption
Der Betrieb der HD-Wandler 210/220/230 hängt entscheidend davon ab, dass die Module auf ihren vorgesehenen Spannungsniveaus bleiben. Wir bezeichnen diesen Aufwand zur Steuerung der Modulspannung als Spannungsregelung. Im Kern führt die Spannungsregelung dem Energiespeicher 313 - häufig in Form von Kondensatoren - eine bestimmte Menge an Ladung zu oder entzieht sie ihm, so dass der Energiespeicher genau auf dem vorgesehenen Spannungsniveau bleibt, um bei Aktivierung durch den HD-Wandler das genaue Spannungsniveau zu liefern. Die Spannungsregelung kann durch verschiedene Ansätze erreicht werden, von denen der einfachste darin besteht, galvanisch isolierte bidirektionale Stromversorgungen an den Energiespeicher 313 jedes Moduls anzuschließen. Natürlich erhöht ein solcher Ansatz die Kosten und den Energieverlust des HD-Wandlersystems erheblich. In dieser Erfindung wird die Spannungsregelung über den Laststrom selbst und die eingebettete Gleichstrom-Schnittstelle erreicht. Auf einer höheren Ebene aktiviert die vorgeschlagene Regelungsmethode die Schaltmodule 310 so, dass die Nettoänderung der Ladung des Energiespeichers 313 aller Module 310 nahezu Null ist, während die eingebettete Gleichstromschnittstelle das verbleibende Energiedefizit ausgleicht, falls es eines gibt. Die speziellen Schaltungstopologien, die einen solchen Betrieb ermöglichen, werden im Folgenden dargestellt, gefolgt von der Beschreibung des Steuerungsverfahrens.The operation of the
Die Verbindung 401 ist für den Vier-Quadranten-Betrieb geeignet, bei dem der Arm allein Spannung und Strom in beliebigen Kombinationen von Polaritäten liefern kann. Das Schaltmodul 310a kann auch in andere Verbindungen 402 und 403 konfiguriert werden. In diesem Fall versetzen die Verbindungen die benachbarten Schaltmodule 310a systematisch, so dass die resultierenden Arme entweder nur nicht-negative oder nur nicht-positive Spannungen liefern können. Die Verringerung des Betriebsbereichs (d. h. zwei Quadranten weniger) wird durch eine bessere Steuerbarkeit der Gleichstromschnittstelle erkauft. Diese Verbindungen 402 und 403, an denen das Schaltmodul 310a beteiligt ist, sind besonders für den dreiphasigen HD-Wandler 230 geeignet.
In der Zusammenschaltung 404 wird anstelle des Schaltmoduls 310a das fortschrittlichere Schaltmodul 310b eingesetzt, um eine bessere Steuerbarkeit der Gleichstrom-Gleichstrom-Schnittstelle zu erreichen, ohne den Betriebsbereich zu beeinträchtigen (d. h. den Vier-Quadranten-Betriebsbereich beizubehalten). In diesem Fall sind die vier Halbbrücken 311 des Moduls 310b für unterschiedliche Aufgaben vorgesehen. Die beiden Halbbrücken 311, die mit dem normalen Leiter der Verbindung 404 verbunden sind, leiten den vollen Strom der HD-Wandlersysteme. Die mit der Drossel verbundenen Halbbrücken leiten dagegen nur den Strom zur Vervollständigung der Spannungsregelung. Bei geeigneter Ansteuerung der HD-Wandler 210/220/230 erfolgt der größte Teil der Spannungsregelung über den Laststrom, so dass nur noch ein vernachlässigbarer Teil der Energie über die Gleichspannungsschnittstelle geleitet werden muss. Daher können diese Halbbrücken 311, die mit den Induktivitäten der Zusammenschaltung 404 verbunden sind, vorzugsweise mit kleineren Nennströmen ausgeführt werden, um die Kosten zu minimieren.In the
Steuerungsteering
Ein erfindungsgemäßes Steuerungsverfahren bezieht sich auf ein Verfahren, das die Schaltkombinationen der HD-Umrichtersysteme 210/220/230 bestimmt, um (Stufe I) die gewünschte beliebige Ausgangsspannungsform unter beliebigen Lastbedingungen zu erzeugen und (Stufe II) die Spannung der erdfreien Kondensatoren auf der vorgesehenen Spannungsreihe zu halten. Es sind keine erdfreien Stromversorgungen oder Spannungssensoren erforderlich.A control method according to the invention relates to a method that determines the switching combinations of the
Zu jedem Zeitpunkt zielt die Steuerstufe I darauf ab, eine Spalte von Zuständen in
Stufe I: Steuerung der AusgangsspannungStage I: Output voltage control
Stufe I zielt darauf ab, die Ziel-Ausgangswellenform mit der höchstmöglichen Qualität zu synthetisieren und gleichzeitig die akkumulierte Ladung an jedem floatenden Modul zu beseitigen. Dies ist ein entscheidender Schritt, um ein Energiedefizit von (nahezu) 0 an den floatenden Kondensatoren zu gewährleisten, d. h. eine sensorlose Spannungsregelung. In einer typischen Spannungsreihe, die durch die Zahlenreihe 2N eingestellt wird, gibt es eine gewisse Redundanz bei der Synthese der Ausgangsspannung, die von Stufe I ausgenutzt werden kann. Leider reicht diese Redundanz für bestimmte Spannungspegel nicht aus. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann daher die Anforderungen an die Ausgangswellenform lockern, indem es einen transienten Ausgangspegelfehler zulässt, der mit unserer feinsten Modulspannung übereinstimmt. Bei 8 potenzialfreien Modulen und somit -256 bis +256 möglichen Ausgangspegeln wird die Spannungskurve gelockert, so dass ein transienter Fehler von -1 oder +1 zulässig ist. Eine solche Einstellung führt in den meisten praktischen Szenarien zu vernachlässigbaren Verzerrungen, erhöht aber die Redundanz, um für alle Module ein 0-Energiedefizit zu erreichen.Stage I aims to synthesize the target output waveform with the highest possible quality while eliminating the accumulated charge on each floating module. This is a crucial step to ensure a (near) 0 energy deficit on the floating capacitors, i.e. sensorless voltage regulation. In a typical voltage series set by the number series 2N , there is some redundancy in the synthesis of the output voltage that can be exploited by stage I. Unfortunately, this redundancy is not sufficient for certain voltage levels. A method according to the invention can therefore relax the output waveform requirements by allowing a transient output level error consistent with our finest module voltage. With 8 potential-free modules and therefore -256 to +256 possible output levels, the voltage curve is relaxed so that a transient error of -1 or +1 is permissible. Such a setting results in negligible distortion in most practical scenarios, but increases redundancy to achieve a 0 energy deficit for all modules.
Wie bereits erwähnt, muss die Ausgangsspannungsregelung (Stufe I) 702 den vorgegebenen Ausgangsreferenzabschnitt mit der Genauigkeit des feinsten Spannungspegels annähern und gleichzeitig ein Energiedefizit von 0 auf allen floatenden Modulen sicherstellen. Zu diesem Zweck schlagen wir den folgenden Algorithmus für 702 vor. As previously mentioned, the output voltage control (Stage I) 702 must approximate the specified output reference section with the accuracy of the finest voltage level while ensuring a zero energy deficit on all floating modules. For this purpose, we propose the following algorithm for 702.
Sehr wichtig ist, dass der Algorithmus die folgenden Merkmale aufweist: (1) Der gesamte absolute Ausgangsspannungsfehler pro Abschnitt ist durch 2N begrenzt, unabhängig von der Rahmenlänge; mit anderen Worten, eine Verlängerung der Länge des Eingangspuffers 701 verringert die Fehlerdichte. Der maximale transiente Spannungsfehler ist konstruktionsbedingt durch das kleinste Modul begrenzt. (2) Die Netto-Eingangsenergie pro floatendem Modul ist Null, wenn man von einem nahezu konstanten Strom pro Pufferlänge ausgeht (d. h. in den meisten praktischen Fällen). (3) Der vorgeschlagene Algorithmus erreicht die Pareto-Front von (1) in Bezug auf den Kompromiss zwischen der Pufferlänge und der Ausgangsfehlerdichte und erfüllt gleichzeitig (2). Alle diese Eigenschaften sind mathematisch bewiesen. Darüber hinaus kann (4) der vorgeschlagene Algorithmus bei geeigneter Parallelisierung der Vektorarithmetik in der Größenordnung von O(LN) Iterationen ausgeführt werden. Die Zeitkomplexität O(LN) kann als O(N) pro Zeitschritt über den Verlauf des N-schrittigen Wellenformabschnitts amortisiert werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Anzahl der Ausgabestufen exponentiell wächst, während die Rechenzeit nur linear ansteigt, ist der vorgeschlagene Algorithmus in Mainstream-FPGAs realisierbar und hat eine große Skalierbarkeit.Very importantly, the algorithm has the following features: (1) The total absolute output voltage error per section is limited by 2N , regardless of the frame length; in other words, increasing the length of the
Stufe II: Steuerung der KondensatorspannungStage II: Capacitor voltage control
Nachdem in Stufe I bereits ein Energiedefizit von nahezu 0 pro floatendem Modul erreicht wurde, ist es Aufgabe von Stufe II, die verbleibende Nettoenergie weiter zu reduzieren. Dies geschieht durch Ausnutzung der Redundanz in jeder Spalte von
Da sich das System
Weitere AusführungsformenOther embodiments
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens drei Module, wobei jedes der Module mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens drei elektrische Schalter umfasst, wobei jedes der Module mit mindestens einem zweiten der Module durch mindestens eine elektrische Verbindung zwischen den Modulen elektrisch verbunden ist, und wobei die mindestens zwei elektrischen Schalter in jedem Modul so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten Modul und mindestens einem zweiten Modul zwischen mindestens zwei Alternativen der elektrischen Verbindung durch effektives Schalten der elektrischen Schalter ändern; und wobei mindestens zwei Module durch mindestens zwei elektrische Verbindungen verbunden sind, von denen mindestens eine Induktivität von mehr als 100 nH aufweist.An embodiment of the invention comprises at least three modules, each of the modules comprising at least one energy storage element and at least three electrical switches, each of the modules being electrically connected to at least a second one of the modules by at least one electrical connection between the modules, and wherein the at least two electrical switches in each module are configured to change an electrical connection between a first module and at least a second module between at least two alternatives of electrical connection by effectively switching the electrical switches; and wherein at least two modules are connected by at least two electrical connections, at least one of which has inductance greater than 100 nH.
Die mindestens eine elektrische Verbindung mit einer Induktivität von 100 nH kann eine Induktivität mit magnetischem Material sein.The at least one electrical connection with an inductance of 100 nH can be an inductor with magnetic material.
Die mindestens zwei Alternativen der elektrischen Verbindung können mindestens einen Serienzustand umfassen, bei dem das mindestens eine Energiespeicherelement eines ersten Moduls mit mindestens einem Energiespeicherelement mindestens eines zweiten Moduls in Reihe geschaltet ist.The at least two alternatives of the electrical connection can include at least one series state in which the at least one energy storage element of a first module is connected in series with at least one energy storage element of at least a second module.
In einer anderen Ausführungsform ist der mindestens eine Bypass-Zustand, in dem mindestens ein Energiespeicherelement eines ersten Moduls mit höchstens einem seiner elektrischen Kontakte elektrisch mit einem zweiten Modul verbunden ist.In another embodiment, the at least one bypass state is in which at least one energy storage element of a first module is electrically connected to a second module with at most one of its electrical contacts.
Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst mindestens drei Zweige mit jeweils mindestens zwei Modulen, wobei die drei Zweige durch eine paarweise elektrische Verbindung von mindestens einem Modul jedes Zweigs verbunden sind. In dieser Ausführungsform kann mindestens ein Teil der paarweisen elektrischen Verbindung mindestens eines Moduls jedes Zweigs mit dem Energiespeicherelement mindestens eines Moduls jedes Zweigs so verbunden werden, dass er mit den positiven Anschlüssen der Energiespeicherelemente der mindestens einen Module jedes Zweigs verbunden ist und mindestens ein anderer Teil der paarweisen elektrischen Verbindung mindestens eines Moduls jedes Zweigs mit den negativen Anschlüssen der genannten Energiespeicherelemente der mindestens einen Module jedes Zweigs so verbunden ist, dass die Energiespeicherelemente dauerhaft parallel geschaltet sind oder eine Einheit bilden.A preferred embodiment comprises at least three branches, each with at least two modules, the three branches being connected by a paired electrical connection of at least one module of each branch. In this embodiment, at least a part of the paired electrical connection of at least one module of each branch can be connected to the energy storage element of at least one module of each branch so that it is connected to the positive terminals of the energy storage elements of the at least one module of each branch and at least another part of the pairwise electrical connection of at least one module of each branch to the negative connections of said energy storage elements of the at least one module of each branch is connected so that the energy storage elements are permanently connected in parallel or form a unit.
Bei einer Änderung können die mindestens drei elektrischen Schalter eines ersten Moduls zusammen mit den mindestens drei elektrischen Schaltern eines zweiten Moduls, das elektrisch mit dem ersten Modul verbunden ist, dynamisch zwischen mehreren Verbindungszuständen wechseln, die durch eine Kombination aus mehreren Leistungspfad-Schaltzuständen und mehreren Induktorpfad-Schaltzuständen gebildet werden.Upon change, the at least three electrical switches of a first module, along with the at least three electrical switches of a second module electrically connected to the first module, may dynamically transition between multiple connection states determined by a combination of multiple power path switching states and multiple inductor paths switching states are formed.
Diese Mehrfachverbindungszustände können mindestens vier Schaltzustände des Leistungspfades und mindestens vier Schaltzustände des Induktionsfeldes umfassen, die durch entsprechendes Ein- und Ausschalten der mindestens drei elektrischen Schalter frei kombiniert werden können.These multiple connection states can include at least four switching states of the power path and at least four switching states of the induction field, which can be freely combined by correspondingly switching the at least three electrical switches on and off.
Zur Versorgung kann ein Gleichstromnetzteil, das nicht erdfrei oder galvanisch getrennt sein muss, an das mindestens eine Energiespeicherelement mindestens eines Moduls angeschlossen werden, so dass das Gleichstromnetzteil elektrisch parallel zu dem Energiespeicherelement geschaltet ist. Das Gleichstromnetzteil kann z. B. mit mindestens einem seiner Anschlüsse an Masse angeschlossen werden.For supply, a DC power supply, which does not have to be ungrounded or galvanically isolated, can be connected to the at least one energy storage element of at least one module, so that the DC power supply is electrically connected in parallel to the energy storage element. The DC power supply can e.g. B. be connected to ground with at least one of its connections.
Ein entsprechendes Steuerungsverfahren zur Erzeugung mindestens einer leistungsfähigen, qualitativ hochwertigen elektrischen Ausgangsspannung durch die Erfindung führt vorzugsweise mindestens die folgenden Schritte durch:
- einen Leistungserzeugungsschritt, der Leistungszustände mehrerer Module derart bestimmt, dass die Verschaltung der jeweils auf ein individuelles Spannungsniveau aufgeladenen Energiespeicherelemente der entsprechenden Module entsprechend den gewählten Leistungspfad-Schaltzuständen eine Annäherung an die angeforderte Ausgangsspannung mit einem Fehler von höchstens der kleinsten Spannung eines der Energiemodulelemente der Module erzeugt; und einen Kondensatorspannungsladeschritt, der Induktorpfadzustände bestimmt und die ausgewählten Leistungszustände der Module verwendet, um für jedes von mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Modul einen Modulzustand auszuwählen, der den mindestens einen Induktor magnetisiert oder den mindestens einen Induktor, der das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Modul verbindet, entmagnetisiert, wobei das Magnetisieren des Leiters.
- a power generation step that determines the power states of several modules in such a way that the interconnection of the energy storage elements of the corresponding modules, each charged to an individual voltage level, generates an approximation to the requested output voltage with an error of at most the smallest voltage of one of the energy module elements of the modules in accordance with the selected power path switching states ; and a capacitor voltage charging step that determines inductor path states and uses the selected power states of the modules to select, for each of at least a first and at least a second module, a module state that magnetizes the at least one inductor or the at least one inductor that magnetizes the at least one first and the at least a second module connects, demagnetized, magnetizing the conductor.
Je nach Leistungspfadstufe kann derselbe Zustand des Induktorpfads unterschiedliche Auswirkungen haben. Ob ein Induktorpfadzustand magnetisierend ist, d. h. einen Induktor auflädt, der Energie aus den Modul-Energiespeicherelementen entnimmt, oder entmagnetisierend, d. h. den Induktor entlädt und die Energie in ein Modul-Energiespeicherelement lädt, hängt also vom Leistungspfadzustand an derselben Modulverschaltung ab. Eine Modulverschaltung (dargestellt in
Sind in abwechselnd eingestellten magnetisierenden und entmagnetisierenden Induktorpfadzuständen verschiedene Energiespeicherelemente in einem Stromkreis mit demselben mindestens einen Induktor verbunden, so wird in den magnetisierenden Induktorpfadzuständen Energie von dem mindestens einen ersten Energiespeicherelement, das mit dem mindestens einen Induktor verbunden ist, auf das mindestens eine zweite Energiespeicherelement übertragen, das in den entmagnetisierenden Induktorpfadzuständen mit dem mindestens einen Induktor elektrisch verbunden ist, und es kann eine Leistungsübertragungsrichtung von dem mindestens einen ersten zu dem mindestens einen zweiten Energiespeicherelement definiert werden.If, in alternately set magnetizing and demagnetizing inductor path states, different energy storage elements are connected in a circuit with at least one inductor, then in the magnetizing inductor path states, energy is transferred from the at least one first energy storage element, which is connected to the at least one inductor, to the at least one second energy storage element , which is electrically connected to the at least one inductor in the demagnetizing inductor path states, and a power transfer direction from the at least one first to the at least one second energy storage element can be defined.
Die Magnetisierung des mindestens einen Induktors kann in dieser Ausführungsform durch Kombination eines BypassL-Leistungspfadzustands mit einem I+-Induktorpfadzustand oder eines BypassH-Leistungspfadzustands mit einem I--Induktorpfadzustand erreicht werden; und wobei die Entmagnetisierung des mindestens einen Induktors durch Kombination eines BypassL-Leistungspfadzustands mit einem IH-Induktorpfadzustand oder eines BypassH-Leistungspfadzustands mit einem IH-Induktorpfadzustand erreicht wird, so dass die Magnetisierungsenergie des Induktors effektiv in mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement übertragen wird.The magnetization of the at least one inductor can be achieved in this embodiment by combining a bypassL power path state with an I+ inductor path state or a bypassH power path state with an I- inductor path state; and wherein the demagnetization of the at least one inductor is achieved by combining a bypassL power path state with an IH inductor path state or a bypassH power path state with an IH inductor path state, such that the magnetization energy of the inductor is effectively transferred into at least one electrical energy storage element.
Der Schritt des Aufladens der Kondensatorspannung kann ferner vorzugsweise die Magnetisierung des mindestens einen Induktors aufrechterhalten, wobei sich die Magnetisierung praktisch nicht ändert, und wobei das Aufrechterhalten der Magnetisierung mindestens die Kombination eines Serien+-Leistungspfadzustands mit einem I+-Induktorpfadzustand oder eines Serien--Leistungspfadzustands mit einem I--Induktorpfadzustand oder eines BypassL-Leistungspfadzustands mit einem IL-Induktorpfadzustand oder eines BypassH-Leistungspfadzustands mit einem IH-Induktorpfadzustand umfasst.The step of charging the capacitor voltage may further preferably maintain the magnetization of the at least one inductor, wherein the magnetization does not change substantially, and wherein maintaining the magnetization includes at least the combination of a series+ power path state with an I+ inductor path state or a series--power path state with an I--inductor path state or a BypassL power path state with an IL inductor path state or a BypassH power path state with an IH inductor path state.
Die zeitliche Dauer mindestens eines magnetisierenden und entmagnetisierenden Induktorpfadzustandes zwischen mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Modul kann so gewählt werden, dass sie das gewünschte Spannungsverhältnis zwischen den Energiespeicherelementen des mindestens ersten und des mindestens zweiten Moduls widerspiegelt. Beispielsweise kann die Zeitdauer des Magnetisierungs- bzw. Entmagnetisierungs-Induktorpfadschritts mathematisch in Abhängigkeit vom Spannungsverhältnis der beiden Module gewählt werden, z. B. zumindest innerhalb eines Bereichs von Spannungsverhältnissen mit einer affinen linearen Beziehung von ax + b.The time duration of at least one magnetizing and demagnetizing inductor path state between at least a first and at least a second module can be selected so that it reflects the desired voltage ratio between the energy storage elements of the at least first and at least second modules. For example, the duration of the magnetization or demagnetization inductor path step can be selected mathematically depending on the voltage ratio of the two modules, e.g. B. at least within a range of stress ratios with an affine linear relationship of ax + b.
Darüber hinaus kann ein bevorzugtes Steuerungsverfahren auch einen Übertragungszustand umfassen, in dem die ausgewählten Zustände des Leistungspfads und des Induktorpfads an die Hardware übertragen werden.In addition, a preferred control method may also include a transfer state in which the selected states of the power path and the inductor path are transferred to the hardware.
Vorzugsweise bestimmt der Kondensatorspannungsladeschritt ferner die Induktorpfadzustände, indem er die Leistungspfadzustände von dem Ausgangserzeugungsschritt empfängt; berechnet ein Spannungsverhältnis für die erforderliche Zielspannung des mindestens einen Energiespeicherelements mindestens eines ersten Moduls relativ zu der Spannung des mindestens einen elektrischen Energiespeicherelements mindestens eines zweiten Moduls, das mit dem mindestens einen ersten Modul elektrisch verbunden ist; einen zeitlichen Anteil von magnetisierenden Induktorpfadzuständen und entmagnetisierenden Induktorpfadzuständen bestimmt; und entsprechende Induktorpfadzustände für das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Modul basierend auf den Leistungspfadzuständen des mindestens einen ersten Moduls und des mindestens einen zweiten Moduls mit einer Nachschlagetabelle auswählt.Preferably, the capacitor voltage charging step further determines the inductor path states by receiving the power path states from the output generating step; calculates a voltage ratio for the required target voltage of the at least one energy storage element of at least one first module relative to the voltage of the at least one electrical energy storage element of at least one second module electrically connected to the at least one first module; determines a temporal proportion of magnetizing inductor path states and demagnetizing inductor path states; and selects corresponding inductor path states for the at least one first and the at least one second module based on the power path states of the at least one first module and the at least one second module with a lookup table.
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