DE102022001302A1 - HD electrical inverter system and associated control method - Google Patents

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DE102022001302A1 DE102022001302.9A DE102022001302A DE102022001302A1 DE 102022001302 A1 DE102022001302 A1 DE 102022001302A1 DE 102022001302 A DE102022001302 A DE 102022001302A DE 102022001302 A1 DE102022001302 A1 DE 102022001302A1
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Zhongxi Li
Stefan Goetz
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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 US 9,502,960 und Patentschrift US 9,496,799 beschreiben modulare leistungselektronische Schaltungen, die ein breites Spektrum von Ausgangssignalen mit hoher Leistung erzeugen können, aber die Qualität des Ausgangs ist niedrig und erfordert eine große Anzahl von Modulen für eine hochwertige Ausgangsspannung, z. B. mit einer Auflösung von > 10 Bit.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], patent specification US 9,502,960 and patent specification US 9,496,799 describe modular power electronic circuits that can produce a wide range of output signals with high power, but the quality of the output is low and requires a large number of modules for high-quality output voltage, e.g. B. with a resolution of > 10 bits.

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 US 5,963,086 beschreibt eine Verstärkerschaltung, die einen breitbandigen Ausgang mit hoher Leistung und Effizienz erzeugen kann, aber die Ausgangsqualität ist so gering, dass ein Filter erforderlich ist, um einen Teil der Verzerrungen zu beseitigen, was auf Kosten der Effizienz geht und die mögliche Bandbreite und Dynamik verringert. Außerdem ist die Bandbreite auf die schnellste Schaltgeschwindigkeit der Transistoren begrenzt. Ein Überschreiten dieser Geschwindigkeit durch Verteilung der Schaltvorgänge auf mehrere Transistoren ist nicht möglich.The patent specification US 5,963,086 describes an amplifier circuit that can produce a wideband output with high power and efficiency, but the output quality is so low that a filter is required to eliminate some of the distortion, which comes at the expense of efficiency and reduces the possible bandwidth and dynamics. In addition, the bandwidth is limited to the fastest switching speed of the transistors. It is not possible to exceed this speed by distributing the switching processes over several transistors.

Die Verstärkerschaltung der Patentschrift US 8,149,061 kann dagegen sehr hohe Frequenzen erreichen, aber die Bandbreite und der Wirkungsgrad sind begrenzt.The amplifier circuit of the patent specification US 8,149,061 On the other hand, it can reach very high frequencies, but the bandwidth and efficiency are limited.

Die Vorrichtung aus Patentschrift US 8,604,883 kann praktisch jede beliebige Leistung mit deutlich höherer Qualität als die oben genannten Lösungen erzeugen, aber der Wirkungsgrad ist sehr niedrig, so dass höhere Leistungen nicht ohne inakzeptablen Leistungsverlust oder Überhitzung des Verstärkers erzeugt werden können.The device from the patent specification US 8,604,883 can produce virtually any power of significantly higher quality than the above solutions, but the efficiency is very low, so higher powers cannot be produced without unacceptable power loss or overheating of the amplifier.

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 ( 2b) realisiert werden, wodurch die Verbindung zwischen mehreren Modulen aus verschiedenen Armen effektiv geteilt wird. Ein alternativer und vorteilhafterer Ansatz besteht darin, die Endmodule der Arme an ihren Gleichstromverbindungen zusammenzuführen und die überflüssigen Transistoren zu entfernen.A series of modules connected together is called an arm. Multiple arms can be connected together to form different macro topologies for different needs. For example, three of these arms can be connected together to form a so-called star configuration for three-phase applications such as motor drives. A connection can be made with electrical connections, such as cables and wires, and inductors for maximum controllability ( 2 B) can be realized, effectively sharing the connection between multiple modules from different arms. An alternative and more advantageous approach is to merge the end modules of the arms at their DC connections and remove the unnecessary transistors.

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.

  • 1 zeigt schematische Darstellungen von drei elektrischen Umrichtersystemen nach dem Stand der Technik
    • 1a ( US 8,441,224 B2 ) zeigt ein häufig verwendetes elektrisches Umrichtersystem für Motorantriebe, bei dem eine fest verdrahtete Batteriebank eine feste Gleichspannung liefert, die einen DC/AC-Wechselrichter speist und schließlich die Last antreibt.
    • 1b ( US 7,279,855 B2 ) zeigt ein elektrisches Umrichtersystem, das der Erfindung in 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 ) zeigen ein elektrisches Umrichtersystem, das hauptsächlich aus elektrischen Modulen besteht. Die Module bilden Strings, die direkt die elektrische Last speisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
Further advantages and further developments of the invention can be found in the description and the figures.
  • 1 shows schematic representations of three electrical converter systems according to the state of the art
    • 1a ( US 8,441,224 B2 ) shows a commonly used motor drive electrical inverter system in which a hard-wired battery bank provides a fixed DC voltage that feeds a DC/AC inverter and ultimately drives the load.
    • 1b ( US 7,279,855 B2 ) shows an electrical converter system according to the invention 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 ) show an electrical inverter system consisting mainly of electrical modules. The modules form strings that directly power the electrical load.
  • 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.
  • 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.
  • 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

2a zeigt eine Ausführungsform des hochauflösenden Konverters (hier als HD-Konverter oder HS-Wandler bezeichnet) 210 für einphasige Anwendungen. Dieser HD-Wandler 210 besteht aus einer Vielzahl topologisch identischer Einheiten 300, die in Reihe geschaltet sind. Jede Einheit 300 besteht aus einem Schaltmodul 310 und einer Zwischenverbindung 400. Die Schaltmodule 310 können so gesteuert werden, dass sie mehrere diskrete Spannungen in den HD-Wandler 210 einspeisen und schließlich Strom für die elektrische Last 211 bereitstellen. Innerhalb der Einheiten 300 ist der Verbindungsteil implementiert, um eine Schnittstelle für eine Vielzahl von Schaltmodulen 310 bereitzustellen. Die Verbindung wird mit mindestens einem Leiter und mindestens einer Spule hergestellt. Während der bzw. die Leiter den Großteil des Laststroms durch den HD-Wandler 210 leitet bzw. leiten, ermöglicht die Spule bzw. die Spulen eine steuerbare Energieübertragung zwischen den Schaltmodulen 310 der angeschlossenen Einheiten 300. Daher kann die Drosselspule der Verbindung 400 genutzt werden, um das Erregungsniveau der elektrischen Module 310 zu regulieren. Wichtig ist, dass die elektrischen Module 310 mit einer Liste verschiedener Spannungswerte erregt werden können, z. B. mit einer exponentiellen Zahlenreihe zur Basis 2 (d. h. 1, 2, 4, ..., 2N), um die Gesamtzahl der ausgegebenen Spannungspegel zu maximieren. Die Wahl der Anzahl der Einheiten 300 hängt in erster Linie von der angestrebten Anzahl der Ausgangsspannungspegel ab (d. h. von der gewünschten Ausgangsqualität des HD-Konverters), während die maximale Ausgangsspannung des HD-Konverters 210 in erster Linie proportional zur größten Einheit 300 ist, die definitionsgemäß das Schaltmodul 310 mit der höchsten Erregerspannung umfasst. Der maximale Strom des HD-Wandlers 210 wird durch den minimalen Nennstrom aller Einheiten 300 definiert, wobei jedoch alle Komponenten, die direkt mit dem Induktor verbunden sind, ausgeschlossen werden, da der Induktor nur an der Erregung der Einheiten 300 beteiligt ist und nicht zur Last 211 beiträgt. 2a shows an embodiment of the high resolution converter (herein referred to as HD converter or HS converter) 210 for single-phase applications. This HD converter 210 consists of a large number of topologically identical units 300 that are connected in series. Each unit 300 consists of a switching module 310 and an interconnect 400. The switching modules 310 can be controlled to feed multiple discrete voltages into the HD converter 210 and ultimately provide power to the electrical load 211. Within the units 300, the connection part is implemented to provide an interface for a variety of switching modules 310. The connection is made with at least one conductor and at least one coil. While the conductor or conductors conduct the majority of the load current through the HD converter 210, the coil or coils enable controllable energy transfer between the switching modules 310 of the connected units 300. Therefore, the choke coil of the connection 400 can be used, to regulate the excitation level of the electrical modules 310. Importantly, the electrical modules 310 can be energized with a list of different voltage values, e.g. B. with a base 2 exponential number series (i.e. 1, 2, 4, ..., 2N ) to maximize the total number of voltage levels output. The choice of the number of units 300 depends primarily on the desired number of output voltage levels (ie, on the desired output quality of the HD converter), while the maximum output voltage of the HD converter 210 is primarily proportional to the largest unit 300, which by definition, the switching module 310 includes the highest excitation voltage. The maximum current of the HD converter 210 is defined by the minimum current rating of all units 300, but excluding any components directly connected to the inductor since the inductor is only involved in energizing the units 300 and not the load 211 contributes.

2b zeigt eine Ausführungsform des HD-Wandlers 220 , der für dreiphasige Anwendungen geeignet ist. Der dreiphasige HD-Konverter 220 kann durch Zusammenfügen von drei einphasigen HD-Konvertern 210 mit entsprechender Einstellung am zentralen Schaltmodul 320 erhalten werden. Ähnlich wie beim einphasigen HD-Wandler 210 werden die Geräte 300 jeweils so betrieben, dass das interne Schaltmodul 310 bei einem bestimmten Spannungsniveau erregt wird. Der Unterschied besteht darin, dass die Zielspannungspegel noch weiter auseinander liegen können, vorzugsweise eine exponentielle Zahlenreihe zur Basis 3 bilden (d. h. 1, 3, 9, ..., 3N), um eine noch größere Anzahl von Ausgangsspannungen aus der gleichen Anzahl von Schaltmodulen 310 pro Phase zu erzielen. 2 B shows an embodiment of the HD converter 220 suitable for three-phase applications. The three-phase HD converter 220 can be obtained by combining three single-phase HD converters 210 with appropriate adjustment on the central switching module 320. Similar to the single-phase HD converter 210, the devices 300 are each operated so that the internal switching module 310 is energized at a certain voltage level. The difference is that the target voltage levels can be even further apart, preferably forming an exponential number series to base 3 (i.e. 1, 3, 9, ..., 3N ) to produce an even larger number of output voltages from the same number of To achieve switching modules 310 per phase.

2c zeigt eine andere Ausführung des HD-Wandlers 230, die für dreiphasige Anwendungen mit höherer Höchstspannung geeignet ist. Der dreiphasige HD-Wandler 230 kann durch Zusammenfügen von sechs HD-Wandlern 210 erhalten werden, die drei Wechselstromklemmen 232 und einen kombinierten Gleichstrombus 234 bilden. Die Energie kann in beide Richtungen zwischen den Wechselstromanschlüssen 232 und dem kombinierten Gleichstrombus 234 fließen. Obwohl er auf ähnliche Anwendungen abzielt, bietet der HD-Wandler 230 eine bessere Steuerungsredundanz als die vorherige Ausführung des dreiphasigen HD-Wandlers 220. 2c shows another version of the HD converter 230, which is suitable for three-phase applications with higher maximum voltage. The three-phase HD converter 230 can be obtained by assembling six HD converters 210, which form three AC terminals 232 and a combined DC bus 234. Power can flow in either direction between the AC ports 232 and the combined DC bus 234. Although aimed at similar applications, the HD Converter 230 provides better control redundancy than the previous three-phase HD Converter 220 design.

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 HD converters 210/220/230 depends crucially on the modules remaining at their intended voltage levels. We refer to this effort to control the module voltage as voltage regulation. At its core, the voltage regulation adds or removes a certain amount of charge from the energy storage 313 - often in the form of capacitors - so that the energy storage remains exactly at the intended voltage level in order to deliver the exact voltage level when activated by the HD converter . Voltage regulation can be achieved through various approaches, the simplest of which is to connect galvanically isolated bi-directional power supplies to the energy storage 313 of each module. Of course, such an approach significantly increases the cost and energy loss of the HD converter system. In this invention, voltage regulation is achieved via the load current itself and the embedded DC interface. At a higher level, the proposed control method activates the switching modules 310 so that the net change in charge of the energy storage 313 of all modules 310 is almost zero, while the embedded DC interface compensates for the remaining energy deficit, if there is one. The specific circuit topologies that enable such operation are presented below, followed by the description of the control method.

3a-c zeigen verschiedene Ausführungsformen des Schaltmoduls 310. Das Schaltmodul 310 enthält eine Vielzahl von Leistungsschaltern 315 und mindestens einen Energiespeicher 313. Jedes Schaltmodul verfügt über mindestens vier Anschlüsse, von denen mindestens zwei zur Leitung des Hauptlaststroms des HD-Wandlers 210/220/230 verwendet werden und die restlichen Anschlüsse mit den Induktivitäten der Verbindungen 400 verbunden sind. Bei der Charakterisierung von Schaltmodulen 310a-c ist es üblich, jeweils zwei Leistungsschalter 315 in Reihe zu schalten und so eine sogenannte Halbbrücke 311 zu bilden (3a). Der obere Anschluss 314a/d und der untere Anschluss 314c/f einer Halbbrücke 311 sind mit dem Energiespeicher 313 verbunden. Der mittlere Anschluss 314b/e liefert den Ausgang der Halbbrücke 311. Die beiden Leistungsschalter 315 der Halbbrücken werden normalerweise komplementär ein- und ausgeschaltet. 3a-c show various embodiments of the switching module 310. The switching module 310 contains a plurality of power switches 315 and at least one energy storage 313. Each switching module has at least four connections, of which at least two are used to conduct the main load current of the HD converter 210/220/230 and the remaining connections are connected to the inductances of the connections 400. When characterizing switching modules 310a-c, it is common practice to connect two power switches 315 in series and thus form a so-called half-bridge 311 ( 3a) . The upper connection 314a/d and the lower connection 314c/f of a half bridge 311 are connected to the energy storage 313. The middle connection 314b/e supplies the output of the half bridge 311. The two power switches 315 of the half bridges are normally switched on and off in a complementary manner.

3a zeigt eine Ausführungsform des Schaltmoduls 310a. Hier verbinden die Kombinationen von EIN- und AUS-Zuständen der Schalter 315 den mindestens einen Energiespeicher 313 effektiv mit den Hauptanschlüssen 314b, 314e in unterschiedlichen Polaritäten. Jede dieser zeitlichen Schaltkombinationen wird als ein Schaltzustand bezeichnet. Die Modulvariante 310a verfügt über vier Leistungsschalter 315 bzw. zwei Halbbrücken 311. Mit Blick auf die beiden Hauptanschlüsse 314b und 314e gibt es vier Schaltzustände: den positiven Zustand 310a1, den negativen Zustand 310a2 und zwei Bypass-Zustände 310a3 und 310a4. Die Benennung der Schaltzustände spiegelt die Polarität wider, mit der der Energiespeicher 313 in den HD-Wandler eingesetzt wird. Die übrigen Hilfsklemmen 314a/c/d/f müssen sich den Laststrom nicht teilen, sondern dienen dazu, eine Gleichspannungswandler-Schnittstelle mit der benachbarten Zusammenschaltung 400 zu bilden. Insbesondere aufgrund der Induktivität der Zusammenschaltung 400, die die Spannungen des Energiespeichers 313 abschirmt, ist es möglich, eine solche Gleichspannungsschnittstelle zu nutzen, um ein gewünschtes Zwischenkreisspannungsverhältnis über die Zusammenschaltung zu erreichen und somit'alle Zwischenkreisspannungen der Schaltmodule 310 auf eine beliebige Anzahl von Reihen zu steuern. Das Schaltmodul 310a ist die einfachste Schaltung, die eine gleichzeitige Steuerung der Ausgangsspannung und der Gleichstromschnittstelle ermöglicht. Die beiden Steuerungsziele sind jedoch nicht vollständig entkoppelt, da sich die Hilfsklemmen 310a/c/d/f mit den Hauptklemmen 310b/e denselben Satz von Halbbrücken 311 teilen. Oft hat die Regelung der Ausgangsspannung Vorrang, wodurch die Regelung der Zwischenkreisspannung beeinträchtigt wird. Als Ergänzung zu dieser Hardwareknappheit kann der Regelalgorithmus alle Einheiten 300 auf der Ebene des HD-Wandlers koordinieren, um zusätzliche Redundanz zu schaffen. Der Regelalgorithmus wird nachfolgend detailliert beschrieben. 3a shows an embodiment of the switching module 310a. Here, the combinations of ON and OFF states of the switches 315 effectively connect the at least one energy storage 313 to the main terminals 314b, 314e in different polarities. Each of these temporal switching combinations is referred to as a switching state. The module variant 310a has four circuit breakers 315 or two half bridges 311. Looking at the two main connections 314b and 314e, there are four switching states: the positive state 310a1, the negative state 310a2 and two bypass states 310a3 and 310a4. The naming of the switching states reflects the polarity with which the energy storage 313 is inserted into the HD converter. The remaining auxiliary terminals 314a/c/d/f do not have to share the load current, but rather serve to form a DC-DC converter interface with the adjacent interconnection 400. In particular, due to the inductance of the interconnection 400, which shields the voltages of the energy storage 313, it is possible to use such a DC voltage interface to achieve a desired intermediate circuit voltage ratio via the interconnection and thus all intermediate circuit voltages of the switching modules 310 to any number of rows steer. The switching module 310a is the simplest circuit that allows simultaneous control of the output voltage and the DC interface. However, the two control targets are not completely decoupled since the auxiliary terminals 310a/c/d/f share the same set of half bridges 311 with the main terminals 310b/e. Often the regulation of the output voltage takes priority, which affects the regulation of the DC link voltage. To complement this hardware shortage, the control algorithm can coordinate all units 300 at the HD converter level to provide additional redundancy. The control algorithm is described in detail below.

3b zeigt eine Abwandlung von 3a, die acht Leistungsschalter 315 oder vier Halbbrücken 311 aufweist. Durch die Hinzufügung von mehr Leistungsschaltern 315 können zwei Halbbrücken 311 über entsprechende Hilfsklemmen 314b2 und 314e2 für die Gleichstromschnittstelle verwendet werden. Auf diese Weise werden die Steuerung der Hauptausgangsspannung und die Gleichstromschnittstelle auf zwei Ebenen entkoppelt: Auf der Steuerungsebene müssen die Schaltzustände auf der Ebene des HD-Wandlers nicht koordiniert werden, um den Konflikt zwischen der Ausgangsqualität und der Regelung der Gleichstromverbindung zu lösen; auf der Schaltungsebene können die Leistungsschalter 315, die für die Gleichstromschnittstelle vorgesehen sind, einen viel geringeren Nennstrom haben als die anderen Leistungsschalter. 3b shows a variation of 3a , which has eight circuit breakers 315 or four half bridges 311. By adding more power switches 315, two half bridges 311 can be used for the DC interface via corresponding auxiliary terminals 314b2 and 314e2. In this way, the control of the main output voltage and the DC interface are decoupled at two levels: at the control level, the switching states at the level of the HD converter do not need to be coordinated to resolve the conflict between the output quality and the regulation of the DC connection; At the circuit level, the power switches 315 intended for the DC interface may have a much lower current rating than the other power switches.

3c zeigt eine Ausführungsform des Schaltmoduls 310d. Bei dieser Ausführungsform wird die Anzahl der Halbbrücken 311 weiter erhöht, um eine bessere Steuerbarkeit der Gleichstromverbindungen zu ermöglichen. Hier wird ein Paar der Hauptklemmen 314b1/e1 zur Leitung des Hauptstroms verwendet, während die übrigen Klemmen 314b2/b3/e2/e3 mit den Induktivitäten 400 der Verbindungen verbunden sind. 3c shows an embodiment of the switching module 310d. In this embodiment, the number of half bridges 311 is further increased to enable better controllability of the DC connections. Here, a pair of main terminals 314b1/e1 are used to conduct the main current, while the remaining terminals 314b2/b3/e2/e3 are connected to the inductances 400 of the connections.

3d zeigt das zentrale Schaltmodul 320 des HD-Konverters 220. Das zentrale Schaltmodul 320 ist der Ort, an dem alle verschiedenen Arme miteinander verbunden sind. Das zentrale Schaltmodul umfasst die Gleichstromquelle 312, den Energiespeicher 313 und eine Vielzahl von Halbbrücken. Die Halbbrücken sind gleichmäßig gruppiert, von denen verschiedene Phasen abgezweigt werden. Das zentrale Schaltmodul 320 ist vorzugsweise als das Modul mit der höchsten Spannung in Bezug auf jede Phase ausgelegt. Auf diese Weise ist der zusätzliche Strom, der für die Spannungsregelung zwischen den verschiedenen Phasen erforderlich ist, minimal. 3d shows the central switching module 320 of the HD converter 220. The central switching module 320 is where all the various arms are connected together. The central switching module includes the direct current source 312, the energy storage 313 and a plurality of half bridges. The half bridges are grouped evenly, from which different phases are branched off. The central switching module 320 is preferably designed as the module with the highest voltage with respect to each phase. In this way, the additional current required for voltage regulation between the different phases is minimal.

4a und 4b zeigen vier Ausführungsformen der Verbindungen 401, 402, 403 und 404. Jede der Verbindungen umfasst mindestens eine Induktivität und einen Leiter, die die oben erwähnte Gleichstrom-Gleichstrom-Schnittstelle zwischen den Schaltmodulen 310a/b/c vervollständigen. 4a and 4b show four embodiments of the connections 401, 402, 403 and 404. Each of the connections includes at least one inductor and one conductor that complete the above-mentioned DC-DC interface between the switching modules 310a/b/c.

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.Connection 401 is suitable for four-quadrant operation, where the arm alone can supply voltage and current in any combination of polarities. The switching module 310a can also be configured into other connections 402 and 403. In this case the connections offset the adjacent switching modules 310a systematically so that the resulting arms can deliver either only non-negative or only non-positive voltages. The reduction in operating range (i.e. two fewer quadrants) comes at the cost of better controllability of the DC interface. These connections 402 and 403, in which the switching module 310a is involved, are particularly suitable for the three-phase HD converter 230.

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 interconnection 404, the more advanced switching module 310b is used instead of the switching module 310a to achieve better controllability of the DC-DC interface without compromising the operating range (i.e., maintaining the four-quadrant operating range). In this case, the four half-bridges 311 of the module 310b are intended for different tasks. The two half bridges 311, which are connected to the normal conductor of connection 404, conduct the full current of the HD converter systems. The half bridges connected to the choke, on the other hand, only conduct the current to complete the voltage regulation. If the HD converters 210/220/230 are controlled appropriately, most of the voltage regulation takes place via the load current, so that only a negligible part of the energy has to be transmitted via the DC voltage interface. Therefore, these half bridges 311, which are connected to the inductors of the interconnection 404, can preferably be designed with smaller rated currents in order to minimize costs.

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 HD converter systems 210/220/230 in order to generate (stage I) the desired arbitrary output voltage form under any load conditions and (stage II) the voltage of the floating capacitors at the intended to maintain voltage series. No floating power supplies or voltage sensors are required.

5a zeigt die grundlegenden Schaltzustände eines generischen Schaltmoduls 310b. Hier genügt es, sich nur auf die Kombination zwischen den Leistungspfad-Schaltzuständen 310b1 und den Induktorpfad-Schaltzuständen 310b2 zu konzentrieren. Während die Leistungspfad-Schaltzustände 310b1 den Ausgangsspannungspegel bestimmen, regelt die hinzugefügte Stromschleife über die Induktorpfad-Schaltzustände 310b2 den Magnetisierungszustand des Induktors an der Verbindungsstelle 400. Durch die abwechselnde (De-)Magnetisierung des Induktors von den linken und rechten Modulen kann die Methode elektrische Energie über die Schaltmodule 310 übertragen. Auf diese Weise lässt sich der Spannungszustand der benachbarten Module effektiv steuern. 5b zeigt alle 16 Kombinationen zwischen den Schaltzuständen des Leistungspfads 310b1 und des Induktorpfads 310b2 für eine Ausführungsform. Diese 16 Schaltkombinationen werden danach kategorisiert, wie sie die Ausgangsspannung des Systems ändern (verwendet von Stufe I), und werden weiter danach unterschieden, wie sie die Induktivität der beiden benachbarten Kondensatoren VL (links) und VR (rechts) magnetisieren (verwendet von Stufe II). 5a shows the basic switching states of a generic switching module 310b. Here it is sufficient to focus only on the combination between the power path switching states 310b1 and the inductor path switching states 310b2. While the power path switching states 310b1 determine the output voltage level, the added current loop via the inductor path switching states 310b2 regulates the magnetization state of the inductor at junction 400. By alternating (de)magnetizing the inductor from the left and right modules, the method can generate electrical energy transmitted via the switching modules 310. In this way, the voltage state of the neighboring modules can be effectively controlled. 5b shows all 16 combinations between the switching states of the power path 310b1 and the inductor path 310b2 for one embodiment. These 16 switching combinations are categorized by how they change the system's output voltage (used by Stage I), and are further differentiated by how they magnetize the inductance of the two adjacent capacitors V L (left) and V R (right) (used by Stage II).

Zu jedem Zeitpunkt zielt die Steuerstufe I darauf ab, eine Spalte von Zuständen in 5b auf der Grundlage der angeforderten Ausgangsspannung auszuwählen, während der spezifische Kandidat innerhalb dieser Spalte von der Stufe II für die Regelung der Kondensatorspannung zu bestimmen ist.At any point in time, control stage I aims to create a column of states in 5b based on the requested output voltage, while the specific candidate within this column is to be determined by stage II for capacitor voltage regulation.

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.

6 zeigt die Gesamtarchitektur der Steuerung. Der Eingangspuffer 701 akkumuliert den Strom von Ziel-Ausgangsspannungspegeln in Abschnitte einer vorbestimmten Länge L. Jeder Abschnitt der Wellenform wird dann durch den Steueralgorithmus der Stufe I (Stufe I) 702 verarbeitet. Die Ausgangsschaltvektoren geben nur die gewünschte Polarität des Leistungspfad-Schaltzustands 310b1 an, die auch einer der Spalten der Schaltzustands-Lookup-Tabelle (LUT) in 5b entspricht. Die spezifische Auswahl innerhalb jeder ausgewählten Spalte wird außerdem durch die Kondensatorspannungskorrekturstufe (Stufe II) 704 bestimmt. 6 shows the overall architecture of the control. The input buffer 701 accumulates the stream of target output voltage levels into sections of a predetermined length L. Each section of the waveform is then processed by the Stage I (Stage I) control algorithm 702. The output switching vectors only indicate the desired polarity of the power path switching state 310b1, which is also one of the columns of the switching state lookup table (LUT) in 5b corresponds. The specific selection within each selected column is also determined by the capacitor voltage correction stage (stage II) 704.

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.

Figure DE102022001302A1_0001
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.
Figure DE102022001302A1_0001

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 input buffer 701 reduces the error density. By design, the maximum transient voltage error is limited by the smallest module. (2) The net input energy per floating module is zero assuming a nearly constant current per buffer length (i.e. in most practical cases). (3) The proposed algorithm achieves the Pareto front of (1) in terms of the trade-off between the buffer length and the output error density while satisfying (2). All of these properties are mathematically proven. Furthermore, (4) the proposed algorithm can be executed on the order of O(LN) iterations with appropriate parallelization of vector arithmetic. The time complexity O(LN) can be amortized as O(N) per time step over the course of the N-step waveform section. Considering that the number of output stages grows exponentially while the computation time increases only linearly, the proposed algorithm is feasible in mainstream FPGAs and has great scalability.

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 5b. Unabhängig von den Schaltzuständen in 5b wird der Verbindungsinduktor zu jedem Zeitpunkt durch L int d i L d t = s L V L + s R V R , ( s L , s R { 1, + 1,0 } )

Figure DE102022001302A1_0002
After an energy deficit of almost 0 per floating module was already achieved in Stage I, it is the task of Stage II to further reduce the remaining net energy. This is done through exploitation tion of redundancy in each column of 5b . Independent of the switching states 5b the connection inductor is activated at any time L int d i L d t = s L v L + s R v R , ( s L , s R { 1, + 1.0 } )
Figure DE102022001302A1_0002

Da sich das System L d i L d t d t = s L ( t ) V L + s R ( t ) V R d t = 0

Figure DE102022001302A1_0003
dem Gleichgewicht nähert, können wir jedes Spannungsverhältnis über V R V L = τ s L τ s R
Figure DE102022001302A1_0004
wobei τ die diskrete Regelkreiszeit ist, wobei VR /VL die Kondensatoren links/rechts von der Verbindungsinduktivität sind. Stufe I kann durch einen billigen Digitalzähler realisiert werden, der die Zählungen von SL und SR innerhalb eines vordefinierten Zeitfensters verfolgt. Es ist mathematisch bewiesen, dass bei Stufe I immer genügend Redundanz innerhalb von 5b vorhanden ist, um beliebige VR /VL zu erreichen. Insbesondere können wir VR /VL = 2: 1 an allen Verbindungsstellen einstellen, um die gewünschte exponentielle Spannungsreihe zu erreichen.Since the system L d i L d t d t = s L ( t ) v L + s R ( t ) v R d t = 0
Figure DE102022001302A1_0003
approaching equilibrium, we can transcend any tension v R v L = τ s L τ s R
Figure DE102022001302A1_0004
where τ is the discrete control loop time, where V R /V L are the capacitors to the left/right of the connection inductance. Stage I can be implemented by a cheap digital counter that tracks the counts of S L and S R within a predefined time window. It is mathematically proven that at level I there is always enough redundancy within 5b is present to achieve any V R /V L. In particular, we can set V R /V L = 2:1 at all junctions to achieve the desired exponential voltage series.

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 corresponding control method for generating at least one powerful, high-quality electrical output voltage by the invention preferably carries out at least the following steps:
  • 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 5a) wird typischerweise durch die Transistoren, die elektrische Verbindung und die mindestens eine Induktivität gebildet, die sich elektrisch zwischen den Energiespeicherelementen von mindestens zwei verbundenen Modulen befinden. Die Kombination aus Leistungspfad-Zustand und Induktorpfadzustand, hier auch Leistungs-Induktor-Pfad-Kombination genannt, bilden zusammen den Gesamtmodulzustand, kurz Modulzustand oder auch Verbindungszustand. Die Magnetisierung der Induktivität wird erhöht, wenn an einem der geladenen Energiespeicherelemente, z. B. Kondensatoren, von mindestens zwei Modulen, die durch die Induktivität verbunden sind, eine Spannung anliegt oder eine Reihenschaltung der geladenen Energiespeicherelemente durch eine geeignete magnetisierende Leistungs-Induktor-Pfad-Kombination wirksam geschaltet ist, so dass die Spannung an der mindestens einen Induktivität in die gleiche Richtung wie der Strom durch die Induktivität geht, so dass sich die Induktivität magnetisch auflädt. Die Magnetisierung des Induktors wird verringert, wenn eine Spannung, die durch eines der geladenen Energiespeicherelemente von mindestens zwei Modulen gebildet wird, die durch den induktor oder eine Reihenschaltung der geladenen Kondensatoren verbunden sind, effektiv durch eine geeignete magnetisierende Leistungs-Induktor-Pfadkombination verbunden ist, so dass die Spannung über den mindestens einen Induktor in die entgegengesetzte Richtung wie der Strom durch den Induktor geht, so dass der Induktor magnetisch aufgeladen wird. Die magnetische' Energie des mindestens einen Induktors wird in die genannten Kondensatoren geladen. Die Magnetisierung wird nicht oder praktisch nicht verändert, d. h. aufrechterhalten, wenn keine oder nur eine vernachlässigbare Spannung an dem mindestens einen Induktor anliegt. Vernachlässigbar kann eine Spannung sein, die den Spannungsabfall des Stroms durch die Spule an den Innenwiderständen der Schalter, wie Transistoren, elektrischen Verbindungen und der Spule, darstellt.Depending on the power path level, the same inductor path condition can have different effects. Whether an inductor path state is magnetizing, that is, charging an inductor that draws energy from the module energy storage elements, or demagnetizing, that is, discharging the inductor and charging the energy into a module energy storage element, depends on the power path state on the same module circuitry. A module connection (shown in 5a) is typically formed by the transistors, the electrical connection and the at least one inductor electrically located between the energy storage elements of at least two connected modules. The combination of power path state and inductor path state, also referred to here as the power inductor path combination, together form the overall module state, or module state for short or connection state. The magnetization of the inductance is increased when one of the charged energy storage elements, e.g. B. capacitors, of at least two modules that are connected by the inductor, a voltage is present or a series connection of the charged energy storage elements is effectively switched by a suitable magnetizing power-inductor path combination, so that the voltage on the at least one inductor in the same direction as the current goes through the inductor, so that the inductor becomes magnetically charged. The magnetization of the inductor is reduced when a voltage formed by one of the charged energy storage elements of at least two modules connected by the inductor or a series connection of the charged capacitors is effectively connected by an appropriate magnetizing power-inductor path combination, so that the voltage across the at least one inductor goes in the opposite direction as the current through the inductor, so that the inductor becomes magnetically charged. The magnetic energy of the at least one inductor is charged into the capacitors mentioned. The magnetization is not changed or practically not changed, ie maintained, when there is no or only a negligible voltage across the at least one inductor. A voltage that represents the voltage drop of the current through the coil across the internal resistances of the switches, such as transistors, electrical connections and the coil, can be neglected.

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.

Zitierte NichtpatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (10)

Elektrische Schaltung, umfassend mindestens drei Module, wobei jedes der Module mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens drei elektrische Schalter umfasst, jedes der Module mit mindestens einem zweiten der Module durch mindestens eine elektrische Intermodulverbindung elektrisch verbunden ist, und die mindestens zwei elektrischen Schalter in jedem Modul konfiguriert sind, um 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 zu ändern und wobei mindestens zwei Module durch mindestens zwei elektrische Verbindungen verbunden sind, von denen mindestens eine Induktivität von mehr als 100 nH aufweist.electrical circuit, comprising at least three modules, each the modules include at least one energy storage element and at least three electrical switches, each of the modules is electrically connected to at least a second of the modules by at least one intermodule electrical connection, and the at least two electrical switches in each module are configured to provide 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 to change and wherein at least two modules are connected by at least two electrical connections, at least one of which has inductance of more than 100 nH. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Alternativen der elektrischen Verschaltung mindestens einen Serien-Zustand ermöglichen, bei dem das mindestens eine Energiespeicherelement eines ersten Moduls mit mindestens einem Energiespeicherelement mindestens eines zweiten Moduls in Reihe geschaltet ist, und die mindestens zwei Alternativen der elektrischen Konnektivität mindestens einen Bypass-Zustand ermöglichen, in dem mindestens ein Energiespeicherelement eines ersten Moduls mit höchstens einem seiner elektrischen Kontakte mit einem zweiten Modul elektrisch verbunden ist.Electrical circuit according to Claim 1 , wherein the at least two alternatives of electrical interconnection enable 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, and the at least two alternatives of electrical connectivity provide at least one bypass Enable state 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. Elektrische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der paarweisen elektrischen Verbindung mindestens eines Moduls jedes Zweiges mit mindestens einem positiven Anschluss der Energiespeicherelemente der mindestens einen Module jedes Zweiges verbunden ist und mindestens ein anderer Teil der paarweisen elektrischen Verbindung mindestens eines Moduls jedes Zweiges mit mindestens einem negativen Anschluss der Energiespeicherelemente der mindestens einen Module jedes Zweiges so verbunden ist, dass die Energiespeicherelemente dauerhaft parallel oder zu einer Einheit verbunden sind.Electrical circuit according to Claim 2 , characterized in that at least a part of the paired electrical connection of at least one module of each branch is connected to at least one positive connection of the energy storage elements of the at least one module of each branch and at least another part of the paired electrical connection of at least one module of each branch is connected to at least one negative Connection of the 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 into a unit. Elektrische Schaltung nach Anspruch 3, wobei 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 können, die durch eine Kombination von mehreren Leistungspfad-Zuständen und mehreren Induktorpfad-Zuständen gebildet werden, und wobei die Verbindungszustände mindestens vier Leistungspfad-Zustände und mindestens vier Induktorpfad-Zustände umfassen, die durch geeignetes Ein- und Ausschalten der mindestens drei elektrischen Schalter kombiniert werden können.Electrical circuit according to Claim 3 , wherein the at least three electrical switches of a first module, together with the at least three electrical switches of a second module that is electrically connected to the first module, can dynamically switch between a plurality of connection states determined by a combination of a plurality of power path states and a plurality of inductor path states. States are formed, and wherein the connection states include at least four power path states and at least four inductor path states, which can be combined by appropriately switching the at least three electrical switches on and off. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei der ein Gleichstromnetzteil mit dem mindestens einen Energiespeicherelement mindestens eines Moduls verbunden ist, so dass das Gleichstromnetzteil elektrisch parallel zum Energiespeicherelement geschaltet ist.Electrical circuit according to Claim 1 , in which a DC power supply is 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. Verfahren zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Ausgangsspannung hoher Leistung und Qualität durch eine elektrische Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte durchführt: einen Ausgangserzeugungsschritt, der die Leistungszustände mehrerer Module so bestimmt, dass die Verbindung der Energiespeicherelemente der entsprechenden Module, die jeweils auf ein individuelles Spannungsniveau aufgeladen sind, entsprechend den ausgewählten Leistungspfad-Zuständen eine Annäherung an die angeforderte Ausgangsspannung mit einem Fehler von höchstens der kleinsten Spannung eines der Energiemodulelemente der Module erzeugt; und einen Kondensatorspannungsladeschritt, der die ausgewählten Leistungspfadzustände der Module empfängt, um einen Induktorpfad-Zustand für jedes von mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Modul auszuwählen, wobei der ausgewählte Induktorpfad-Zustand den mindestens einen Induktor magnetisiert oder den mindestens einen Induktor, der das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Modul verbindet, entmagnetisiert.Method for generating at least one electrical output voltage of high power and quality by an electrical circuit Claim 1 , wherein the method performs at least the following steps: an output generating step that determines the power states of multiple modules such that the connection of the energy storage elements of the corresponding modules, each charged to an individual voltage level, corresponds to the selected power path states an approximation to the requested Output voltage generated with an error of at most the smallest voltage of one of the energy module elements of the modules; and a capacitor voltage charging step that receives the selected power path states of the modules to select an inductor path state for each of at least a first and at least a second module, the selected inductor path state magnetizing the at least one inductor or the at least one inductor that is the at least a first and the at least one second module connects, demagnetized. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Magnetisierung des mindestens einen Induktors durch Kombination mindestens eines Leistungspfadzustands, der aus mindestens Serie+, Serie-, BypassL und BypassH ausgewählt wird, mit mindestens einem Induktorpfad-Zustand, der aus I+, I-, IL, IH ausgewählt wird, erreicht wird und die Magnetisierung des mindestens einen Induktors zumindest vorübergehend aufrechterhält, indem Leistungspfad-Zustände mit Induktorpfad-Zuständen kombiniert werden, die zu einer annähernd konstanten Magnetisierung führen und mindestens eine der folgenden Kombinationen umfassen: die Kombination von Serie+ und I+; die Kombination von Serie- und I-; die Kombination von BypassL und IL; die Kombination von BypassH und IH.Procedure according to Claim 6 , in which the magnetization of the at least one inductor is achieved by combining at least one power path state selected from at least series+, series-, bypassL and bypassH with at least one inductor path state selected from I+, I-, IL, IH is achieved and at least temporarily maintains the magnetization of the at least one inductor by combining power path states with inductor path states that result in approximately constant magnetization and include at least one of the following combinations: the combination of Series+ and I+; the combination of series and I; the combination of BypassL and IL; the combination of BypassH and IH. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren die Magnetisierung des mindestens einen Induktors ändert, indem es beliebige Leistungs-Induktor-Pfadkombinationen auswählt, die eine Spannung an dem mindestens einen Induktor erzeugen, indem es mindestens einen Energiespeicher in einem Stromkreis mit dem mindestens einen Induktor verbindet.Procedure according to Claim 7 , wherein the method changes the magnetization of the at least one inductor by selecting any power-inductor path combinations that produce a voltage across the at least one inductor by connecting at least one energy storage device in a circuit to the at least one inductor. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis der Zeitdauern mindestens eines magnetisierenden Induktorpfad-Zustands und des entmagnetisierenden Induktorpfad-Zustands zwischen mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Modul durch eine affine lineare Beziehung mit dem gewünschten Spannungsverhältnis zwischen den Energiespeicherelementen des mindestens ersten und des mindestens zweiten Moduls gewählt wird.Procedure according to Claim 8 , wherein the ratio of the durations of at least one magnetizing inductor path state and the demagnetizing inductor path state between at least a first and at least a second module is selected by an affine linear relationship with the desired voltage ratio between the energy storage elements of the at least first and at least second modules. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Kondensatorspannungsladeschritt die Induktorpfad-Zustände bestimmt, indem er die Leistungspfadzustände von dem Ausgangserzeugungsschritt empfängt; 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 berechnet, das mit dem mindestens einen ersten Modul elektrisch verbunden ist; einen zeitlichen Anteil von magnetisierenden Induktorpfad-Zuständen und entmagnetisierenden Induktorpfad-Zuständen bestimmt; und entsprechende Induktorpfad-Zustände für das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Modul basierend auf den Leistungspfad-Zuständen des mindestens einen ersten Moduls und des mindestens einen zweiten Moduls mit einer Nachschlagetabelle auswählt.Procedure according to Claim 9 , wherein the capacitor voltage charging step 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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