WO2019161875A1 - Method and circuit for multilevel modulation - Google Patents

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WO2019161875A1
WO2019161875A1 PCT/EP2018/025229 EP2018025229W WO2019161875A1 WO 2019161875 A1 WO2019161875 A1 WO 2019161875A1 EP 2018025229 W EP2018025229 W EP 2018025229W WO 2019161875 A1 WO2019161875 A1 WO 2019161875A1
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Stefan GÖTZ
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Dr. Ing. H.C.F. Porsche Aktiengesellschaft
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    • H03M3/412Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution
    • H03M3/422Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only
    • H03M3/43Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only the quantiser being a single bit one

Definitions

  • the present invention relates to a method and a circuit to a
  • Multilevel modulation in which a modulation of an input signal by splitting into two parts is effected.
  • Switching modulation for example, executed in the most common variant as pulse width modulation with fixed clock, a continuous output voltage and in particular intermediate values between discrete switching stages are generated from a few available discrete switching stages.
  • the output value (voltage or current) corresponds to a specification.
  • DC-DC converters and inverters usually use only a very small number of stages or levels, often only two. Intermediate values between two levels are then approximated by temporal alternation between a respective upper and lower level.
  • Central disadvantage is a generation of
  • modulation The representation of the output voltage by switching modulation with discrete current or voltage values is called a modulation and the associated method as a
  • Modulator designated.
  • Various methods in particular those which form an error signal in the past or the future, for example a sigma-delta modulation, model predictive modulation or PI control method further comprise a quantizer, which decides which of the two levels to set based on an error signal .
  • quantization is easy to implement because, for example, only a tendency or a sign of the error signal must be used in order to reduce the error signal at the next set level.
  • DE 10 2007 020 477 A1 describes a sigma-delta modulator with a control loop in which a multi-level quantizer and a multilevel digital-to-analog converter are arranged.
  • the multilevel digital-to-analog converter is realized with a plurality of unitary electrical elements, wherein dynamic and static deviations between the unitary electrical elements are determined among each other.
  • Modular multilevel converters can be unlike a traditional multilevel converter
  • Multilevel converter in this sense is the modular multilevel converter MMSPC described by S. M. Goetz, A.V. Peterchev and T. Weyh, "Modular Multilevel
  • Multilevel quantizer must be used.
  • the multilevel quantizer unlike the above-mentioned two-level quantizer, involves not only the sign of the error signal or an equivalent signal but also its magnitude. For example, for a five-level inverter (level -2, -1, 0, 1, 2), the level 0 error signal can be reduced only very slightly with a negative sign, +1 faster and +2 fastest. In particular with inductive loads and voltage-controlled inverters, this can be used to control a current gradient, resulting in a open degree of freedom results. However, this open degree of freedom also causes problems.
  • typical multilevel quantizers are tuned to a specific useful frequency range.
  • either the gain of the multilevel quantizer must be continuously adapted or it must be expected that, for example, at low frequencies more output stages will generally be switched at once than comparatively at high frequencies.
  • this problem occurs as soon as the error signal is subjected to a filter. While the error signal may be in the same unit as the quantized output stage (e.g., in volts) and correspondingly easy to derive generally valid quantization levels (eg the maximum output voltage swing divided by the number of levels), this is very difficult for the filtered signal possible.
  • the filtered signal represents a combination of the absolute signal, its derivative and its integral, and a determination of quantization levels can only be achieved with information from a derivative, a frequency or an integral of the signal. If necessary, a natural quantization can not be derived at all. This situation is particularly disadvantageous in sigma-delta modulators.
  • a conventional sigma-delta modulator typically forms the error signal as
  • This error signal is formed in a continued embodiment and guided into a filter, which is realized, for example, in the simplest case by an integrator.
  • the output of the filter is passed to the quantizer, which
  • Digital signal is sent to the power electronics and causes the opening / closing of the respective switch in this.
  • the sigma-delta loop may be continuous or timed so that a new value is formed for each clock.
  • This loop can act like a PID controller (from Expert abbreviated to proportional-integral-derivative-controller) are considered to a quantizer:
  • the PID controller minimizes the control error of the quantizer.
  • the quantized output signal or even a physical measurement value for example, the output voltage or the
  • the quantizer would have to, as above
  • Multilevel modulation proposed in which a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is driven by an output signal of an electronic circuit, wherein a signal applied to an input of the electronic circuit reference signal is split into a Multilevelsockelsignal and a residual value is in the electronic circuit, the reference signal is output from a signal generator as Multilevelsockelsignal on predetermined Quantmaschinesleveln, this Multilevelsockelssignal is subtracted from the reference signal by a subtractor and thus the residual value is formed, the residual value by a
  • Multilevelsockelsignal is merged, whereby the output signal of the electronic circuit is formed.
  • the solution splits the signal into a multilevel socket signal and a residual value, where the multilevel socket signal is used unfiltered, such that natural
  • Quantization level can be specified while the residual value a
  • the predetermined quantization levels result from a number of levels in a multilevel converter, which is used by a system implementing the method according to the invention.
  • a system implementing the method according to the invention uses a multilevel converter to convert quantization levels into a multilevel modulator.
  • either a voltage or a current is selected for the output signal, reference signal and multilevel base signal.
  • the inventive method can be depending on the design of a
  • Control for example, an electric drive machine for voltages or currents alike perform.
  • that quantization level is selected which represents a nearest neighbor to the reference signal.
  • the nearest neighbor is rounded off or rounding or rounding to zero or rounding to plus or minus infinity, or a commercial rounding of a difference between the quantization level associated with that
  • Reference signal represents a smallest difference, and formed the reference signal.
  • next neighbor education for example, from temporal integration, are conceivable.
  • a power semiconductor switch is selected as the respective controllable switch. These are used in particular in the multilevel power electronics.
  • a filtered error signal is generated at an output of the two-level modulator, which is fed back with an input signal of the two-level modulator.
  • the method according to the invention may advantageously be implemented with a large number of modulators which generate a filtered error signal and form its output on the basis of this.
  • a sigma-delta modulator can be selected as a two-level modulator.
  • a circuit for a multilevel modulation having an input and an output which comprises a signal generator, a two-level modulator, a subtractor and an adder, wherein the signal generator is adapted to output a voltage applied to the input of the circuit reference signal as Multilevelsockelsignal on predetermined quantization levels in that the subtractor is adapted to subtract that multilevel pedestal signal from the reference signal and thereby form a residual value, the bi-level modulator is adapted to digitize this residual value, and the adder is adapted to do so with the multilevel pedestal signal an output signal at the output of the circuit merge, whereby a present at the input of the circuit reference signal is split into a present at the output of the circuit Multilevelsockelsignal and the residual value.
  • the signal generator is adapted to output a voltage applied to the input of the circuit reference signal as Multilevelsockelsignal on predetermined quantization levels
  • the subtractor is adapted to subtract that multilevel pedestal signal from the reference signal and thereby form a residual value
  • the two-level modulator is a sigma-delta modulator.
  • the circuit according to the invention can generally use, as a two-level modulator, modulators which generate a filtered error signal and form its output on the basis of this.
  • a system for a multilevel modulation is claimed, which includes a circuit according to the invention, a multilevel converter, at least one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a splitting of a reference signal into a multilevel base signal and a residual value by execution of an embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of a circuit according to the invention, with the execution of an embodiment of the method according to the invention, a splitting of a reference signal into a
  • Multilevelsockelsignal and a residual value is effected.
  • Figure 3 shows a schematic representation of an embodiment of a
  • circuit according to the invention which is equipped with a sigma-delta modulator.
  • Figure 1 is a schematic representation of a 100 by execution of a
  • the sinusoidal reference signal 112 is shown in graph 110, with a time axis 102, here by way of example with the unit millisecond, and an amplitude axis 104 with the unit volt.
  • the multilevel socket signal 122 is in graph 120 with the same
  • Receive quantization level which represents a nearest neighbor to the reference signal 112. As long as the multilevel base signal 122 dwells at the respective quantization level, this does not result in a change of a power semiconductor switch position in a corresponding multilevel converter. The from the reference signal 112 through
  • Circuit 200 by means of which one embodiment of the method according to the invention splits a reference signal applied to input 202 shown in graph 110 into a multilevel base signal 206 shown in graph 120 and a residual value shown in graph 130 ,
  • a signal generator 210 outputs the reference signal applied to the input 202 as Multilevelsockelsignal 206 on predetermined quantization levels. This is subtracted in a subtractor indicated by the symbols "+" and from the reference signal applied to the input 202.
  • the residual value thus formed, represented in graph 130 is then supplied to a two-level modulator 212
  • Two-level modulator 212 digitized residual value is combined in the designated by the symbols "+" and "+” adder with the multi-level base signal 206 to an output 204.
  • a multilevel converter or the power semiconductor switch encompassed by the latter is triggered by the output signal 204.
  • Figure 3 is a schematic representation of an embodiment 300 of
  • inventive circuit shown in Figure 2 which is equipped with a sigma-delta modulator.
  • the multilevel base signal formed by signal generator 310 is applied to a first subtractor labeled "+” and in which it is subtracted from the reference signal applied to input 202, and as residual value 308, subtracted by "+” and "2" designated subtractors, a filter 312 and a binary quantizer 314 formed sigma-delta modulator, the
  • Zweilevelmodulator 212 of Figure 2 represents supplied.
  • the signal output by the sigma-delta modulator is on the one hand via the second subtractor with the

Abstract

Method for multilevel modulation, in which method a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is actuated by an output signal (204) of an electronic circuit (200), wherein a reference signal which is applied to an input (202) of the electronic circuit (200) is split into a multilevel base signal and a residual value by way of the reference signal being output from a signal former (210), as a multilevel base signal (206), to prespecified quantization levels in the electronic circuit (200), said multilevel base signal (206) being subtracted from the reference signal by a subtractor and therefore the residual value being formed, the residual value being digitized by a two-level modulator (212) and being combined with the multilevel base signal (206) by an adder, as a result of which the output signal (204) of the electronic circuit (200) is formed.

Description

Verfahren und Schaltung zur Multilevelmodulation  Method and circuit for multilevel modulation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zu einer The present invention relates to a method and a circuit to a
Multilevelmodulation, bei dem eine Modulation eines Eingangssignals durch Aufspaltung in zwei Anteile bewirkt wird. Multilevel modulation, in which a modulation of an input signal by splitting into two parts is effected.
Leistungselektronische Schaltungen verwenden Halbleiter nahezu ausschließlich als Schalter und vermeiden einen verlustbehafteten resistiven Betrieb. Mittels einer Power electronic circuits use semiconductors almost exclusively as switches and avoid lossy resistive operation. By means of a
Schaltmodulation, bspw. in der am weitest verbreiteten Variante als Pulsweitenmodulation mit festem Takt ausgeführt, werden aus wenigen zu Verfügung stehenden diskreten Schaltstufen eine kontinuierliche Ausgangsspannung und insbesondere Zwischenwerte zwischen diskreten Schaltstufen erzeugt. Im zeitlichen Mittel entspricht der ausgegebene Wert (Spannung oder Strom) dabei einer Vorgabe. Konventionelle Switching modulation, for example, executed in the most common variant as pulse width modulation with fixed clock, a continuous output voltage and in particular intermediate values between discrete switching stages are generated from a few available discrete switching stages. In terms of time, the output value (voltage or current) corresponds to a specification. conventional
Gleichspannungswandler und Inverter verwenden dabei in der Regel nur eine sehr geringe Zahl von Stufen bzw. Leveln, oft sogar nur zwei. Zwischenwerte zwischen zwei Leveln werden dann meist durch zeitlichen Wechsel zwischen einem jeweiligen oberen und unteren Level angenähert. Zentraler Nachteil ist dabei eine Erzeugung von DC-DC converters and inverters usually use only a very small number of stages or levels, often only two. Intermediate values between two levels are then approximated by temporal alternation between a respective upper and lower level. Central disadvantage is a generation of
Schaltharmonischen im elektromagnetischen Spektrum. Die Darstellung der Ausgangsspannung durch Schaltmodulation mit diskreten Strom oder Spannungswerten wird als Modulation und das zugehörige Verfahren als ein Switching harmonics in the electromagnetic spectrum. The representation of the output voltage by switching modulation with discrete current or voltage values is called a modulation and the associated method as a
Modulator bezeichnet. Diverse Verfahren, insbesondere solche, die ein Fehlersignal in der Vergangenheit oder der Zukunft bilden, beispielsweise eine Sigma-Delta-Modulation, modellprädiktive Modulation oder Pl-Regelverfahren umfassen ferner einen Quantisierer, der auf Basis eines Fehlersignals entscheidet, welches der zwei Level gesetzt werden soll. Für ein Zweilevelsystem ist eine Quantisierung leicht umsetzbar, weil beispielsweise lediglich eine Tendenz oder eine Vorzeichenangabe des Fehlersignals verwendet werden muss, um mit dem nächsten gesetzten Level das Fehlersignal zu verkleinern. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2007 020 477 Al einen Sigma-Delta- Modulator mit einer Regelschleife, in der ein Multi-Level-Quantisierer und ein Multilevel- Digital-Analog-Umsetzer angeordnet sind. Der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer wird mit einer Mehrzahl von elektrischen Einheitselementen realisiert, wobei dynamische und statische Abweichungen zwischen den elektrischen Einheitselementen untereinander ermittelt werden. Modulator designated. Various methods, in particular those which form an error signal in the past or the future, for example a sigma-delta modulation, model predictive modulation or PI control method further comprise a quantizer, which decides which of the two levels to set based on an error signal , For a two-level system, quantization is easy to implement because, for example, only a tendency or a sign of the error signal must be used in order to reduce the error signal at the next set level. For example, DE 10 2007 020 477 A1 describes a sigma-delta modulator with a control loop in which a multi-level quantizer and a multilevel digital-to-analog converter are arranged. The multilevel digital-to-analog converter is realized with a plurality of unitary electrical elements, wherein dynamic and static deviations between the unitary electrical elements are determined among each other.
Modulare Multilevelkonverter können im Gegensatz zu einer traditionellen Modular multilevel converters can be unlike a traditional multilevel converter
Leistungselektronik, die mit wenigen Leistungshalbleiterschaltern Ein- und/oder Power electronics, with a few power semiconductor switches on and / or
Ausgangsspannungen zwischen wenigen Niveaus umschalten, um im Mittel eine gewünschte Spannung zu bewirken, eine Spannung durch eine dynamisch wechselbare elektrische Konfiguration von in Modulen angeordneten Energiespeichern, bspw. Switching output voltages between a few levels in order to effect a desired voltage on average, a voltage through a dynamically changeable electrical configuration of energy stores arranged in modules, eg.
Kondensatoren oder Batterien, in sehr feinen Stufen bereitstellen. Ein zentraler Provide capacitors or batteries in very fine steps. A central
Multilevelkonverter in diesem Sinn ist der modulare Multilevelkonverter MMSPC, beschrieben durch S. M. Goetz, A. V. Peterchev and T. Weyh, "Modular Multilevel Multilevel converter in this sense is the modular multilevel converter MMSPC described by S. M. Goetz, A.V. Peterchev and T. Weyh, "Modular Multilevel
Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1 , pp. 203-215, Jan. 2015. Weitere bekannte Multileveltopologien werden u. a. durch einen Neutral-Point-Clamped-Inverter oder einen Flying-Capacitor-Inverter realisiert. Converter With Series and Parallel Modules Connectivity: Topology and Control, "in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215, Jan. 2015. Other well-known multilevel topologies include a neutral point clamp Inverter or a flying capacitor inverter realized.
Werden insbesondere Modulatoren, die Quantisierer einsetzen, auf ein Multilevelsystem übertragen, besteht das Problem, dass nach dem Stand der Technik ein In particular, when modulators using quantizers are transferred to a multi-level system, there is a problem that in the prior art
Multilevelquantisierer eingesetzt werden muss. Der Multilevelquantisierer bezieht im Gegensatz zu oben genanntem Zweilevelquantisierer nicht nur das Vorzeichen des Fehlersignals oder eines äquivalenten Signals, sondern auch dessen Größe mit ein. Bspw. kann für einen Fünflevelinverter (Level -2, -1 , 0, 1 , 2) das Fehlersignal mit dem Level 0 bei einem negativen Vorzeichen nur sehr geringfügig verringert werden, mit +1 schneller und mit +2 am schnellsten. Insbesondere bei induktiven Lasten und spannungsgesteuerten Invertern kann dies genutzt werden, um eine Stromsteilheit zu steuern, wodurch sich ein offener Freiheitsgrad ergibt. Allerdings verursacht dieser offene Freiheitsgrad auch Probleme. Multilevel quantizer must be used. The multilevel quantizer, unlike the above-mentioned two-level quantizer, involves not only the sign of the error signal or an equivalent signal but also its magnitude. For example. For example, for a five-level inverter (level -2, -1, 0, 1, 2), the level 0 error signal can be reduced only very slightly with a negative sign, +1 faster and +2 fastest. In particular with inductive loads and voltage-controlled inverters, this can be used to control a current gradient, resulting in a open degree of freedom results. However, this open degree of freedom also causes problems.
So sind typische Multilevelquantisierer auf einen bestimmten Nutzfrequenzbereich abgestimmt. Bei hoher Bandbreite von Nutzsignalen, beispielsweise in Antrieben, muss entweder die Verstärkung des Multilevelquantisierers laufend angepasst werden oder es muss damit gerechnet werden, dass bspw. bei niedrigen Frequenzen in der Regel mehr Ausgangsstufen auf einmal geschaltet werden als vergleichsweise bei hohen Frequenzen. Dieses Problem tritt insbesondere auf, sobald das Fehlersignal einem Filter unterzogen wird. Während das Fehlersignal in derselben Einheit wie die quantisierte Ausgangsstufe vorliegt (bspw. in Volt) und entsprechend einfach allgemein gültige Quantisierungsstufen abgeleitet werden könnten (bspw. der maximale Ausgangsspannungshub geteilt durch die Zahl der Level), ist dies für das gefilterte Signal nur noch sehr schwer möglich. Das gefilterte Signal stellt eine Kombination aus dem absoluten Signal, dessen Ableitung und dessen Integral dar, und eine Festlegung von Quantisierungsstufen ist höchstens noch mit Informationen aus einer Ableitung, einer Frequenz oder einem Integral des Signals erreichbar. Gegebenenfalls kann eine natürliche Quantisierung auch gar nicht abgeleitet werden. Dieser Sachverhalt ist insbesondere bei Sigma-Delta-Modulatoren nachteilig. Ein konventioneller Sigma-Delta-Modulator bildet in der Regel das Fehlersignal als Thus, typical multilevel quantizers are tuned to a specific useful frequency range. In the case of a high bandwidth of useful signals, for example in drives, either the gain of the multilevel quantizer must be continuously adapted or it must be expected that, for example, at low frequencies more output stages will generally be switched at once than comparatively at high frequencies. In particular, this problem occurs as soon as the error signal is subjected to a filter. While the error signal may be in the same unit as the quantized output stage (e.g., in volts) and correspondingly easy to derive generally valid quantization levels (eg the maximum output voltage swing divided by the number of levels), this is very difficult for the filtered signal possible. The filtered signal represents a combination of the absolute signal, its derivative and its integral, and a determination of quantization levels can only be achieved with information from a derivative, a frequency or an integral of the signal. If necessary, a natural quantization can not be derived at all. This situation is particularly disadvantageous in sigma-delta modulators. A conventional sigma-delta modulator typically forms the error signal as
Differenz zwischen dem kontinuierlichen Sollsignal und dem quantisierten Ausgangsignal (hier zwei Level, d. h. +1 oder -1). Dieses Fehlersignal wird in fortgeführter Ausführung gebildet und in ein Filter geführt, der bspw. im einfachsten Fall durch einen Integrator realisiert ist. Der Ausgang des Filters wird dem Quantisierer übergeben, der Difference between the continuous target signal and the quantized output signal (here two levels, i.e. +1 or -1). This error signal is formed in a continued embodiment and guided into a filter, which is realized, for example, in the simplest case by an integrator. The output of the filter is passed to the quantizer, which
entsprechend als quantisiertes Ausgangssignal eine— 1/+ 1-Folge bildet, die als correspondingly forms a 1 / + 1 sequence as a quantized output signal, which as
Digitalsignal an die Leistungselektronik geschickt wird und in dieser das Öffnen/Schließen der jeweiligen Schalter bewirkt.  Digital signal is sent to the power electronics and causes the opening / closing of the respective switch in this.
Die Sigma-Delta-Schleife kann kontinuierlich ablaufen oder zeitlich getaktet sein, so dass zu jedem Takt ein neuer Wert gebildet wird. Diese Schleife kann wie ein PID-Regler (vom Fachmann abgekürzt für Proportional-Integral-Differential-Regler) auf einen Quantisierer betrachtet werden: Der PID-Regler minimiert den Regelfehler des Quantisierers. Als rückgekoppelter Ausgang kann das quantisierte Ausgangssignal oder auch ein physikalischer Messwert, beispielsweise die Ausgangsspannung oder der The sigma-delta loop may be continuous or timed so that a new value is formed for each clock. This loop can act like a PID controller (from Expert abbreviated to proportional-integral-derivative-controller) are considered to a quantizer: The PID controller minimizes the control error of the quantizer. As a feedback output, the quantized output signal or even a physical measurement value, for example, the output voltage or the
Ausgangsstrom, verwendet werden. Output current to be used.
In einem Multilevelsystem müsste der Quantisierer, wie bereits voranstehend In a multilevel system, the quantizer would have to, as above
beschrieben, mehrere Level diskriminieren können und damit entscheiden, ab welcher Fehlergröße er welchen Wert am Ausgang einstellt. Hierzu ist eine Sensitivitätseinstellung nötig. Diese Sensitivitätseinstellung sollte aber in einem Sigma-Delta-Modulator vom Filter abhängen und den spektralen Anteil des Signales berücksichtigen. Wenn das Signal mehr als eine Frequenz enthält, ist die Sensitivitätseinstellung jedoch nicht mehr einfach möglich. In der Druckschrift DE 10 2011 082 946 B4 wird nun die Zerlegung eines mehrstufigen quantisierten Referenzsignals in Teilsignale offenbart. Die jeweiligen Teilsignale werden dann mittels verschiedener Energiezellen bereitgestellt, so dass die durchschnittliche Belastung der jeweiligen Energiezellen gleich ist. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Problem der Multilevelquantisierung mit bereits vorhandenen und einfach bereitzustellenden elektronischen Bauteilen und Baugruppen löst. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen. described, can discriminate several levels and thus decide from which error size he sets what value at the output. This requires a sensitivity adjustment. However, this sensitivity setting should depend on the filter in a sigma-delta modulator and take into account the spectral component of the signal. However, if the signal contains more than one frequency, the sensitivity setting is no longer easily possible. The publication DE 10 2011 082 946 B4 now discloses the decomposition of a multi-level quantized reference signal into partial signals. The respective sub-signals are then provided by means of different energy cells, so that the average load of the respective energy cells is the same. Against this background, it is an object of the present invention to provide a method which solves the problem of multilevel quantization with already existing and easily provided electronic components and assemblies. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a corresponding system for carrying out such a method.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer To solve the above object, a method becomes a
Multilevelmodulation vorgeschlagen, bei dem ein Multilevelkonverter, welcher eine Mehrzahl steuerbarer Schalter umfasst, durch ein Ausgangssignal einer elektronischen Schaltung angesteuert wird, wobei ein an einem Eingang der elektronischen Schaltung anliegendes Referenzsignal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert aufgespaltet wird, indem in der elektronischen Schaltung das Referenzsignal von einem Signalbildner als Multilevelsockelsignal auf vorgegebenen Quantisierungsleveln ausgegeben wird, dieses Multilevelsockelsignal von dem Referenzsignal durch einen Subtrahierer subtrahiert wird und damit der Restwert gebildet wird, der Restwert durch einen Multilevel modulation proposed in which a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is driven by an output signal of an electronic circuit, wherein a signal applied to an input of the electronic circuit reference signal is split into a Multilevelsockelsignal and a residual value is in the electronic circuit, the reference signal is output from a signal generator as Multilevelsockelsignal on predetermined Quantisierungsleveln, this Multilevelsockelssignal is subtracted from the reference signal by a subtractor and thus the residual value is formed, the residual value by a
Zweilevelmodulator digitalisiert wird und durch einen Addierer mit dem Zweilevelmodulator is digitized and by an adder with the
Multilevelsockelsignal zusammengeführt wird, wodurch das Ausgangssignal der elektronischen Schaltung gebildet wird. Multilevelsockelsignal is merged, whereby the output signal of the electronic circuit is formed.
Die Lösung spaltet das Signal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert auf, wobei das Multilevelsockelsignal ungefiltert verwendet wird, so dass natürliche The solution splits the signal into a multilevel socket signal and a residual value, where the multilevel socket signal is used unfiltered, such that natural
Quantisierungslevel vorgegeben werden können, während der Restwert einem Quantization level can be specified while the residual value a
gewöhnlichen Zweilevelmodulator übergeben wird. ordinary two-level modulator is passed.
Die vorgegebenen Quantisierungslevel ergeben sich dabei aus einer Anzahl von Leveln in einem Multilevelkonverter, welcher von einem das erfindungsgemäße Verfahren realisierenden System verwendet wird. Durch die Lösung kann nahezu jeder bisher bekannte Zweilevelmodulator in einen Multilevelmodulator umgewandelt werden.  The predetermined quantization levels result from a number of levels in a multilevel converter, which is used by a system implementing the method according to the invention. Through the solution, almost every previously known two-level modulator can be converted into a multilevel modulator.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für Ausgangssignal, Referenzsignal und Multilevelsockelsignal entweder eine Spannung oder ein Strom gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich je nach Auslegung einer In one embodiment of the method according to the invention, either a voltage or a current is selected for the output signal, reference signal and multilevel base signal. The inventive method can be depending on the design of a
Ansteuerung bspw. einer elektrischen Antriebsmaschine für Spannungen oder Ströme gleichermaßen ausführen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Signalbildner von den vorgegebenen Quantisierungsleveln dasjenige Quantisierungslevel ausgewählt, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal darstellt. Dadurch wird berücksichtigt, dass es bspw. in einer Leistungselektronik, und insbesondere bei einer einen Multilevelkonverter umfassenden Multilevelleistungselektronik, vorteilhaft ist, wenn von einem Schaltzustand zum nächsten nur eine minimale Anzahl von Halbleiterschaltern ihren Zustand wechselt. Auf diese Weise werden Schaltverluste minimiert, die in der Regel mit der Zahl der zu schaltenden Leistungshalbleiter steigen. Control, for example, an electric drive machine for voltages or currents alike perform. In a further embodiment of the method according to the invention, in the signal generator of the predetermined quantization levels that quantization level is selected which represents a nearest neighbor to the reference signal. This takes into account that it is advantageous, for example, in a power electronics, and in particular in a multi-level power electronics comprising a multilevel converter, when only a minimum number of Semiconductor switches their state changes. In this way, switching losses are minimized, which usually increase with the number of power semiconductors to be switched.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der nächste Nachbar durch eine Aufrundung oder eine Abrundung oder eine Rundung gegen Null oder eine Rundung gegen plus bzw. minus unendlich oder eine kaufmännische Rundung einer Differenz zwischen dem Quantisierungslevel, welches zu dem In a further further embodiment of the method according to the invention, the nearest neighbor is rounded off or rounding or rounding to zero or rounding to plus or minus infinity, or a commercial rounding of a difference between the quantization level associated with that
Referenzsignal eine geringste Differenz darstellt, und dem Referenzsignal gebildet. Reference signal represents a smallest difference, and formed the reference signal.
Weitere Formen der nächsten Nachbarbildung, bspw. aus zeitlicher Integration, sind denkbar. Other forms of the next neighbor education, for example, from temporal integration, are conceivable.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger steuerbarer Schalter ein Leistungshalbleiterschalter gewählt. Diese kommen insbesondere in der Multilevelleistungselektronik zum Einsatz. In a still further embodiment of the method according to the invention, a power semiconductor switch is selected as the respective controllable switch. These are used in particular in the multilevel power electronics.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einem Ausgang des Zweilevelmodulators ein gefiltertes Fehlersignal erzeugt, welches mit einem Eingangssignal des Zweilevelmodulators rückgekoppelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer Vielzahl von Modulatoren, welche ein gefiltertes Fehlersignal erzeugen und ihren Ausgang auf Basis dessen bilden, ausgeführt werden. Insbesondere kann als Zweilevelmodulator ein Sigma-Delta-Modulator gewählt werden. In a further embodiment of the method according to the invention, a filtered error signal is generated at an output of the two-level modulator, which is fed back with an input signal of the two-level modulator. The method according to the invention may advantageously be implemented with a large number of modulators which generate a filtered error signal and form its output on the basis of this. In particular, a sigma-delta modulator can be selected as a two-level modulator.
Ferner wird eine Schaltung für eine Multilevelmodulation mit einem Eingang und einem Ausgang beansprucht, welche einen Signalbildner, einen Zweilevelmodulator, einen Subtrahierer und einen Addierer umfasst, wobei der Signalbildner dazu ausgelegt ist, ein an dem Eingang der Schaltung anliegendes Referenzsignal als Multilevelsockelsignal auf vorgegebenen Quantisierungsleveln auszugeben, der Subtrahierer dazu ausgelegt ist, dieses Multilevelsockelsignal von dem Referenzsignal zu subtrahieren und dadurch einen Restwert zu bilden, der Zweilevelmodulator dazu ausgelegt ist, diesen Restwert zu digitalisieren und der Addierer dazu ausgelegt ist, dies mit dem Multilevelsockelsignal zu einem Ausgangssignal am Ausgang der Schaltung zusammenzuführen, wodurch ein am Eingang der Schaltung anliegendes Referenzsignal in ein am Ausgang der Schaltung vorliegendes Multilevelsockelsignal und dem Restwert aufgespaltet wird. In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Zweilevelmodulator ein Sigma- Delta-Modulator. Die erfindungsgemäße Schaltung kann als Zweilevelmodulator generell Modulatoren, welche ein gefiltertes Fehlersignal erzeugen und ihren Ausgang auf Basis dessen bilden, verwenden. Schließlich wird ein System zu einer Multilevelmodulation beansprucht, welches eine erfindungsgemäße Schaltung, einen Multilevelkonverter, mindestens eine Furthermore, a circuit for a multilevel modulation having an input and an output is claimed, which comprises a signal generator, a two-level modulator, a subtractor and an adder, wherein the signal generator is adapted to output a voltage applied to the input of the circuit reference signal as Multilevelsockelsignal on predetermined quantization levels in that the subtractor is adapted to subtract that multilevel pedestal signal from the reference signal and thereby form a residual value, the bi-level modulator is adapted to digitize this residual value, and the adder is adapted to do so with the multilevel pedestal signal an output signal at the output of the circuit merge, whereby a present at the input of the circuit reference signal is split into a present at the output of the circuit Multilevelsockelsignal and the residual value. In an embodiment of the circuit according to the invention, the two-level modulator is a sigma-delta modulator. The circuit according to the invention can generally use, as a two-level modulator, modulators which generate a filtered error signal and form its output on the basis of this. Finally, a system for a multilevel modulation is claimed, which includes a circuit according to the invention, a multilevel converter, at least one
Energiespeichereinheit, einen Referenzsignalbildner, und eine Strom- oder Energy storage unit, a reference signal generator, and a power or
Spannungsquelle, welche den Referenzsignalbildner speist, aufweist und das dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Voltage source which feeds the Referenzsignalbildner, and which is adapted to carry out the inventive method.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen The figures are described coherently and comprehensively
Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet. Components are assigned the same reference numerals.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Aufspaltung eines Referenzsignals in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert. Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, mit der durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Aufspaltung eines Referenzsignals in ein FIG. 1 shows a schematic representation of a splitting of a reference signal into a multilevel base signal and a residual value by execution of an embodiment of the method according to the invention. Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of a circuit according to the invention, with the execution of an embodiment of the method according to the invention, a splitting of a reference signal into a
Multilevelsockelsignal und einen Restwert bewirkt wird. Multilevelsockelsignal and a residual value is effected.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Figure 3 shows a schematic representation of an embodiment of a
erfindungsgemäßen Schaltung, welche mit einen Sigma-Delta-Modulator ausgestattet ist. circuit according to the invention, which is equipped with a sigma-delta modulator.
In Figur 1 wird in schematischer Darstellung 100 eine durch Ausführung einer In Figure 1 is a schematic representation of a 100 by execution of a
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Aufspaltung eines Embodiment of the inventive method caused splitting of a
Referenzsignals 112 in ein Multilevelsockelsignal 122 und einen Restwert 132 gezeigt. Das sinusförmige Referenzsignal 112 ist in Graph 110 dargestellt, mit einer Zeitachse 102, hier beispielhaft mit der Einheit Millisekunde, und einer Amplitudenachse 104 mit der Einheit Volt. Das Multilevelsockelsignal 122 ist in Graph 120 mit denselben Reference signal 112 shown in a multi-level base signal 122 and a residual value 132. The sinusoidal reference signal 112 is shown in graph 110, with a time axis 102, here by way of example with the unit millisecond, and an amplitude axis 104 with the unit volt. The multilevel socket signal 122 is in graph 120 with the same
Achseneinheiten dargestellt. Es wird zu einem jeweiligen Zeitpunkt auf einem Axis units shown. It will be at one time at a time
Quantisierungslevel erhalten, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal 112 darstellt. Solange das Multilevelsockelsignal 122 auf dem jeweiligen Quantisierungslevel verweilt, bedingt sich dadurch kein Wechsel einer Leistungshalbleiterschalterstellung in einem entsprechenden Multilevelkonverter. Der vom Referenzsignal 112 durch  Receive quantization level, which represents a nearest neighbor to the reference signal 112. As long as the multilevel base signal 122 dwells at the respective quantization level, this does not result in a change of a power semiconductor switch position in a corresponding multilevel converter. The from the reference signal 112 through
Subtraktion des Multilevelsockelsignals 122 entstehende Restwert 132 ist in Graph 130 dargestellt. Wiederum sind die physikalischen Einheiten der Achsen 102 und 134 gleich zu den Graphen 110 und 120, jedoch ist bei der Amplitudenachse 134 die Skala vergrößert. In Figur 2 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der Subtraction of the multilevel base signal 122 resulting residual value 132 is shown in graph 130. Again, the physical units of the axes 102 and 134 are equal to the graphs 110 and 120, however, with the amplitude axis 134, the scale is increased. In Figure 2 is a schematic representation of an embodiment of the
erfindungsgemäßen Schaltung 200, mit der durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Aufspaltung eines am Eingang 202 anliegenden Referenzsignals, dargestellt in Graph 110, in ein Multilevelsockelsignal 206, dargestellt in Graph 120, und einen Restwert, dargestellt in Graph 130, bewirkt wird, gezeigt. Ein Signalbildner 210 gibt das am Eingang 202 anliegende Referenzsignal als Multilevelsockelsignal 206 auf vorgegebenen Quantisierungsleveln aus. Dieses wird in einem durch die Symbole„+" und bezeichneten Subtrahierer vom am Eingang 202 anliegenden Referenzsignal subtrahiert. Der dadurch gebildete Restwert, dargestellt in Graph 130, wird dann einem Zweilevelmodulator 212 zugeführt. Der vom Circuit 200 according to the invention, by means of which one embodiment of the method according to the invention splits a reference signal applied to input 202 shown in graph 110 into a multilevel base signal 206 shown in graph 120 and a residual value shown in graph 130 , A signal generator 210 outputs the reference signal applied to the input 202 as Multilevelsockelsignal 206 on predetermined quantization levels. This is subtracted in a subtractor indicated by the symbols "+" and from the reference signal applied to the input 202. The residual value thus formed, represented in graph 130, is then supplied to a two-level modulator 212
Zweilevelmodulator 212 digitalisierte Restwert wird im durch die Symbole„+" und„+" bezeichneten Addierer mit dem Multilevelsockelsignal 206 zu einem Ausgangssignal 204 zusammengeführt. Mit dem Ausgangssignal 204 wird bspw. ein Multilevelkonverter bzw. werden die von diesem umfassten Leistungshalbleiterschalter angesteuert. In Figur 3 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform 300 der Two-level modulator 212 digitized residual value is combined in the designated by the symbols "+" and "+" adder with the multi-level base signal 206 to an output 204. For example, a multilevel converter or the power semiconductor switch encompassed by the latter is triggered by the output signal 204. In Figure 3 is a schematic representation of an embodiment 300 of
erfindungsgemäßen Schaltung aus Figur 2 gezeigt, welche mit einem Sigma-Delta- Modulator ausgestattet ist. Das vom Signalbildner 310 gebildete Multilevelsockelsignal wird einem ersten mit„+" und bezeichneten Subtrahierer zugeführt, in welchem es von dem am Eingang 202 anliegenden Referenzsignal subtrahiert wird und als Restwert 308 dem durch einen zweiten mit„+" und
Figure imgf000011_0001
bezeichneten Subtrahierer, einen Filter 312 und einen binären Quantisierer 314 gebildeten Sigma-Delta-Modulator, der den
inventive circuit shown in Figure 2, which is equipped with a sigma-delta modulator. The multilevel base signal formed by signal generator 310 is applied to a first subtractor labeled "+" and in which it is subtracted from the reference signal applied to input 202, and as residual value 308, subtracted by "+" and "2"
Figure imgf000011_0001
designated subtractors, a filter 312 and a binary quantizer 314 formed sigma-delta modulator, the
Zweilevelmodulator 212 aus Figur 2 darstellt, zugeführt. Das vom Sigma-Delta-Modulator ausgegebene Signal wird dabei einerseits über den zweiten Subtrahierer mit dem Zweilevelmodulator 212 of Figure 2 represents supplied. The signal output by the sigma-delta modulator is on the one hand via the second subtractor with the
Restwert 308 rückgekoppelt, andererseits zu dem durch die Symbole„+" und„+" bezeichneten Addierer mit dem Multilevelsockelsignal 206 zu einem Ausgangssignal 204 zusammengeführt. Residual value 308 fed back, on the other hand to the adder designated by the symbols "+" and "+" combined with the Multilevelsockelsignal 206 to an output signal 204.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zu einer Multilevelmodulation, bei dem ein Multilevelkonverter, welcher eine Mehrzahl steuerbarer Schalter umfasst, durch ein Ausgangssignal (204) einer elektronischen Schaltung (200, 300) angesteuert wird, wobei ein an einem Eingang (202) der elektronischen Schaltung (200, 300) anliegendes Referenzsignal (112) in ein 1. A method for a multilevel modulation, in which a multilevel converter, which comprises a plurality of controllable switches, is driven by an output signal (204) of an electronic circuit (200, 300), wherein an input (202) of the electronic circuit (200, 300) applied reference signal (112) in a
Multilevelsockelsignal (122) und einen Restwert (132, 308) aufgespaltet wird, indem in der elektronischen Schaltung (200, 300) das Referenzsignal (112) von einem Multilevelsockelsignal (122) and a residual value (132, 308) is split by in the electronic circuit (200, 300), the reference signal (112) of a
Signalbildner (210, 310) als Multilevelsockelsignal (122, 206) auf vorgegebenen Signal generator (210, 310) as a Multilevelsockelsignal (122, 206) to predetermined
Quantisierungsleveln ausgegeben wird, dieses Multilevelsockelsignal (122, 206) von dem Referenzsignal (112) durch einen Subtrahierer subtrahiert wird und damit der Restwert (132, 308) gebildet wird, der Restwert (132, 308) durch einen Zweilevelmodulator (212) digitalisiert wird und durch einen Addierer mit dem Multilevelsockelsignal (112, 206) zusammengeführt wird, wodurch das Ausgangssignal (204) der elektronischen Schaltung (200, 300) gebildet wird. Quantization level is output, this multilevel base signal (122, 206) is subtracted from the reference signal (112) by a subtractor and thus the residual value (132, 308) is formed, the residual value (132, 308) is digitized by a two-level modulator (212) and is summed by an adder with the multi-level base signal (112, 206), whereby the output signal (204) of the electronic circuit (200, 300) is formed.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem für Ausgangssignal (204), Referenzsignal (112) und Multilevelsockelsignal (122, 206) entweder eine Spannung oder ein Strom gewählt wird. The method of claim 1, wherein one of a voltage and a current is selected for the output signal (204), the reference signal (112), and the multilevel base signal (122, 206).
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in dem Signalbildner (210, 310) von den vorgegebenen Quantisierungsleveln dasjenige Quantisierungslevel ausgewählt wird, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal (112) darstellt. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the signal generator (210, 310) of the predetermined quantization levels that quantization level is selected, which represents a nearest neighbor to the reference signal (112).
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der nächste Nachbar durch eine Aufrundung oder eine Abrundung oder eine Rundung gegen Null oder eine Rundung gegen plus unendlich bzw. minus unendlich oder eine kaufmännische Rundung einer Differenz zwischen dem Quantisierungslevel, welches zu dem Referenzsignal (112) eine geringste Differenz darstellt, und dem Referenzsignal (112) gebildet wird. 4. The method of claim 3, wherein the nearest neighbor is rounded up or rounded or rounded to zero or rounded to plus infinity or minus infinity, or a commercial rounding of a difference between the quantization level associated with the reference signal (112). represents a slightest difference, and the reference signal (112) is formed.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als jeweiliger steuerbarer Schalter ein Leistungshalbleiterschalter gewählt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein as the respective controllable switch, a power semiconductor switch is selected.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem an einem Ausgang des Zweilevelmodulators (212) ein gefiltertes Fehlersignal erzeugt wird, welches mit einem Eingangssignal des Zweilevelmodulators (212) rückgekoppelt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein at an output of Zweilevelmodulators (212) a filtered error signal is generated, which is fed back with an input signal of Zweilevelmodulators (212).
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Zweilevelmodulator (212) ein Sigma-Delta- Modulator gewählt wird. 7. The method of claim 6, wherein as a two-level modulator (212) a sigma-delta modulator is selected.
8. Schaltung (200, 300) für eine Multilevelmodulation mit einem Eingang (202) und einem Ausgang (204), welche einen Signalbildner (210, 310), einen Zweilevelmodulator (212), einen Subtrahierer und einen Addierer umfasst, wobei der Signalbildner (210, 310) dazu ausgelegt ist, ein an dem Eingang der Schaltung (200, 300) anliegendes 8. A multilevel modulation circuit (200, 300) having an input (202) and an output (204), which comprises a signal generator (210, 310), a two-level modulator (212), a subtractor and an adder, wherein the signal generator ( 210, 310) is adapted to be applied to the input of the circuit (200, 300)
Referenzsignal (112) als Multilevelsockelsignal (122, 206) auf vorgegebenen Reference signal (112) as a Multilevelsockelsignal (122, 206) to predetermined
Quantisierungsleveln auszugeben, der Subtrahierer dazu ausgelegt ist, dieses Output quantization levels, the subtractor is designed to this
Multilevelsockelsignal (122, 206) von dem Referenzsignal (112) zu subtrahieren und dadurch einen Restwert (132, 308) zu bilden, der Zweilevelmodulator (212) dazu ausgelegt ist, diesen Restwert (132, 308) zu digitalisieren und der Addierer dazu ausgelegt ist, dies mit dem Multilevelsockelsignal (122, 206) zu einem Ausgangssignal (204) am Ausgang der Schaltung (200, 300) zusammenzuführen, wodurch das am Eingang (202) der Schaltung (200, 300) anliegende Referenzsignal (112) in das am Ausgang (204) der Schaltung (200, 300) vorliegende Multilevelsockelsignal (132, 306) und den Restwert (132, 308) aufgespaltet wird. To subtract multilevel base signal (122, 206) from the reference signal (112) and thereby form a residual value (132, 308), the two-level modulator (212) is adapted to digitize this residual value (132, 308) and the adder is designed to merge this with the multilevel base signal (122, 206) into an output signal (204) at the output of the circuit (200, 300), whereby the reference signal (112) present at the input (202) of the circuit (200, 300) is applied to the output signal (204) the multilevel base signal (132, 306) present in the circuit (200, 300) and the residual value (132, 308) are split.
9. Schaltung nach Anspruch 8, bei dem der Zweilevelmodulator (212) ein Sigma-Delta- Modulator ist. The circuit of claim 8, wherein the two-level modulator (212) is a sigma-delta modulator.
10. System zu einer Multilevelmodulation, welches eine Schaltung (200, 300) nach Anspruch 8 oder 9, einen Multilevelkonverter, mindestens eine Energiespeichereinheit, einen Referenzsignalbildner, und eine Strom- oder Spannungsquelle, welche den Referenzsignalbildner speist, aufweist, wobei das System dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen. 10. A system for multilevel modulation comprising a circuit (200, 300) according to claim 8 or 9, a multilevel converter, at least one energy storage unit, a reference signal generator, and a current or voltage source feeding the reference signal generator, the system being adapted to carry out a method according to one of claims 1 to 7.
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