DE102017113460A1 - Electronic circuit for converting electrical energy and associated control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung mit zugehöriger Steuerung für effiziente leistungselektronische Stromversorgungen, elektrische Umrichter, elektrische Wechselrichter, Energieübertragungssysteme, batterieintegrierte Umrichter sowie Batteriesysteme mit der Möglichkeit des Wechsels der elektrischen Verschaltung von Batterieuntereinheiten, beispielsweise zueinander in Serie oder parallel, und vergleichbaren leistungselektronischen Systemen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf leistungselektronische Schaltungen, die mehrere elektrische Schalter und/oder mehrere elektrische Energiespeicher und/oder mehrere Module, die jeweils mindestens einen elektrischen Schalter und mindestens einen elektrischen Energiespeicher umfassen, enthalten. Die Erfindung beschreibt eine elektronische Schaltung zur Umformung elektrischer Energie und eine zugehörige Steuerung, die eine vorteilhafte Einsparung von Steuerungsdaten, Übertragungsgeschwindigkeit sowie Signalleitungen und eine Verringerung der Fehleranfälligkeit und von elektromagnetischen Interferenzen ermöglicht. The invention relates to an electronic circuit with associated control for efficient power electronic power supplies, electrical converters, electrical inverters, power transmission systems, battery integrated converters and battery systems with the possibility of changing the electrical interconnection of battery subunits, for example, to each other in series or in parallel, and comparable power electronic systems , In particular, the invention relates to power electronic circuits which comprise a plurality of electrical switches and / or a plurality of electrical energy stores and / or a plurality of modules, each comprising at least one electrical switch and at least one electrical energy store. The invention describes an electronic circuit for transforming electrical energy and an associated control, which allows an advantageous saving of control data, transmission speed and signal lines and a reduction of the susceptibility to errors and electromagnetic interference.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung mit zugehöriger Steuerung für effiziente leistungselektronische Stromversorgungen, elektrische Umrichter, elektrische Wechselrichter, Energieübertragungssysteme, batterieintegrierte Umrichter sowie Batteriesysteme mit der Möglichkeit des Wechsels der elektrischen Verschaltung von Batterieuntereinheiten, beispielsweise zueinander in Serie oder parallel, und vergleichbaren leistungselektronischen Systemen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf leistungselektronische Schaltungen, die mehrere elektrische Schalter und/oder mehrere elektrische Energiespeicher und/oder mehrere Module, die jeweils mindestens einen elektrischen Schalter und mindestens einen elektrischen Energiespeicher umfassen, enthalten.The invention relates to an electronic circuit with associated control for efficient power electronic power supplies, electrical converters, electrical inverters, power transmission systems, battery integrated converters and battery systems with the possibility of changing the electrical interconnection of battery subunits, for example, to each other in series or in parallel, and comparable power electronic systems , In particular, the invention relates to power electronic circuits which comprise a plurality of electrical switches and / or a plurality of electrical energy stores and / or a plurality of modules, each comprising at least one electrical switch and at least one electrical energy store.
Stand der TechnikState of the art
Beispiele für derartige leistungselektronische Schaltungen sind der modulare Multilevel-Umrichter M2C (siehe
Moderne modulare Leistungselektronik ist das Ergebnis der Ausnutzung von produktionstechnischen Vorteilen gleichartiger Einheiten und der Verwendung standardisierter Baugruppen für eine schnellere Auslegung und Entwicklung von Lösungen auf der Basis dieser Plattform. Modulare Multilevel-Converter als Beispiel erlauben das Zerlegen großer Spannungen oder hoher Leistungen in kleine Portionen, die mit kleinen leistungselektronischen Teilschaltungen, in der Regel je als eigenständiges Modul ausgeführt, bewältigt werden können. Modulare Switched-Capacitor-Schaltungen, als weiteres Beispiel, werden unter anderem eingesetzt, um sehr kleine Spannungen in den typischen Kleinspannungsbereich von Elektronik, typischerweise 1 V bis 48 V, zu konvertieren. Ein typisches Anwendungsgebiet sind sogenannte Energy-Harvesting-Systeme, die Umgebungsenergiequellen zur Versorgung kleiner elektronischer Systeme verwenden.Modern modular power electronics is the result of exploiting the production-related advantages of similar units and the use of standardized assemblies for a faster design and development of solutions based on this platform. Modular multilevel converters, for example, allow disassembling large voltages or high powers into small portions that can be handled with small power electronic subcircuits, usually each implemented as a stand-alone module. Modular switched-capacitor circuits, as another example, are used, inter alia, to convert very small voltages into the typical extra-low voltage range of electronics, typically 1V to 48V. A typical field of application are so-called energy harvesting systems that use ambient energy sources to supply small electronic systems.
Die Module liegen bei diesen Switched-Capacitor-Schaltungen oft nicht als eigenständige Baugruppen vor, die durch physikalische Verbindung zu einem System integriert werden, sondern sind in der Regel als Design-Einheiten bereits in der Entwurfsphase vorgesehen und werden mit ihrem Chip-Layout als bereits in sich abgestimmte Unterblöcke, ähnlich beispielsweise zu Gattern, Speicherzellen und anderen Blöcken im digitalen Chip-Entwurf, zu einer leistungselektronischen Chip-Einheit kombiniert und in das Gesamtchip-Layout integriert. Das Gesamtchip-Layout kann neben diesem leistungselektronischen Schaltungsanteil ferner ebenso digitale Schaltungsteile sowie analoge Schaltungsteile umfassen, deren Energieversorgung und Energiekonditionierung der leistungselektronische Schaltungsanteil oft bereitstellt.Often, these modules are not self-contained assemblies physically integrated into a system, but are typically designed as design units in the design phase and are already designed with their chip layout self-aligned sub-blocks, similar to, for example, gates, memory cells and other blocks in digital chip design, combined into a power electronic chip unit and integrated into the overall chip layout. The overall chip layout can also include digital circuit parts and analog circuit parts in addition to this electronic power circuit component whose power supply and energy conditioning the power electronic circuit component often provides.
Als Modul wird im Folgenden jegliche Einheit in einer leistungselektronischen Schaltung mit mehreren elektrischen Energiespeichern bezeichnet, die jeweils mindestens einen Energiespeicher und mindestens einen elektronischen Schalter enthält, der ermöglicht, die elektrische Verschaltung des mindestens einen Energiespeichers des Moduls mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen Moduls dynamisch zu verändern. Diese Veränderung der elektrischen Verschaltung des mindestens einen Energiespeichers mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen Moduls kann beispielsweise auch den Wechsel von einer praktischen Serienschaltung dieser Energiespeicher zu einem Umgehen eines oder mehrerer dieser Energiespeicher durch Vorbeileiten des Stroms am Energiespeicher, ohne diesen zu laden oder zu entladen (sogenannter Bypass-Zustand), bezeichnen. Somit trifft der Begriff auch auf Switched-Capacitor-Schaltungen zu. Im Folgenden werden all diese Schaltungen ohne Einschränkung der Allgemeinheit als Umrichter bezeichnet. Unterschiedliche Module können beispielsweise auf getrennten elektronischen Einheiten, beispielsweise elektronischen Platinen, Flachbaugruppen oder abgeschlossenen Gehäusen, unabhängig voneinander gefertigt werden, um in der Produktion Kostenverringerungseffekte aufgrund höherer Stückzahlen ähnlicher Einheiten zu nutzen, und/oder Wartung durch einfache Austauschbarkeit von potentiell abgeschlossenen Einzelmodulen zu nutzen.In the following, any unit in a power electronic circuit with a plurality of electrical energy stores, which in each case contains at least one energy store and at least one electronic switch, makes it possible to dynamically increase the electrical connection of the at least one energy store of the module with at least one energy store of another module change. This change in the electrical connection of the at least one energy store with at least one energy store of another module can, for example, the change from a practical series connection of these energy storage to bypassing one or more of these energy storage by passing the current through the energy storage, without loading or unloading ( so-called bypass state). Thus, the term also applies to switched-capacitor circuits. In the following, all of these circuits will be referred to as inverters without limiting the generality. For example, different modules may be fabricated independently on separate electronic units, such as electronic circuit boards, printed circuit boards or terminated enclosures, to utilize cost reduction effects in production due to higher numbers of similar units, and / or to utilize maintenance through simple interchangeability of potentially terminated single modules.
Als Schaltzustand eines Moduls wird die Art bezeichnet, in der oder die Schalter des Moduls aktiviert oder deaktiviert werden, um mindestens einen elektrischen Energiespeicher des Moduls elektrisch leitend mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher mindestens eines anderen Moduls in unterschiedlicher Art, der sogenannten Konnektivität, zu verbinden oder explizit nicht zu verbinden (offener Stromkreis bzw. getrennte Verbindung), so dass mehrere Module zusammen eine elektrische Spannung erzeugen. Beispiele für mögliche Konnektivitäten von elektrischen Energiespeichern sind beispielsweise Parallelschaltung und Seriellschaltung, Kombinationen von elektrischen Energiespeichern sowie unverbundene oder nur mit einem Kontakt verbundene Energiespeicher.The switching state of a module is the type in which or the switches of the module are activated or deactivated to electrically connect at least one electrical energy storage of the module with at least one electrical energy storage at least one other module in different ways, the so-called connectivity explicitly not to connect ( open circuit or separate connection), so that several modules together generate an electrical voltage. Examples of possible connectivities of electrical energy stores are, for example, parallel connection and serial connection, combinations of electrical energy storage as well as unconnected or only with a contact connected energy storage.
Beispielhafte elementare Schaltungen aus dem Stand der Technik, die Basis für die Erfindung sein können, sind der modulare Multilevel-Converter M2C (
Daneben existieren weitere Ableitungen und Entwicklungen, wie beispielsweise beschrieben in
Derartige Module, genannt Mikrotopologien, können in unterschiedlicher Weise miteinander in sogenannten Makrotopologien verknüpft werden. Bei der am häufigsten anzutreffenden Makrotopologie handelt es sich um die Marquardt-Topologie (siehe
In nahezu allen Makrotopologien ist die kleinste Einheit der sogenannte Konverterarm (converter arm). Er stellt einen Strang aus mindestens zwei miteinander verbundenen ähnlichen Modulen dar. Die Ähnlichkeit ist bereits dadurch gegeben, dass die benachbarten Module mindestens zwei gemeinsame Zustände, beispielsweise seriell positiv und bypass, gemeinsam aufweisen und im Betrieb mit dynamischen Wechseln zwischen diesen eingesetzt werden können.In almost all macro topologies, the smallest unit is the so-called converter arm. It represents a strand of at least two interconnected similar modules. The similarity is already given by the fact that the neighboring modules have at least two common states, for example serial positive and bypass, in common and can be used in operation with dynamic switching between them.
Typische Beispiele für Switched-Capacitor-Schaltungen sind Spannungspumpen, bei welchen elektrische Energiespeicher, beispielsweise Kondensatoren, ihre Konnektivität von einer (teilweisen) Serienschaltung in eine (teilweise) Parallelschaltung wechseln können und damit ihre erzeugte Spannung ändern. Ein Beispiel hierfür ist der Marx-Converter, oft als Marx-Generator bezeichnet [siehe Erwin Marx (1925). Erzeugung von verschiedenen Hochspannungsarten zu Versuchs- und Prüfzwecken. Elektrotech. Zeitschrift], und dessen Abwandlungen [beispielsweise
Der modulare Multilevel-Converter M2C erlaubt, große Spannungen mittels mehrerer Module in kleinere Teilspannungen zu zerlegen und Ausgangsspannungen in feinen Abstufungen zu erzeugen. Aus diesem Grund ist die Qualität der Ausgangsspannung, beispielsweise mit der Verzerrung (sog. total harmonic distortion, THD) quantifiziert, sehr hoch. Ferner gibt es einen Zustand, in dem keiner der beiden Schalter von der Steuerungseinheit aktiviert wird, sondern lediglich Dioden (sog. Freilaufdioden) als Gleichrichterelemente den Strom gemäß seiner Fließrichtung leiten. Dieser Zustand wird in der Regel als passiv bezeichnet, da kein gezieltes Aktivieren von Schaltern durch die Steuerungseinheit vonnöten ist und die Steuerungseinheit nicht den Strom zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes kennen muss. Stattdessen kann der Passiv-Zustand zur Entladung der Energie einer induktiven Last oder einer Hochspannungsleitung durch gezieltes Deaktivieren von Schaltern verwendet werden.The modular multilevel converter M2C allows large voltages to be broken down into smaller sub-voltages by means of several modules and to produce output voltages in fine gradations. For this reason, the quality of the output voltage, quantified for example with the so-called total harmonic distortion (THD), is very high. Furthermore, there is a state in which none of Both switches are activated by the control unit, but only diodes (so-called freewheeling diodes) as rectifier elements conduct the current according to its flow direction. This state is usually referred to as passive, since no specific activation of switches by the control unit is required and the control unit does not need to know the current for determining the commutation. Instead, the passive state may be used to discharge the energy of an inductive load or power line by deliberately disabling switches.
Der modulare Multilevel-Converter M2C erlaubt allerdings lediglich eine Serienschaltung von Modulen, weshalb jedes Modul auf den maximal zu erwarteten Strom auszulegen ist. Ferner ist außerhalb der Spitzenspannung eine große Anzahl von Modulen ungenutzt im Bypass-Zustand. Bei induktiven Lasten ist darüber hinaus der größte Strom in der Regel vor allem bei geringen Spannungen zu erwarten. In dieser Zeit muss der Strom von einer kleinen Zahl von Modulen und deren Modulkondensatoren oder anderen Formen von elektrischen Energiespeichern bereitgestellt werden. Der Innenwiderstand und die verfügbare Kapazität sind daher sehr ungünstig.However, the modular multi-level converter M2C only allows a series connection of modules, which is why each module must be designed for the maximum expected current. Furthermore, outside the peak voltage, a large number of modules are idle in the bypass state. In addition, for inductive loads, the largest current is generally expected, especially at low voltages. During this time, the power must be provided by a small number of modules and their module capacitors or other forms of electrical energy storage. The internal resistance and the available capacity are therefore very unfavorable.
Der modulare Multilevel-Converter mit serieller und paralleler Konnektivität M2SPC ist eine Weiterentwicklung der obigen Technologie und ermöglicht einen dynamischen Wechsel zwischen Seriell- und Parallelschaltung der Module, so dass bei geringen Spannungen ein Großteil der Module parallel verschaltet werden kann, während bei höheren Spannungen mehr und mehr Module in eine Serienschaltung überwechseln können [
Als Schaltzustand eines Moduls, kurz Zustand, wird die Art bezeichnet, in der der oder die Schalter des Moduls aktiviert oder deaktiviert werden, um mindestens einen elektrischen Energiespeicher des Moduls elektrisch leitend mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher mindestens eines anderen Moduls in unterschiedlicher Art, der sogenannten Konnektivität, zu verbinden oder explizit nicht zu verbinden, d. h. offener Stromkreis bzw. getrennte Verbindung, so dass mehrere Module zusammen eine elektrische Spannung erzeugen. Beispiele für mögliche Konnektivitäten von elektrischen Energiespeichern sind Parallelschaltung und Seriellschaltung, Kombinationen von elektrischen Energiespeichern sowie unverbundene oder nur mit einem Kontakt verbundene Energiespeicher. Module sind in der Regel in der Lage, mindestens zwei der folgenden Zustände oder Konnektivitätsformen durch elektrische Schalter der Module darstellen zu können:
- (a) Der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe von elektrischen Schaltern mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls in Serie geschaltet;
- (b) der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe von elektrischen Schaltern mit dem mindestens einen Energiespeicher eines weiteren Moduls parallel geschaltet;
- (c) der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls wird mithilfe von elektrischen Schaltern gebypasst, was bedeutet, dass der mindestens eine elektrische Energiespeicher eines Moduls nur mit maximal einem seiner mindestens zwei elektrischen Kontakte mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls elektrisch leitend verbunden ist und somit kein geschlossener Stromkreis mit einem elektrischen Energiespeicher eines weiteren Moduls vorliegt.
- (A) The at least one electrical energy storage of a module is connected in series by means of electrical switches with the at least one energy storage of another module;
- (b) the at least one electrical energy store of a module is connected in parallel with the aid of electrical switches with the at least one energy store of a further module;
- (c) the at least one electrical energy store of a module is bypassed by means of electrical switches, which means that the at least one electrical energy store of a module is electrically conductively connected to only one of its at least two electrical contacts with an electrical energy store of another module, and thus there is no closed circuit with an electrical energy store of another module.
Obwohl diese Technologien gegenüber anderen leistungselektronischen Schaltungen über erhebliche Vorteile verfügen, weisen sie ebenfalls entscheidende Nachteile auf. Für die Erzeugung hoher Spannungen wird beispielsweise eine Vielzahl an Modulen benötigt. Jedes dieser Module setzt mehrere individuelle Schalter ein, zumeist zwischen vier und acht Schalter, die unabhängig voneinander ansteuerbar sein sollten, um die gewünschte Flexibilität zu erlauben. Die hohe Zahl an unabhängig anzusteuernden Schaltern führt zu einer Vielzahl an bereitzustellenden Steuersignalen. Typische Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren, speicherprogrammierbare Steuerungen (kurz SPS bzw. PLC) und ähnliche Bausteine stellen in der Regel etwa 30 bis 80 Ein- und Ausgänge bereit. Höhere Anzahlen von Signalen werden in wenigen anderen technischen Anwendungen benötigt. Ferner limitieren heutige Gehäusetypen die Anzahl an Ein- und Ausgängen, die aus einem Halbleiterchip nach außen geführt werden können.Although these technologies have significant advantages over other power electronic circuits, they also have significant disadvantages. For the generation of high voltages, for example, a large number of modules is needed. Each of these modules uses several individual switches, usually between four and eight switches, which should be independently controllable to allow the desired flexibility. The high number of independently controlled switches leads to a large number of control signals to be provided. Typical microprocessors, microcontrollers, signal processors, programmable logic controllers (short PLC or PLC) and similar devices usually provide about 30 to 80 inputs and outputs. Higher numbers of signals are needed in a few other technical applications. Furthermore, today's package types limit the number of inputs and outputs that can be routed out of a semiconductor chip to the outside.
Für einen Aufbau von beispielweise lediglich vierzig Modulen mit jeweils 100 V Spannung, die eine Ausgangsspannung von 4000 V erzeugen können, summiert sich die Anzahl der nötigen Steuerleitungen von der in einem oder mehreren Mikroprozessoren oder alternativen elektrischen Schaltungen implementierten Steuerungseinheit auf 160 bis 320, die ferner mit hoher zeitlicher Genauigkeit und hoher Datenrate benötigt werden. Typische Updateraten der Steuerleitungen liegen dabei bei weniger als 1 ms, vorzugsweise unter 10 µs, um geringe Verzerrungen der Ausgangsspannung zu gewährleisten. Beim Einsatz von Feldeffekttransistoren ist gewöhnlich wegen deren hoher Schaltgeschwindigkeit von in der Regel unter 100 ns darüber hinaus eine zeitliche Genauigkeit der Signale deutlich unter der genannten Schaltgeschwindigkeit gewünscht. Folglich ist eine sehr akkurate Signalgenerierung einer großen Anzahl von parallelen Kanälen mit hoher Signalrate in Echtzeit nötig. Technisch ist dies nur mit sehr teuren und speziellen Bauteilen darstellbar. Die in anderen technischen Bereichen übliche Synchronisierung mehrerer Prozessoren oder alternativer elektronischer Schaltungen zur Erzeugung der Vielzahl von parallelen Kanälen ist aufgrund der nötigen hohen zeitlichen Genauigkeit, die Jitter von typischerweise über 100 ns verbietet, nur sehr schwer möglich.For example, for a design of, for example, only forty 100V voltage modules capable of producing an output voltage of 4000V, the number of control lines required adds up to 160 to 320 from the control unit implemented in one or more microprocessors or alternative electrical circuits with high temporal accuracy and high data rate are needed. Typical update rates of the control lines are less than 1 ms, preferably less than 10 μs, to ensure low distortion of the output voltage. When using field effect transistors is usually due to their high switching speed of usually below 100 ns beyond a temporal Accuracy of the signals well below the switching speed mentioned desired. Consequently, a very accurate signal generation of a large number of parallel channels with high signal rate in real time is needed. Technically, this can only be achieved with very expensive and special components. The usual in other technical areas synchronization of multiple processors or alternative electronic circuits for generating the plurality of parallel channels is very difficult due to the necessary high temporal accuracy, the jitter of typically over 100 ns prohibits.
Ein zweites zentrales Problem dieser flexiblen Multilevel-Technologien aus dem Stand der Technik ist die hohe Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen. Die von den Halbleiterschaltern gesteuerten Stromstärken überschreiten in der Regel mehrere Tausend Ampere und werden in unmittelbarer Nähe zu den Steuersignalen zu- und abgeführt. Aus diesem Grund verfügt die oben genannte Multilevel-Technologie über das untolerierbare Problem, dass der zu steuernde Strom auf die Steuerleitung rückwirkt und die von ihm in den Steuerleitungen erzeugten Signale sogar um Größenordnungen höher sind als die gewollten Steuersignale der Steuerungseinheit des Gerätes. Ein nicht mehr vollumfänglich von der Steuerungseinheit gemäß den Vorgaben kontrollierter sondern sich selbst beeinflussender Multilevel-Converter ist jedoch nicht nur für viele Einsatzgebiete unpraktikabel sondern wegen der hohen Energien und der in der Regel direkten Verbindung mit eine Hochspannungsnetz sicherheitskritisch.A second central problem with these prior art flexible multilevel technologies is the high susceptibility to electromagnetic interference. The currents controlled by the semiconductor switches usually exceed several thousand amperes and are supplied and removed in the immediate vicinity of the control signals. For this reason, the above-mentioned multilevel technology has the intolerable problem that the current to be controlled acts on the control line and the signals generated by it in the control lines are even orders of magnitude higher than the desired control signals of the control unit of the device. However, a multilevel converter which is no longer completely controlled by the control unit according to the specifications but which influences itself is impractical not only for many fields of use but also safety-critical because of the high energies and the usually direct connection to a high-voltage network.
Überblick über die ErfindungOverview of the invention
Es wird eine elektrische Umrichterschaltung bereitgestellt, die mindestens umfasst: mindestens zwei gleichartige hintereinander geschaltete Module, mindestens eine elektronische Steuerungseinheit, mindestens eine codierte elektrische Signalübertragung und mindestens einen Decoder, wobei die hintereinandergeschalteten Module einen Modulstrang bilden, wie er insbesondere zum Aufbau eines Brückenzweiges oder eines Phasenmoduls verwendet wird, und wobei jedes Modul mindestens einen elektrischen Energiespeicher und elektronische Schalter enthält, wobei die mindestens eine elektronische Steuerungseinheit dazu konfiguriert ist, zur Ansteuerung der elektronischen Schalter elektrische Signale auszusenden, die als codierte elektrische Signale über die codierte elektrische Signalübertragung zu dem mindestens einen Decoder zu leiten sind, wobei der mindestens eine Decoder dazu konfiguriert ist, die codierten elektrischen Signale in jeweilige einen jeweiligen einzustellenden Schalterzustand eines einzelnen der elektronischen Schalter beschreibende Schaltersteuersignale zu decodieren, und wobei eine durchschnittliche Datenrate oder eine durchschnittliche Redundanz der codierten elektrischen Signale niedriger ist als eine durchschnittliche Datenrate oder eine durchschnittliche Redundanz der durch den mindestens einen Decoder zu Schaltersteuersignalen decodierten Signale.An electrical converter circuit is provided, which comprises at least two similar modules connected in series, at least one electronic control unit, at least one coded electrical signal transmission and at least one decoder, wherein the series-connected modules form a module string, in particular for constructing a bridge branch or a bridge Phase module is used, and wherein each module includes at least one electrical energy storage and electronic switches, wherein the at least one electronic control unit is configured to emit electrical signals for driving the electronic switches, which as coded electrical signals via the coded electrical signal transmission to the at least one Decoders are to be routed, wherein the at least one decoder is configured to the coded electrical signals in each of a respective set switch state ei a single data rate or an average redundancy of the coded electrical signals is lower than an average data rate or an average redundancy of the signals decoded by the at least one decoder to switch control signals.
Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens eines der Module über mindestens einen elektrischen Anschluss mit einem nachfolgenden der hintereinander geschalteten Module verbunden, wobei die Schaltelemente der Module ihre jeweiligen elektrischen Energiespeicher so mit elektrischen Anschlüssen der hintereinandergeschalteten Module verbinden, dass wahlweise mindestens folgende Schaltungsvarianten der elektrischen Energiespeicher der hintereinander geschalteten Module vorliegen:
- (a) eine Serienschaltung der elektrischen Energiespeicher;
- (b) eine Parallelschaltung der elektrischen Energiespeicher;
- (c) eine Bypassschaltung des mindestens einen elektrischen Energiespeichers mindestens eines Moduls, bei der höchstens die Hälfte der mindestens zwei elektrischen Kontakte des genannten mindestens einen elektrischen Energiespeichers mit einem elektrischen Energiespeichers eines anderen Moduls elektrisch leitend verbunden ist.
- (A) a series connection of the electrical energy storage;
- (B) a parallel connection of the electrical energy storage;
- (C) a bypass circuit of the at least one electrical energy storage at least one module in which at most half of the at least two electrical contacts of said at least one electrical energy storage is electrically connected to an electrical energy storage device of another module.
In möglicher Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Codierungseinheit, die dazu konfiguriert ist, auf Basis eines vorgegebenen Musters für einzustellende Schalterzustände der elektronischen Schalter von der elektronischen Steuerungseinheit auszusendende bzw. ausgesendete Signale zu codieren.In a possible embodiment, the device according to the invention comprises at least one coding unit which is configured to code signals to be transmitted or transmitted by the electronic control unit on the basis of a predetermined pattern for switch states of the electronic switches to be set.
In möglicher Ausgestaltung ist die mindestens eine Codierungseinheit in die Steuerungseinheit integriert bzw. ist die mindestens eine Codierungseinheit Teil der Steuerungseinheit. In weiterer Ausgestaltung ist die mindestens eine Codierungseinheit in mindestens eine der mindestens einen elektronischen Steuerungseinheit untergeordnete elektronische Schaltung integriert. Alternativ dazu kann die Codierungseinheit auch als separate Einheit, beispielsweise in Form eines Encoders vorgesehen sein bzw. einen Encoder umfassen.In a possible embodiment, the at least one coding unit is integrated into the control unit or the at least one coding unit is part of the control unit. In a further embodiment, the at least one coding unit is integrated into at least one of the at least one electronic control unit subordinate electronic circuit. Alternatively, the coding unit can also be provided as a separate unit, for example in the form of an encoder or comprise an encoder.
Dabei ist es denkbar, dass die Vorrichtung ferner mindestens einen galvanisch trennenden Signalübertrager umfasst.It is conceivable that the device further comprises at least one galvanically isolating signal transmitter.
Dabei ist der galvanisch trennende Signalübertrager vorzugsweise dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil der von dem mindestens einen Encoder codierten Signale zu übertragen.In this case, the galvanically isolating signal transmitter is preferably configured to transmit at least a portion of the signals encoded by the at least one encoder.
In möglicher Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Decoder je Modul auf, wobei der mindestens eine Decoder je Modul dazu ausgelegt ist, die Schaltsignale mit mindestens einem decodierten Signal für jeden Schalter des jeweiligen Moduls als Steuersignal bereitzustellen.In a possible embodiment, the device according to the invention has at least one Decoder per module, wherein the at least one decoder per module is designed to provide the switching signals with at least one decoded signal for each switch of the respective module as a control signal.
Dabei ist es denkbar, dass der mindestens eine Decoder je Modul jeweils in die Elektronik des zugehörigen Moduls integriert ist.It is conceivable that the at least one decoder per module is integrated in each case in the electronics of the associated module.
Alternativ dazu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Decoder je Intermodulverbindung auf, wobei der mindestens eine Decoder je Intermodulverbindung dazu konfiguriert ist, die Schaltsignale mit mindestens einem decodierten Signal für jeden Schalter der jeweiligen Intermodulverbindung als Steuersignal bereitzustellen.Alternatively, the inventive device has at least one decoder per inter-module connection, wherein the at least one decoder per inter-module connection is configured to provide the switching signals with at least one decoded signal for each switch of the respective inter-module connection as a control signal.
In noch weiterer Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Decoder je Intermodulverbindungsuntereinheit auf, wobei der mindestens einen Decoder je Intermodulverbindungsuntereinheit dazu ausgelegt ist, die Schaltsignale mit mindestens einem gesonderten decodierten Signal für jeden Schalter des jeweiligen Intermodulverbindungsuntereinheit als Steuersignal bereitzustellen.In a further embodiment, the device according to the invention has at least one decoder per inter-module connection subunit, wherein the at least one decoder per inter-module connection subunit is designed to provide the switching signals with at least one separate decoded signal for each switch of the respective inter-module connection subunit as the control signal.
Ferner weist die Vorrichtung mindestens einen Kanalcodierer auf.Furthermore, the device has at least one channel coder.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Umrichterschaltung bereitgestellt, wobei die elektrische Umrichterschaltung mindestens zwei gleichartige hintereinander geschaltete Module, mindestens eine elektronische Steuerungseinheit, mindestens eine codierte elektrische Signalübertragung, mindestens eine Codierungseinheit und mindestens einen Decoder umfasst, wobei die hintereinandergeschalteten Module einen Modulstrang bilden, wie er insbesondere zum Aufbau eines Brückenzweiges oder eines Phasenmoduls verwendet wird, und wobei jedes Modul mindestens einen elektrischen Energiespeicher und mindestens einen elektronischen Schalter enthält, wobei mindestens zwei der Module mithilfe der jeweiligen Schaltelemente der Module ihre jeweiligen elektrischen Energiespeicher so mit elektrischen Anschlüssen der Module verbinden, dass wahlweise mindestens eine Seriellschaltung und eine Parallelschaltung der elektrischen Energiespeicher vorliegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - Auswahl einer zukünftigen Einstellung der Schaltzustände der Schalter, der Module, der Intermodulverbindungen und/oder der Intermodulverbindungsuntereinheiten;
- - Übermittlung der zukünftigen Einstellung in elektronischer Form als elektrische Signale in codierter Form, wobei die von der elektronischen Steuerungseinheit ausgesendeten elektrischen Signale auf Basis eines jeweiligen vorgegebenen Musters für die jeweiligen einzustellenden Schaltzustände der elektronischen Schalter codiert und als codierte elektrische Signale über die codierte elektrische Signalübertragung zu dem mindestens einen Decoder geleitet werden;
- - Decodierung der elektrischen Signale zur Ermittlung der nötigen Einstellung von Schaltern.
- Selecting a future setting of the switching states of the switches, the modules, the inter-module connections and / or the inter-module connection sub-units;
- - Transmission of the future setting in electronic form as electrical signals in coded form, wherein the electronic control unit emitted electrical signals based on a respective predetermined pattern for the respective switching states of the electronic switches to be set and coded electrical signals via the coded electrical signal transmission to passed to the at least one decoder;
- - decoding the electrical signals to determine the necessary setting of switches.
In Ausgestaltung werden die besagten Steuersignale zumindest abschnittweise derart codiert, dass die durchschnittliche Datenrate oder die durchschnittliche Redundanz niedriger ist als die durchschnittliche Datenrate oder die durchschnittliche Redundanz der decodierten Schaltersteuersignale.In an embodiment, the said control signals are at least partially coded such that the average data rate or the average redundancy is lower than the average data rate or the average redundancy of the decoded switch control signals.
Die vorliegende Erfindung stellt eine neuartige Lösung zur Behebung der Probleme im Stand der Technik vor. In erster Linie ermöglicht die Erfindung eine Verringerung der Steuerleitungen, sodass die Steuerung des Systems in der Form mindestens einer Steuerungseinheit mit gewöhnlichen Mikroprozessoren oder alternativen elektronischen Schaltungen aus dem Stand der Technik erfolgen kann. Ferner verringert sie die Anfälligkeit für elektromagnetische Einstreuungen und Interferenzen, sowohl aus externen Quellen als auch im Besonderen durch den eigenen, vom Umrichter erzeugten Strom und dessen Schaltübergängen und Schaltspitzen.The present invention provides a novel solution to the problems of the prior art. In the first place, the invention enables a reduction of the control lines, so that the control of the system in the form of at least one control unit can take place with ordinary microprocessors or alternative electronic circuits of the prior art. It also reduces the susceptibility to electromagnetic interference and interference, both from external sources, and in particular from its own power generated by the drive and its switching transitions and switching spikes.
Obwohl jeder Halbleiterschalter individuell angesteuert werden muss, ist die Gesamtheit der Steuerleitungen hochgradig musterbehaftet. Ferner sind nicht alle Kombinationen an Schaltzuständen für das Ziel der Erzeugung beliebiger Pulsformen notwendig. Während diese Eigenschaften in der vorliegenden Erfindung gezielt genutzt werden, war der bisherige Konsens in technischen Fachkreisen, dass die hohe Zahl an Steuerleitungen der notwendige Preis für den Erhalt der bisher ungekannten Flexibilität darstellt. Nutzbare Muster in den Schaltzuständen wurden nicht als naheliegend betrachtet, da die hohe Zahl von Schaltern und die Abhängigkeit der Schaltzustände der Schalter untereinander zu einer hohen Komplexität führen, die den Blick auf einfache Strukturen verdeckt. Aus diesem Grund werden die Steuersignale in existierenden Systemen ausschließlich computergestützt generiert und nicht manuell, so dass selbst nach einer gezielten numerischen Entropieanalyse lediglich die Shannon'sche Redundanz bekannt wäre, jedoch keine natürliche Kompressionsmöglichkeiten deutlich würden.Although each semiconductor switch must be controlled individually, the entirety of the control lines is highly patterned. Furthermore, not all combinations of switching states are necessary for the goal of generating arbitrary pulse shapes. While these features are specifically used in the present invention, the previous consensus in technical circles has been that the high number of control lines is the necessary price to maintain unprecedented flexibility. Usable patterns in the switching states were not considered to be obvious since the high number of switches and the dependence of the switching states of the switches with each other lead to a high complexity, which obscures the view of simple structures. For this reason, the control signals are generated in existing systems exclusively computer-aided and not manually, so that even after a targeted numerical Entropieanalyse only the Shannonian redundancy would be known, but no natural compression options would be clear.
Die Komplexität aufgrund der hohen Zahl an Signalen wird ferner durch mögliche Schaltmodulation erhöht, die sehr schnelle Wechsel zwischen unterschiedlichen und in der Regel nicht wiederkehrenden Schaltzuständen verursacht.The complexity due to the high number of signals is further increased by possible switching modulation, which causes very fast switching between different and usually non-recurring switching states.
Zur Verringerung verwendet die Erfindung an mindestens einer Stelle der Übertragung der Steuersignale eine Codierung, sodass nicht mehr ein Signal je unabhängig zu steuernden Schalter verwendet wird, sondern das Steuersignal Zustände und Teilzustände darstellt. Dabei kann im Sinne der Erfindung eine rein parallele Codierung, eine rein serielle Codierung und eine Mischung von paralleler und serieller Codierung zur Verringerung der Redundanz verwendet werden. To reduce the invention uses at least one location of the transmission of the control signals encoding so that no more signal is used for each independently controlled switch, but the control signal states and sub-states represents. In this case, according to the invention, a purely parallel coding, a purely serial coding and a mixture of parallel and serial coding can be used to reduce the redundancy.
In einer rein parallelen Codierung definiert die Gesamtheit aller codierten Signale zu einem bestimmten Zeitpunkt den vollständigen Zustand aller Schalter eindeutig. In einer rein seriellen Codierung liegt lediglich ein Signalkanal vor, dessen Signal als serielles Signal nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern durch die Summe nacheinander übermittelten Signale den Zustand aller Schalter definiert. Die den Zustand aller Schalter bestimmenden nacheinander übermittelten Signale müssen dabei zu dem Zeitpunkt vollständig übermittelt sein, wenn die Schalter den entsprechenden Zustand einnehmen müssen. Die den Zustand aller Schalter bestimmenden nacheinander übermittelten Signale müssen allerdings nicht lückenlos aufeinanderfolgen, sondern können unterbrochen oder ineinander verschränkt (sogenanntes Interleaving) sein, wie dies beispielsweise in der Compact Disc (CD), z. B. gemäß dem Red-Book-Standard, zum Einsatz kommt. Bei einer Mischung von paralleler und serieller Codierung wird der Zustand jedes einzelnen Schalters in mehr als einem Signalkanal und zu mehr als einem Zeitpunkt definiert. Folglich definieren s nacheinander übermittelte Signale auf k parallelen Kanälen den Zustand eines jeden Schalters.In a purely parallel coding, the totality of all coded signals at a certain point in time uniquely defines the complete state of all switches. In a purely serial coding, there is only one signal channel whose signal as a serial signal does not define the state of all switches at a certain point in time, but rather by the sum of signals transmitted in succession. The state of all switches determining successively transmitted signals must be completely transmitted at the time when the switches must take the appropriate state. However, the successive signals which determine the state of all switches do not have to follow one another consecutively, but can be interrupted or interleaved (so-called interleaving), as described, for example, in the compact disc (CD), eg. B. according to the Red Book standard, is used. In a mix of parallel and serial encoding, the state of each individual switch is defined in more than one signal channel and at more than one point in time. Thus, s consecutively transmitted signals on k parallel channels define the state of each switch.
Ferner kann eine Folgencodierung verwendet werden, die ebenso als rein parallele, rein serielle oder gemischt parallel serielle Codierung vorliegen kann. Bei der Folgencodierung wird für die eindeutige Definition des Zustands eines jeden Schalters zudem der Zustand eines jeden Schalters zu einem oder mehreren Zeitpunkten der Vergangenheit benötigt. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Folgencodierung um eine differentielle Codierung, bei dem ein Signal als Differenz zu einem vorhergehenden Signal dargestellt wird. Ferner sind auch kompliziertere Folgencodierungen möglich, die beispielsweise mit Schieberegistern implementiert werden können. Ein Beispiel für eine kompliziertere Folgencodierung sind Reed-Solomon- oder Faltungscodes.Further, sequence coding may be used, which may also be in the form of purely parallel, purely serial or mixed parallel serial coding. In the sequence coding, for the definitive definition of the state of each switch, moreover, the state of each switch at one or more points in time of the past is needed. In the simplest case, the sequence encoding is a differential encoding in which a signal is represented as a difference to a previous signal. Furthermore, more complicated sequence coding is possible, which can be implemented with shift registers, for example. An example of a more complicated sequence encoding is Reed-Solomon or convolutional codes.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung erzeugt die mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine ihr untergeordnete elektronische Schaltung eine Codierung, die weniger Signalleitungen und/oder einer geringerer Datenrate bedarf als die Ansteuerung jedes Schalters mit je einer Leitung aus dem Stand der Technik. Durch die geringere Zahl können die Steuersignale in ihrer Gesamtheit für das vollständige System in einer Steuerungseinheit erzeugt und von dieser trotz deren in der Regel geringer Anzahl von Ein- und Ausgängen elektronisch ausgegeben werden.According to a first aspect of the invention, the at least one control unit or at least one subordinate electronic circuit generates a coding which requires fewer signal lines and / or a lower data rate than the activation of each switch with one line each of the prior art. Due to the lower number, the control signals can be generated in their entirety for the complete system in a control unit and output electronically from this, despite their usually small number of inputs and outputs.
Eine oder mehrere elektronische Schaltungen gelten als einer oder mehreren Steuerungseinheiten untergeordnet, wenn diese eine oder mehreren elektronischen Schaltungen elektrische Steuersignale von der einen oder den mehreren Steuerungseinheiten empfangen und verarbeiten.One or more electronic circuits are considered to be subordinate to one or more control units when these one or more electronic circuits receive and process electrical control signals from the one or more control units.
Ferner können optional ein oder mehrere separate Codierer implementiert werden, welche auf der Basis von Steuerungssignalen der mindestens einen Steuerungseinheit oder mindestens einer ihr untergeordneten elektronischen Schaltung die Codierung in der Form vornimmt, dass dessen mindestens eine Ausgangssignal einer geringeren Datenrate bedarf als eine Ansteuerung jedes Schalters mit je einer Leitung nach dem Stand der Technik.Furthermore, optionally one or more separate encoders can be implemented, which on the basis of control signals of the at least one control unit or at least one subordinate electronic circuit encoding in the form that its at least one output requires a lower data rate than a control of each switch one line each according to the prior art.
Mindestens ein Decoder ermittelt aus dem mindestens einen codierten Signal den erforderlichen Zustand mindestens eines elektrischen Schalters. Ein Decoder im Sinne der Erfindung kann nur einen Teil des mindestens einen Signals empfangen, im Falle über parallele Kanäle übertragener Signale beispielsweise lediglich einige Kanäle, im Falle seriell übertragener Signale beispielsweise durch Auswertung nur weniger Sendesymbole oder Bits aus dem gesamten Datenstrom des mindestens einen Kanals. Im Falle von beispielsweise Kanalmultiplexing gemäß dem Code-Division-Multiplex-Access-Verfahren (CDMA) können nur ein oder wenige der Kanäle aus dem mindestens einen Signal extrahiert werden. Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist ferner, wenn sich der mindestens eine Decoder räumlich nah bei dem mindestens einen Schalter befindet, dessen Zustand der entsprechende Decoder ermittelt. Diese räumliche Nähe kann ferner durch geeignetes Schaltungslayout zur Verminderung von elektromagnetischer Interferenz ergänzt werden.At least one decoder determines from the at least one coded signal the required state of at least one electrical switch. A decoder according to the invention can receive only a part of the at least one signal, in the case of signals transmitted via parallel channels, for example only a few channels, in the case of serially transmitted signals, for example by evaluating only few transmit symbols or bits from the entire data stream of the at least one channel. For example, in the case of channel division multiplexing according to the Code Division Multiplex Access (CDMA) method, only one or a few of the channels can be extracted from the at least one signal. Advantageous in the context of the invention is further, if the at least one decoder is spatially close to the at least one switch whose state determines the corresponding decoder. This spatial proximity can also be supplemented by suitable circuit layout to reduce electromagnetic interference.
Vorteilhafterweise verwendet die Erfindung ein sogenanntes Code-Buch, das jedem benötigten Zustand des Systems oder Teilen des Systems, beispielsweise Modulen, Intermodulverbindungen (umfassend die Schalter eines Moduls und dessen unmittelbaren Nachbarn, d. h. eines Moduls, das elektrisch unmittelbar mit ersterem verschaltet ist, die die direkte elektrische Verbindungen zwischen den elektrischen Energiespeichern der beiden Module herstellen können) eine Codierung bzw. einen Eintrag zuordnet. Der Erfinder hat erkannt, dass ferner in bestimmten Systemen Zustände vorliegen, die nicht nur lediglich selten oder nicht benutzt werden, sondern deren Verwendung aus diversen Gründen, beispielsweise einem unvorteilhaften Energieausgleich oder der Gefahr eines Kurzschlusses eines oder mehrerer Energiespeicher aufgrund gleichzeitiger Aktivierung zweier oder mehrerer Schalter, die einen direkten geschlossenen Stromkreis zwischen den Anschlüssen des oder der genannten Energiespeicher verursachen, oder im Falle der Verwendung in einer Sequenz durch Erzeugung problematischer Übergangszustände, sogar abträglich ist. Gemäß diesem vorteilhaften Aspekt der Erfindung enthält das Code-Buch bevorzugterweise lediglich die Zustände, die zwingend benötigt werden, um die gewünschte Flexibilität der Pulsform bereitzustellen. Sogenannte unerlaubte Zustände, beispielsweise solche Zustände, bei welchen zwei oder mehrere Schalter bei gleichzeitiger oder überlappender Aktivierung einen Energiespeicher kurzschließen, werden nicht ins Code-Buch aufgenommen und sind somit prinzipiell nicht darstellbar. Gegebenenfalls können unerlaubte Zustände gezielt ermittelt und aus dem Code-Buch entfernt werden. Aus der Anzahl der Einträge im Code-Buch ergibt sich die Mindestdatenrate der Signale, welche die mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine dieser untergeordneten elektronischen Schaltungen an die Module übermitteln muss. Diese Signalübermittlung kann entweder rein parallel, rein seriell oder gemischt parallel seriell gemäß obigen Ausführungen erfolgen. Das Code-Buch kann minimal ausgeführt sein, das heißt, dass die minimale in der Regel binäre Wortlänge ermittelt wird, die nötig ist, um alle Einträge des Code-Buchs, somit alle benötigten Zustände, eindeutig darzustellen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann ein Wort rein parallel, rein seriell oder gemischt parallel seriell gemäß obigen Ausführungen elektronisch übertragen werden. Alternativ kann zusätzliche Redundanz hinzugefügt werden, um eine einfache Fehlererkennung oder Fehlerkorrektur zu ermöglichen. Um eine einfache Implementierung zu ermöglichen, werden im Sinne der Erfindung Paritätscodes und Faltungscodes bevorzugt.Advantageously, the invention utilizes a so-called code book covering any required state of the system or parts of the system, for example modules, intermodule connections (comprising the switches of a module and its immediate neighbors, ie a module which is electrically connected directly to the first one direct electrical connections between the electrical energy storage of the two modules can produce) assigns a coding or an entry. The inventor has recognized that further in certain systems there are conditions that are not only rarely or not used, but their use for various reasons, such as a disadvantageous energy balance or the risk of short-circuiting one or more energy stores due to simultaneous activation of two or more switches causing a direct closed circuit between the terminals of one or more energy stores, or even detrimental in the event of use in a sequence by creating problematic transient conditions. According to this advantageous aspect of the invention, the code book preferably only contains the states which are absolutely necessary in order to provide the desired flexibility of the pulse shape. So-called unauthorized states, for example those states in which two or more switches short-circuit an energy store with simultaneous or overlapping activation, are not included in the code book and thus can not be represented in principle. If necessary, unauthorized states can be specifically determined and removed from the code book. The number of entries in the code book results in the minimum data rate of the signals which the at least one control unit or at least one of these subordinate electronic circuits must transmit to the modules. This signal transmission can be done either purely in parallel, purely serial or mixed parallel serial according to the above. The code book can be executed minimally, which means that the minimal, usually binary word length is determined, which is necessary to unambiguously represent all entries of the code book, thus all required states. Without limitation of generality, a word purely in parallel, purely serial or mixed parallel serial can be transmitted electronically according to the above. Alternatively, additional redundancy may be added to allow for easy error detection or correction. To facilitate a simple implementation, parity codes and convolutional codes are preferred for the purposes of the invention.
Wenn beispielsweise im Falle einer binären Übertragung die Anzahl der Einträge im Code-Buch, folglich die Anzahl aller benötigten Zustände, nicht einer Zweierpotenz entspricht, entsteht derartige Redundanz automatisch.If, for example, in the case of a binary transmission, the number of entries in the code book, and consequently the number of required states, does not correspond to a power of two, such redundancy arises automatically.
Die Verwendung eines Code-Buchs mit einer fest definierten maximalen Zahl an Einträgen hat den Vorteil, dass die maximal zu erwartende Datenrate des oder der codierten Signale bekannt und im Sinne der Erfindung niedriger als die maximale Datenrate der decodierten Schaltersteuersignale ist.The use of a code book with a firmly defined maximum number of entries has the advantage that the maximum expected data rate of the coded signal (s) is known and, in the sense of the invention, lower than the maximum data rate of the decoded switch control signals.
Im Sinne der Erfindung können auch andere Quellencodierungsverfahren zur Verminderung der durchschnittlichen Datenrate und/oder der durchschnittlichen Redundanz der codierten Signale zum Einsatz kommen [siehe
Figurenlistelist of figures
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1a zeigt eine Makrotopologie des modularen Multilevel-Umrichters mit serieller und paralleler Konnektivität (M2SPC) aus dem Stand der Technik.1a FIG. 12 shows a macro topology of the modular multi-level serial and parallel connectivity (M2SPC) converter of the prior art. -
1b zeigt eine Makrotopologie des modularen Multilevel-Umrichters mit serieller Konnektivität (M2C) aus dem Stand der Technik.1b shows a macro topology of the modular multilevel converter with serial connectivity (M2C) from the prior art. -
2a zeigt vier beispielhafte Switched-Capacitor-Technologien201 ,202 ,203 ,204 .2a shows four exemplary switchedcapacitor technologies 201 .202 .203 .204 , -
2b zeigt drei typische Modultypen des modularen Multilevel-Umrichters M2C.2 B shows three typical module types of the modular multilevel inverter M2C. -
2c zeigt drei typische Modultypen des modularen Multilevel-Umrichters M2SPC, die neben einer seriellen auch mindestens eine parallele elektrische Konnektivität zwischen Modulen erlauben.2c shows three typical module types of the modular multilevel inverter M2SPC, which allow in addition to a serial and at least one parallel electrical connectivity between modules. -
3 zeigt eine alternative Makrotopologie zur Verschaltung von Modulen und einer beispielhaften Last L 305, die jegliches elektrisches Verhalten aufweisen kann.3 shows an alternative macro topology for interconnecting modules and anexemplary load L 305, which may have any electrical behavior. -
4 stellt zwei beispielhafte Modulschaltungen401 ,402 eines modularen Multilevel-Converters dar.4 illustrates twoexemplary module circuits 401 .402 a modular multilevel converter. -
5 zeigt zwei benachbarte Module gemäß der Erfindung.5 shows two adjacent modules according to the invention. -
6 zeigt fünf typische Zustände einer besonderen Ausführungsform, in der die Zustände je Intermodulverbindung codiert werden, mit der notwendigen Schalterstellung sowie als Äquivalenzbild.6 Figure 5 shows five typical states of a particular embodiment in which the states are coded per inter-module connection, with the necessary switch position, and as an equivalence picture. -
7 zeigt vier typische Zustände einer besonderen Ausführungsform, in der die Zustände je Intermodulverbindungsuntereinheit codiert werden.7 Figure 4 shows four typical states of a particular embodiment in which the states are coded per inter-module connection subunit. -
8 zeigt zwei beispielhafte Codierungen besonderer Ausführungsformen der Erfindung, bei der die Zustände je Intermodulverbindung codiert werden.8th Figure 2 shows two exemplary codings of particular embodiments of the invention in which the states are coded per inter-module connection. -
9 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, die mindestens eine Steuerungseinheit901 , mindestens einen galvanisch trennenden Signalübertrager905 , mindestens einen Decoder907 und mindestens zwei Module910 , die jeweils mindestens einen elektronischen Schalter und mindestens einen Energiespeicher enthalten, umfasst.9 shows a particular embodiment of the invention, the at least one control unit901 , at least one galvanically isolatingsignal transmitter 905 , at least one decoder907 and at least two modules910 , each comprising at least one electronic switch and at least one energy storage comprises. -
10 stellt eine besondere Ausführungsform der Erfindung dar, in der die codierten Steuersignale1004 zuerst von mindestens einem Decoder1007 decodiert, bevor die decodierten Signale1006 von mindestens einem galvanisch trennenden Übertrager1007 vom Spannungsniveau mindestens der mindestens einen Steuerungseinheit1001 isoliert werden.10 represents a particular embodiment of the invention, in which the codedcontrol signals 1004 first of at least onedecoder 1007 decoded before the decodedsignals 1006 of at least one galvanically isolatingtransformer 1007 from the voltage level of at least the at least onecontrol unit 1001 be isolated. -
11 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, in der mindestens ein Decoder1108 in mindestens ein Modul1109 integriert ist.11 shows a particular embodiment of the invention, in which at least onedecoder 1108 in at least onemodule 1109 is integrated. -
12 zeigt eine besondere Ausführungsform, die ferner mindestens einen Kanalcodierer1212 und mindestens einen Kanaldecodierer1215 umfasst.12 shows a particular embodiment, further comprising at least onechannel coder 1212 and at least onechannel decoder 1215 includes. -
13 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform, die auf den mindestens einen optionalen Encoder verzichtet.13 shows an example of an embodiment that dispenses with the at least one optional encoder. -
14 zeigt eine besondere Ausführungsform, bei der mindestens ein galvanisch trennender Übertrager1405 je Modul, je Intermodulverbindung oder je Intermodulverbindungsuntereinheit vorliegt, beispielsweise auch in das jeweilige Modul integriert.14 shows a particular embodiment in which at least one galvanically isolatingtransformer 1405 per module, per inter-module connection or per inter-module connection subunit, for example also integrated into the respective module.
Detailbeschreibung und besondere AusführungsformenDetailed description and special embodiments
Eine Vorrichtung, beispielsweise leistungselektronische Stromversorgungen, elektrische Umrichter, elektrische Wechselrichter, Energieübertragungssysteme, batterieintegrierte Umrichter sowie Batteriesysteme mit der Möglichkeit des Wechsels der elektrischen Verschaltung von Batterieuntereinheiten gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens ein Anschlusspaar für mindestens eine elektrische Last, Energiequelle, Energiespeicher, eine Mischung letzterer oder für mindestens ein elektrisches Energienetz und wenigstens drei gleichartige Module, die jeweils mehrere Schaltzustände einnehmen können.A device, for example power electronic power supplies, electrical converters, electrical inverters, energy transmission systems, battery integrated converters and battery systems with the possibility of changing the electrical interconnection of battery subunits according to a first embodiment of the invention comprises at least one connection pair for at least one electrical load, energy source, energy storage, a Mixture of the latter or for at least one electric power grid and at least three similar modules, each of which can assume a plurality of switching states.
In
Wie der Erfinder ferner erkannt hat, lassen sich Switched-Capacitor-Technologien in gleichartige oder ähnlichartige Module unterteilen
Zwei beispielhafte Modulschaltungen
Benachbarte Module, beispielsweise des modularen Multilevel-Converters M2C, innerhalb eines Converterarms, folglich einer Modulkette, werden, wie in
Eine besondere Ausführungsform, die in
Eine besondere Ausführungsform, die in
Die Zustände können ebenso je Intermodulverbindung codiert werden wie die zwei beispielhaften Codierungen in
Wird dagegen auf den Zustand passiv für die Intermodulverbindung verzichtet, wie im Beispiel 801, liegen im Code-Buch je Intermodulverbindung vier Zustände vor, die binär zwei Bits zur eindeutigen Darstellung benötigen. Während die Codewörter für die eindeutige Beschreibung des Zustands der Intermodulverbindung kürzer sind als in der teilunabhängigen Codierung
Die Reihenfolge der Bits kann ohne Einschränkung der Allgemeinheit beliebig vertauscht werden. Ebenso kann der Code invertiert werden, was bedeutet, dass 0 und 1 vertauscht werden.The order of the bits can be arbitrarily changed without restriction of generality. Likewise, the code can be inverted, which means that 0 and 1 are reversed.
Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und deren Topologien sind in den
Diese Steuerungseinheit sendet elektrische Signale
Wie in allen Ausführungsformen der Erfindung können die elektrischen Signalverbindungen und Busse
Mindestens ein galvanisch trennender Signalübertrager
Optional kann zwischen der mindestens einen Steuerungseinheit
Die Reihenfolge des optionalen mindestens einen Encoders
Die elektrische Leistungsverbindung
Eine weitere besondere Ausführungsform, die in
Wie
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Passiv-Zustand im Code so dargestellt, dass er dem Zustand entspricht, der von dem oder den Decodern ermittelt würde, wenn die mindestens eine Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung nicht funktionsbereit ist. Die mindestens eine Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung sind insbesondere nicht funktionsbereit, wenn diese nicht mit der spezifizierten Spannung versorgt werden, wenn sie sich im Reset-Modus befinden oder einen Fehler detektiert und eine Notabschaltung veranlasst haben.In a particular embodiment of the invention, the passive state in the code is represented as corresponding to the state that would be detected by the decoder (s) if the at least one control unit or the at least one encoding subordinate electronic circuit is not functional , In particular, the at least one control unit or the at least one coding subordinate electronic circuit thereof are not functional if they are not supplied with the specified voltage, if they are in the reset mode or have detected an error and caused an emergency shutdown.
Im Falle eines Steuerungsbusses mit sogenanntem Pull-down-Widerstand, wäre dies beispielsweise ein dauerhaftes Low-Signal auf allen vorhandenen Kanälen. Im Falle eines Steuerungsbusses mit sogenanntem Pull-up-Widerstand, wäre dies beispielsweise ein dauerhaftes High-Signal auf allen vorhandenen Kanälen. Der Erfinder hat erkannt, dass dies besonders vorteilhaft ist. Wenn eine Fehlerabschaltung während des Betriebs erfolgt, stellt der Bypass-Zustand aller oder mehrerer Module die schnellste Art dar, Reaktanzströme an den Converteranschlüssen (beispielsweise 102 und 103) zu entladen, da die in der Regel implementierten Gleichrichterdioden in den Modulen den Strom mit der maximal möglichen Spannung abbauen und die Energie in die Energiespeicher überführen. Gleichzeitig wird bei der Initialisierung des Systems, sollten die Module vor der mindestens einen Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung erst nach den Modulen oder deren Decoder oder Decodern einsatzbereit sein, vom System keine Energie abgegeben.For example, in the case of a control bus with so-called pull-down resistance, this would be a permanent low signal on all existing channels. In the case of a control bus with so-called pull-up resistor, this would be, for example, a permanent high signal on all existing channels. The inventor has realized that this is particularly advantageous. If a fault trip occurs during operation, the bypass state of all or more modules is the fastest way to discharge reactance currents at the converter terminals (eg, 102 and 103), since the typically implemented rectifier diodes in the modules will handle the maximum current reduce possible voltage and transfer the energy into the energy storage. At the same time, when the system is being initialized, if the modules in front of the at least one control unit or the at least one coding subordinate electronic circuit are ready for use only after the modules or their decoders or decoders, no energy is released from the system.
Alternativ wird in einer besonderen Ausführungsform der Bypass-Zustand, in dem die Spannung von 0 V zwischen mindestens zwei Modulanschlüssen erzwungen wird, im Code so dargestellt, dass er dem Zustand entspricht, der von dem oder den Decodern ermittelt würde, wenn die mindestens eine Steuerungseinheit oder die mindestens eine die Codierung vornehmende ihr untergeordnete elektronische Schaltung nicht funktionsbereit ist. Im Falle eines Fehlers wird jeglicher noch fließender Strom aufgrund von in einer am Converter angeschlossenen Last, Quelle, Speicher, Übertragungsleitung oder anderen elektrischen Elementen gespeicherter magnetischer Energie am Innenwiderstand der Spule und der übrigen Schaltung abgebaut. Der Erfinder hat erkannt, dass dieser Zustand den Vorteil besitzt, dass hierdurch die Spannung an Anschlüssen des Converters, die im Fehlerfall möglicherweise an der Isolierung beschädigt und deshalb von einem Benutzer berührt werden könnten, minimiert werden kann. Darüber hinaus wird die Energie in Wärme umgewandelt und liegt damit nicht mehr in elektrischer Form vor. Aus Gründen der Sicherheit kann dies gegenüber einer Speicherung in elektrischen Speichern in potentiell defekten oder von einer defekten Steuerungseinheit kontrollierten Modulen vorteilhaft sein.Alternatively, in a particular embodiment, the bypass state, in which the voltage of 0 V is forced between at least two module terminals, is represented in the code as corresponding to the state that would be detected by the decoder (s), if the at least one control unit or the at least one coding making subordinate electronic circuit is not functional. In the event of a fault, any current still flowing will be dissipated at the internal resistance of the coil and the rest of the circuit due to the stored magnetic energy stored in a load, source, memory, transmission line or other electrical elements connected to the converter. The inventor has recognized that this state has the advantage that it can minimize the voltage at terminals of the converter which, in the event of a fault, could possibly be damaged by the insulation and therefore touched by a user. In addition, the energy is converted into heat and is therefore no longer in electrical form. For safety reasons, this may be advantageous over storage in electrical storage in potentially defective or controlled by a defective control unit modules.
In einer besonderen Ausführungsform werden zumindest einige Signale nicht binär, also mit zwei unterschiedlichen elektrischen Symbolen, beispielsweise <high> und <low> oder <positiv> und <negativ> oder <niederohmig> und <hochohmig> abgebildet, sondern unter Verwendung höherstufiger Modulierverfahren mit mehr als zwei Symbolen, beispielsweise mehrerer unterschiedlicher Spannungsniveaus, oder anderer bekannter Übertragungsverfahren wie Phase-Shift-Keying, Quadratur-Amplitude-Modulation oder dergleichen dargestellt.In a particular embodiment, at least some signals are not binary, ie with two different electrical symbols, for example <high> and <low> or <positive> and <negative> or <low-impedance> and <high-impedance>, but using higher-level modulation methods more than two symbols, for example a plurality of different voltage levels, or other known transmission methods such as phase shift keying, quadrature amplitude modulation or the like.
In einer besonderen Ausführungsform sind Encoder und Decoder in der mindestens einen Steuerungseinheit oder in mindestens einer jener untergeordneten elektronischen Schaltung implementiert.In a particular embodiment, encoders and decoders are implemented in the at least one control unit or in at least one of those subordinate electronic circuits.
In einer besonderen Ausführungsform werden die jeweiligen Funktionen des mindestens eines Encoders und/oder des mindestens eines Decoders in der mindestens einen Steuerungseinheit oder in mindestens einer jener untergeordneten elektronischen Schaltung dargestellt, wobei es sich bei der mindestens einen Steuerungseinheit oder der mindestens einen jener untergeordneten elektronischen Schaltung um eine programmierbare Steuerung, folglich beispielsweise einen Mikroprozessor, eine speicherprogrammierbare Steuerung, einen Signalprozessor, ein Field-Programmable Gate-Array (FPGA), ein Complex Programmable Logic-Device (CPLD), einen Programmable-Array-Logic-Baustein (PGA) oder eine vergleichbare Schaltung handelt.In a particular embodiment, the respective functions of the at least one encoder and / or the at least one decoder are represented in the at least one control unit or in at least one of those subordinate electronic circuits, wherein the at least one control unit or the at least one of those subordinate electronic circuits a programmable controller, thus, for example, a microprocessor, a programmable logic controller, a signal processor, a Field Programmable Gate Array (FPGA), a Complex Programmable Logic Device (CPLD), a programmable array logic device (PGA) or a comparable circuit is.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden im Vergleich zu der vorgenannten besonderen Ausführungsform die jeweiligen Funktionen sowohl mindestens eines Encoders als auch mindestens eines Decodierers in der mindestens einen Steuerungseinheit oder in mindestens einer letzterer untergeordneten elektronischen Schaltung dargestellt, wobei es sich bei der mindestens einen Steuerungseinheit oder der mindestens einen letzterer untergeordneten elektronischen Schaltung um eine programmierbare Steuerung handelt. In a particularly preferred embodiment, the respective functions of both at least one encoder and at least one decoder in the at least one control unit or in at least one latter subordinate electronic circuit are shown in comparison to the aforementioned particular embodiment, wherein the at least one control unit or the at least one latter subordinate electronic circuit is a programmable controller.
In einer besonderen Ausführungsform verfügt die Erfindung über keinen Encoder, obwohl codierte Signale zur Steuerung verwendet werden, folglich Signale, die beispielsweise geringere Redundanz oder eine geringere Datenlänge als die Zustandssignale der Menge der Schalter, beispielsweise der Gatesignale bei Transisoren, aufweisen. In dieser besonderen Ausführungsform erzeugt mindestens eine Steuerungseinheit oder mindestens eine letzterer untergeordnete elektronische Schaltung unmittelbar codierte Signale, die von mindestens einem Decoder in Steuersignale für mindestens einen Schalter der Module umgewandelt wird.In a particular embodiment, the invention has no encoder, although encoded signals are used for control, thus signals having, for example, less redundancy or less data length than the state signals of the set of switches, for example the gate signals in transients. In this particular embodiment, at least one control unit or at least one latter subordinate electronic circuit generates directly coded signals which are converted by at least one decoder into control signals for at least one switch of the modules.
Der Erfinder hat erkannt, dass eine Steuerung auf der Basis der codierten Zustände erfolgen kann. Es kann eine Algebra mit den Zuständen von Modulen, Intermodulverbindungen, Intermodulverbindungsuntereinheiten und anderen Gruppierungen mehrerer Schalter entwickelt werden, die es beispielsweise Pulsweitenmodulatoren und andere Schaltmodulatoren erlaubt, ohne Umweg über einen dezidierten Encoder direkt codierte Signale zu erzeugen. Die direkte Erzeugung von codierten Signalen im Sinne der Erfindung, ohne die Nutzung separater Encoder, schränkt die Erfindung nicht ein. Ein wichtiges Merkmal dieses Aspekts der Erfindung ist nicht die Codierung sondern die Verwendung mindestens eines codierten Signals zur Steuerung mindestens eines Schalters mindestens eines Moduls.The inventor has recognized that control can be based on the coded states. Algebra may be developed with the states of modules, inter-module connections, inter-module connection sub-units, and other groupings of multiple switches that allow, for example, pulse width modulators and other switching modulators to generate directly encoded signals without detour via a dedicated encoder. The direct generation of coded signals according to the invention, without the use of separate encoders, does not limit the invention. An important feature of this aspect of the invention is not the coding but the use of at least one coded signal for controlling at least one switch of at least one module.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Schalter mindestens eines Moduls nicht durch ein codiertes Signal von mindestens einer Steuerungseinheit oder mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung sondern durch ein den Zustand des Schalters direkt widerspiegelndes elektronisches Signal - beispielsweise ein binäres Signal mit einem den sperrenden Zustand und einem den leitenden Zustand repräsentierenden Symbol - von mindestens einer Steuerungseinheit oder mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung gesteuert, während mindestens ein anderer Schalter mindestens eines Moduls durch ein im Sinne der Erfindung codiertes Signal von mindestens einer Steuerungseinheit oder mindestens einer letzterer untergeordneter elektronischer Schaltung angesteuert ist.In a particular embodiment of the invention, at least one switch of at least one module is not characterized by a coded signal from at least one control unit or at least one latter subordinate electronic circuit but by an electronic signal directly reflecting the state of the switch - for example, a binary signal having a blocking state and a symbol representing the conductive state - controlled by at least one control unit or at least one latter subordinate electronic circuit, while at least one other switch of at least one module is driven by a signal encoded in accordance with the invention by at least one control unit or at least one latter subordinate electronic circuit ,
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Redundanz der codierten Steuersignale
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besitzen die codierten Signale eine bekannte endliche maximale Datenrate, die ferner geringer ist als die maximale Datenrate der uncodierten oder decodierten Schaltersteuersignale.In a particular embodiment of the invention, the coded signals have a known finite maximum data rate which is also less than the maximum data rate of the uncoded or decoded switch control signals.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der mindestens eine Decodierer mindestens einen programmierbaren Logikbaustein, beispielsweise einen Programmable-Array-Logic-Baustein (PGA), ein Complex-Programmable-Logic-Device (CPLD), ein Field-Programmable Gate-Array (FPGA) oder eine vergleichbare Schaltung, die in der Lage ist, mindestens einkanalige elektronische Logikfunktionen zu implementieren.In one embodiment of the invention, the at least one decoder comprises at least one programmable logic device, for example a programmable array logic device (PGA), a complex programmable logic device (CPLD), a field programmable gate array (FPGA). or a comparable circuit capable of implementing at least single-channel electronic logic functions.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst mindestens ein Encoder mindestens einen programmierbaren Logikbaustein.In a further embodiment, at least one encoder comprises at least one programmable logic module.
In einer besonderen Ausführungsform ist der genannte mindestens eine programmierbare Logikbaustein so ausgestaltet, dass der Zustand mindestens eines dessen elektronischen Eingangssignale zu einem bestimmten Zeitpunkt alle elektronische Ausgangssignale des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins vollständig definiert.In a particular embodiment, said at least one programmable logic module is designed so that the state of at least one of its electronic input signals at a certain time completely defines all the electronic output signals of the at least one programmable logic module.
In einer besonderen Ausführungsform ist der genannte mindestens eine programmierbare Logikbaustein so ausgestaltet, dass der Zustand mindestens eines elektronischen Ausgangssignals des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins durch dessen elektronische Eingangssignale zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht vollständig definiert, aber durch dessen elektronische Eingangsignale zu mindestens zwei bestimmten Zeitpunkten vollständig definiert ist.In a particular embodiment, said at least one programmable logic module is designed so that the state of at least one electronic output signal of the at least one programmable logic module by its electronic input signals to is not completely defined at a certain point in time, but is completely defined by its electronic input signals at least two specific times.
In einer besonderen Ausführungsform ist der genannte mindestens eine programmierbare Logikbaustein so ausgestaltet, dass der Zustand mindestens eines elektronischen Ausgangssignals des mindestens einen programmierbaren Logikbausteins neben dem Zustand mindestens eines Eingangssignals zu mindestens einem Zeitpunkt ferner von mindestens einem Zustand mindestens eines elektronischen Ausgangssignals der Vergangenheit beeinflusst wird.In a particular embodiment, said at least one programmable logic module is configured such that the state of at least one electronic output signal of the at least one programmable logic module is influenced by at least one state of at least one electronic output signal of the past in addition to the state of at least one input signal at least one time point.
In einer besonderen Ausführungsform ist mindestens einer der genannten ggf. mehreren programmierbaren Logikbausteine genau einmal programmierbar, d. h. so veränderbar, dass er die für seinen Betrieb notwendige oder vorteilhafte Logikfunktion, die den Zusammenhang des mindestens einen Ausgangssignals und des mindestens einen Eingangssignals beschreibt, dauerhaft annimmt.In a particular embodiment, at least one of said possibly multiple programmable logic devices is programmed exactly once, d. H. so changeable that it permanently assumes the necessary or advantageous for its operation logic function that describes the relationship between the at least one output signal and the at least one input signal.
In einer besonderen Ausführungsform ist mindestens einer der genannten ggf. mehreren programmierbaren Logikbausteine mehrmals programmierbar. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da die Codierung und Kommunikation mit mindestens einer Steuereinheit von Geräten im Feld geändert werden können, um sie beispielsweise mit einer vorteilhafteren Encodierung oder Decodierung zu versehen, in ihrer Flexibilität zu erweitern, in ihrem Steuerverhalten zu verändern oder das Code-Buch zu verändern. Ferner können die Bauteile auf diese Weise durch eine Programmierung sehr einfach für einen zweiten Zweck (sog. second life) in einem anderen Produkt oder einem anderen Produkttyp, beispielsweise einer energietechnischen, einer medizintechnischen oder einer automobilen Anwendung, angepasst und eingesetzt werden.In a particular embodiment, at least one of said plurality of programmable logic modules may be programmed several times. This embodiment is particularly advantageous since the coding and communication with at least one control unit can be changed by devices in the field, for example to provide them with a more advantageous encoding or decoding, to increase their flexibility, to change their control behavior or to change the code Change book. Furthermore, the components can be adapted and used in this way by programming very easily for a second purpose (so-called second life) in another product or another product type, for example an energy technology, a medical technology or an automotive application.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform verfügen mindestens zwei der Module neben einem Seriellzustand, in welchem sich die elektrischen Energiespeicher zweier oder mehrerer Module zeitweise elektrisch in Serie verschalten lassen, notwendigerweise einen Parallelzustand, in welchem sich die elektrischen Energiespeicher zweier oder mehrerer Module zeitweise elektrisch parallel miteinander verschalten lassen.In a particularly preferred embodiment, at least two of the modules in addition to a serial state, in which the electrical energy storage of two or more modules temporarily interconnect electrically in series, necessarily a parallel state in which connect the electrical energy storage of two or more modules temporarily electrically parallel to each other to let.
Modulweise CodierungModule-wise coding
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Signale mindestens dreier Module unabhängig voneinander codiert. Dies bedeutet, dass die Decodierung der codierten Steuersignale, folglich die Ermittlung, welche Schalter des Moduls zu aktivieren sind, keiner Information über den Zustand anderer Module bedarf. Folglich können die Signale physikalisch von anderen Modulen getrennt, beispielsweise durch eigenständige parallele den jeweiligen Modulen zugeordnete Datenleitungen übertragen werden. Bevorzugterweise besitzt jedes Modul mindestens eine dezidierte, ihm zugeordnete Datenleitung ausgehend von der mindestens einen Steuerungseinheit oder von der mindestens einen die Codierung durchführenden ihr untergeordneten elektrischen Schaltung, über die die das Modul steuernden codierten Signale zu besagtem Modul übertragen werden.In a particular embodiment of the invention, the signals of at least three modules are coded independently of each other. This means that the decoding of the coded control signals, consequently the determination of which switches of the module are to be activated, does not require any information about the status of other modules. Consequently, the signals may be physically separated from other modules, for example, by independent parallel data lines associated with the respective modules. Preferably, each module has at least one dedicated data line assigned to it starting from the at least one control unit or from the at least one coding circuit of its subordinate electrical circuit via which the coded signals controlling the module are transmitted to said module.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der vorgenannten Ausführungsform maximal vier Zustände {bypass, seriell positiv, seriell negativ, passiv};
wobei im Bypass-Zustand mindestens ein Energiespeicher des Moduls nicht elektrisch mit einem der Nachbarmodule verbunden wird;
wobei im Seriell-Positiv-Zustand mindestens ein Energiespeicher des Moduls mit einer vorher festgelegten Polarität so mit den beiden Nachbarmodulen elektrisch verbunden wird, dass der eine Kontakt des Energiespeichers mit einem Nachbarmodul und der andere Kontakt des Energiespeichers mit dem anderen Nachbarmodul elektrisch verbunden wird; wobei im Seriell-Negativ-Zustand mindestens ein Energiespeicher des Moduls mit gegenüber dem Seriell-Positiv-Zustand umgekehrter Polarität so mit den beiden Nachbarmodulen elektrisch verbunden wird, dass der eine Kontakt des Energiespeichers mit einem Nachbarmodul und der andere Kontakt des Energiespeichers mit dem anderen Nachbarmodul elektrisch verbunden wird;
wobei im Passiv-Zustand die Schalter des Moduls entweder deaktiviert sind und lediglich Freilaufdioden Strom leiten oder alternativ die Schalter als Gleichrichter betrieben werden (sogenannter synchronous rectifier).In a particularly preferred embodiment, the code book of the aforementioned embodiment contains a maximum of four states {bypass, serial positive, serial negative, passive};
wherein in the bypass state at least one energy storage of the module is not electrically connected to one of the neighboring modules;
wherein, in the serial-positive state, at least one energy store of the module having a predetermined polarity is electrically connected to the two neighboring modules such that one contact of the energy store is electrically connected to a neighboring module and the other contact of the energy store is electrically connected to the other neighbor module; wherein in the serial negative state at least one energy storage of the module with respect to the serial-positive state reversed polarity is electrically connected to the two neighboring modules, that one contact of the energy storage with a neighboring module and the other contact of the energy storage with the other neighboring module is electrically connected;
wherein in the passive state, the switches of the module are either disabled and only free-wheeling diodes conduct electricity or alternatively the switches are operated as a rectifier (so-called synchronous rectifier).
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform zusätzlich folgende Zustände {parallel Seite A und seriell positiv Seite B, parallel Seite A und seriell negativ Seite B, parallel Seite A und parallel Seite B, seriell positiv Seite A und parallel Seite B, seriell negativ Seite A und parallel Seite B};
wobei im Zustand <parallel Seite X und seriell positiv Seite Y> die Schalter der Seite X des Moduls so aktiviert werden, dass mindestens ein Energiespeicher des Moduls parallel mit dem Energiespeicher des unmittelbar an der Seite X benachbarten Moduls elektrisch verbunden ist und ein vorab definierter Kontakt des genannten Energiespeichers, beispielsweise der positive, mit dem unmittelbar an der Seite Y benachbarten Modul elektrisch verbunden ist;
wobei im Zustand <parallel Seite X und seriell negativ Seite Y> die Schalter der Seite X des Moduls so aktiviert werden, dass mindestens ein Energiespeicher des Moduls parallel mit dem Energiespeicher des unmittelbar an der Seite X benachbarten Moduls elektrisch verbunden ist und der andere Kontakt des genannten Energiespeichers, beispielsweise der negative, mit dem unmittelbar an der Seite Y benachbarten Modul elektrisch verbunden ist;
wobei im Zustand <parallel Seite X und parallel Seite Y> die Schalter des Moduls so aktiviert werden, dass mindestens ein Energiespeicher des Moduls parallel mit mindestens je einem Energiespeicher beider benachbarter Module elektrisch verbunden ist,
und wobei X und Y jeweils entweder A oder B sein können.In a further particularly preferred embodiment, the code book of the above embodiment additionally contains the following states {parallel side A and serial positive side B, parallel side A and serial negative side B, parallel side A and parallel side B, serial positive side A and parallel side B, serial negative side A and parallel side B};
where in the state <parallel side X and serial positive side Y> the switches of side X of the module so be activated, that at least one energy storage of the module is electrically connected in parallel with the energy storage of the immediately adjacent to the side module X and a predefined contact of said energy storage, for example, the positive, is electrically connected to the immediately adjacent to the side Y module;
wherein in the state <parallel side X and serial negative side Y> the switches of the side X of the module are activated so that at least one energy storage of the module is electrically connected in parallel with the energy storage of the immediately adjacent to the side X module and the other contact of the said energy storage, for example, the negative, is electrically connected to the immediately adjacent to the side Y module;
wherein in the state <parallel side X and parallel side Y> the switches of the module are activated such that at least one energy store of the module is electrically connected in parallel with at least one energy store of both adjacent modules,
and wherein X and Y may each be either A or B.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der unmittelbar vorgenannten darin, dass das Code-Buch notwendigerweise keinen passiv-Zustand enthält. Dadurch entspricht die Anzahl der Zustände einer Zweierpotenz und kann sehr datenarm auf binären Kanälen oder Datenbussen übertragen werden. Der Erfinder hat erkannt, dass der passiv-Zustand zur Herstellung der Flexibilität hinsichtlich der Wellenform von Spannungen und/oder Strömen nicht notwendig ist und dessen Funktion durch andere Modulzustände abgebildet werden kann.Another particularly preferred embodiment of the invention differs from the immediately above in that the code book necessarily does not contain a passive state. As a result, the number of states corresponds to a power of two and can be transmitted with very little data on binary channels or data buses. The inventor has recognized that the passive state is not necessary to provide flexibility with respect to the waveform of voltages and / or currents, and its function can be mapped by other module states.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform verwendet mindestens zwei Bypass-Zustände, wobei sich ein zweiter Bypass-Zustand, der hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit als bypassinvers-Zustand bezeichnet wird, von einem ersten Bypass-Zustand durch Invertierung mindestens zweier elektronischer Schalter unterscheidet, wodurch in diesem zweiten Bypass-Zustand ebenfalls mindestens ein Energiespeicher des Moduls nicht elektrisch mit einem der Nachbarmodule verbunden wird, obwohl der Strom andere elektronische Schalter durchfließt.Another particularly preferred embodiment uses at least two bypass states, wherein a second bypass state, which is referred to herein without restriction of the general public as a bypass inverse state, from a first bypass state by inverting at least two electronic switch is different, thereby in this second bypass state also at least one energy storage of the module is not electrically connected to one of the neighboring modules, although the current flows through other electronic switch.
Intermodulverbindungsweise CodierungIntermodule connection method Coding
Die oben beschriebene Codierung je Modul zeigt sich insbesondere gut geeignet, wenn bei der Ansteuerung lediglich seriell-, bypass- und passiv-Zustände aber keine parallel-Zustände verwendet werden. Dies kann zur Ursache haben, dass sie für die Anwendung nicht benötigt werden oder sie vom verwendeten Modultyp nicht implementiert werden (siehe beispielsweise der Modultyp mit dem Bezugszeichen
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Signale jeder Intermodulverbindung unabhängig voneinander codiert. Dies bedeutet, dass die Decodierung der codierten Steuersignale, folglich die Ermittlung, welche Schalter des Moduls zu aktivieren sind, keiner Information über den Zustand anderer Intermodulverbindungen bedarf. Eine Intermodulverbindung umfasst nur diejenigen Schalter der zwei durch die Intermodulverbindung miteinander verbundenen Module, die für die Darstellung aller elektrischen Verbindungszustände der Energiespeicher der beiden besagten Module notwendig sind. Aufgrund der Unabhängigkeit von anderen Intermodulverbindungen können die Steuersignale der individuellen Intermodulverbindungen physikalisch getrennt, beispielsweise durch eigenständige parallele den jeweiligen Intermodulverbindungen zugeordneten Datenleitungen übertragen werden.In a particular embodiment of the invention, the signals of each intermodule connection are independently coded. This means that the decoding of the coded control signals, consequently the determination of which switches of the module are to be activated, does not require any information about the status of other intermodule connections. An inter-module connection comprises only those switches of the two modules interconnected by the inter-module connection, which are necessary for the representation of all electrical connection states of the energy stores of the two said modules. Due to the independence of other intermodule connections, the control signals of the individual intermodule connections can be physically separated, for example, transmitted by independent parallel data lines assigned to the respective intermodule connections.
Bevorzugterweise erhält jede Intermodulverbindung mindestens eine dezidierte, ihm zugeordnete Datenleitung von der mindestens einen Steuerungseinheit oder von der mindestens einen die Codierung durchführenden ihr untergeordneten elektrischen Schaltung, über die die das Modul steuernden codierten Signale zu besagtem Modul übertragen werden. Besonders bevorzugt erhält jede Intermodulverbindung mindestens zwei dezidierte, ihm zugehörige Datenleitungen, von welchen mindestens eine Datenleitung lediglich den zu einem der beiden Module gehörigen Teil der Intermodulverbindung (sogenannte Intermodulverbindungsuntereinheit) mit Signalen versorgt.Preferably, each intermodule connection receives at least one dedicated data line assigned to it from the at least one control unit or from the at least one encoding circuit of its subordinate electrical circuit via which the coded signals controlling the module are transmitted to said module. Particularly preferably, each intermodule connection receives at least two dedicated data lines belonging to it, of which at least one data line only supplies the part of the intermodule connection belonging to one of the two modules (so-called intermodule connection subunit) with signals.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform für eine Intermodulverbindung maximal vier Zustände {bypass, seriell positiv, seriell negativ, passiv};
wobei im Bypass-Zustand lediglich einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers mindestens eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit dem äquivalenten elektrischen Anschluss des mindestens einen Energiespeichers mindestens eines anderen von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch leitend verbunden wird, beispielsweise werden lediglich die negativen Anschlüsse der Energiespeicher elektrisch verbunden, während die positiven elektrisch unverbunden bleiben;
wobei im Seriell-Positiv-Zustand ein vorher festgelegter elektrischer Anschluss (beispielsweise der positive) mindestens eines Energiespeichers eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit dem nichtäquivalenten (in obigem Beispiel folglich nun der negative) elektrischen Anschluss mindestens eines anderen der von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch leitend verbunden wird;
wobei der Seriell-Negativ-Zustand das Inverse zum Seriell-Positiv-Zustand bildet und folglich ein vorher festgelegter elektrischer Anschluss (beispielsweise der negative) mindestens eines Energiespeichers eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit dem nichtäquivalenten (in obigem Beispiel folglich nun der positive) elektrischen Anschluss mindestens eines anderen der von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch leitend verbunden wird und die elektrisch verbundenen elektrischen Anschlüsse der verbundenen Energiespeicher nicht denen des Seriell-Positiv-Zustands entsprechen; wobei im Passiv-Zustand die Schalter der Intermodulverbindung entweder deaktiviert sind und lediglich Freilaufdioden Strom leiten oder alternativ die Schalter als Gleichrichter betrieben werden (sogenannter synchronous rectifier).In a particularly preferred embodiment, the code book of the above-mentioned embodiment contains a maximum of four states {bypass, serial positive, serial negative, passive} for an intermodule connection;
wherein, in the bypass state, only one of the two electrical connections of at least one energy store at least one of the modules connected by the intermodule connection with the equivalent electrical connection of the at least one Energy storage of at least one other module connected by the intermodule connection is electrically connected, for example, only the negative terminals of the energy storage are electrically connected, while the positive remain electrically disconnected;
wherein in the serial-positive state, a predetermined electrical connection (eg, the positive) of at least one energy store of one of the modules connected by the inter-module connection and the non-equivalent (in the above example therefore now the negative) electrical connection of at least one other of the modules connected by the inter-module connection electrically connected;
wherein the serial-negative state forms the inverse to the serial-positive state and consequently a predetermined electrical connection (for example the negative) of at least one energy store of one of the modules connected by the intermodule connection with the non-equivalent (in the above example therefore now the positive) electrical connection of at least one other of the modules connected by the intermodule connection is electrically connected and the electrically connected electrical connections of the connected energy stores do not correspond to those of the serial-positive state; wherein in the passive state the switches of the intermodule connection are either deactivated and only free-wheeling diodes conduct current or, alternatively, the switches are operated as a rectifier (so-called synchronous rectifier).
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch der voranstehend genannten Ausführungsform zusätzlich mindestens einen Parallel-Zustand für die Intermodulverbindung;
wobei der Parallel-Zustand die Schalter der Intermodulverbindung so aktiviert, dass mindestens ein Energiespeicher eines der von der Intermodulverbindung verbundenen Module mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen der von der Intermodulverbindung verbundenen Module elektrisch parallel verbunden ist.In a further particularly preferred embodiment, the code book of the aforementioned embodiment additionally contains at least one parallel state for the intermodule connection;
wherein the parallel state activates the switches of the intermodule connection such that at least one energy store of one of the modules connected by the intermodule connection is electrically connected in parallel with at least one energy store of another of the modules connected by the intermodule connection.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der voranstehend genannten Ausführungsform dadurch, dass das Code-Buch keinen Passiv-Zustand enthält. Der Erfinder hat erkannt, dass dieser ohne wesentliche Einbüßung an Flexibilität des Gesamtsystems durch andere Zustände, insbesondere eine geeignete Verwendung ausreichend vieler Module im Seriell-Zustand, ersetzt werden kann. Damit lässt sich die Anzahl der Zustände sehr einfach auf eine Zweierpotenz bringen, so dass die Zustände mit minimaler Redundanz in binäre Signale codiert werden können.Another particularly preferred embodiment differs from the above-mentioned embodiment in that the code book does not contain a passive state. The inventor has recognized that this can be replaced without significant loss of flexibility of the overall system by other states, in particular a suitable use of sufficient number of modules in the serial state. This makes it very easy to bring the number of states to a power of two, so that the states can be coded with minimal redundancy in binary signals.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform verwendet lediglich eine Polarität des Seriell-Zustands. Notwendigerweise enthält das Code-Buch ferner den Bypass-Zustand. Ein Parallel-Zustand kann hinzugefügt werden. Entweder codiert der Seriell-Zustand tatsächlich stets dieselbe Polarität. In diesem Fall können nicht nur codierte Übertragungsbandbreite, sondern auch nötige Schalter in den Modulen eingespart werden. Alternativ wird die Polarität des Seriell-Zustands beispielsweise durch die Stromrichtung vorgegeben.Another particularly preferred embodiment uses only one polarity of the serial state. The code book also necessarily contains the bypass state. A parallel state can be added. Either the serial state actually always encodes the same polarity. In this case, not only coded transmission bandwidth, but also necessary switches can be saved in the modules. Alternatively, the polarity of the serial state is predetermined by the current direction, for example.
Intermodulverbindungsuntereinheitsweise CodierungInter module connection subunit coding
In einer besonderen Ausführungsform wird jeweils der Zustand jeder Intermodulverbindungsuntereinheit getrennt codiert. Das Code-Buch dieser besonderen Ausführungsform enthält mindestens drei Zustände {positiv [siehe
wobei im Negativ-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit verbunden wird;
wobei im Bypass-Zustand lediglich einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch irgendeinem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit verbunden wird und der Strom der Modulanschlüsse in das Modul fließen kann, ohne besagte Energiespeicher aufzuladen oder zu entladen.In a particular embodiment, the state of each inter-module connection subunit is coded separately. The code book of this particular embodiment contains at least three states {positive [see
wherein, in the negative state, one of the two electrical connections of at least one energy store of the module belonging to the inter-module connection subunit is electrically connected to at least one module connection of the inter-module connection sub-unit;
wherein, in the bypass state, only one of the two electrical terminals of at least one energy storage of the module associated with the inter-module connection sub-assembly is electrically connected to any module terminal of the inter-module connection sub-unit and the current of the module terminals can flow into the module without charging or discharging said energy storage means.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Code-Buch gegenüber der vorgenannten besonderen Ausführungsform zusätzlich einen Parallel-Zustand
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorgenannten Ausführungsform dadurch, dass das Code-Buch keinen Passiv-Zustand enthält. Wie bereits dargestellt kann der Passiv-Zustand ohne wesentliche Einbuße an Flexibilität des Gesamtsystems durch andere Zustände ersetzt werden. Damit lässt sich die Anzahl der Zustände deutlich verringern, so dass die die Bitweite der Signale vermindert werden kann.Another particularly preferred embodiment differs from the aforementioned embodiment in that the code book does not contain a passive state. As already shown, the passive state can be replaced by other states without significant loss of flexibility of the overall system. Thus, the number of states can be significantly reduced, so that the bit width of the signals can be reduced.
Verschränkung mehrerer getrennter Codierungseinheiten zu einer teilunabhängigen Codierung Entanglement of several separate coding units to a part-independent coding
In einer Ausführungsform der Erfindung lassen sich die Zustände mindestens zweier unterschiedlicher, disjunkter Teileinheiten des Systems, beispielsweise Module, Modulgruppen, Intermodulverbindungen und Intermodulverbindungsuntereinheiten so codieren, dass die Codierung jeder dieser Teileinheiten des Systems teilunabhängig wird, das heißt, dass mindestens ein Teil des gemeinsamen Signals von für jede der mindestens zwei unterschiedlichen disjunkten Teileinheiten zur eindeutigen Festlegung des jeweiligen Zustands vonnöten ist. Wie
Diese Ausführungsform hat gegenüber einer für jede Intermodulverbindungsuntereinheit getrennten Codierung den Vorteil, dass nur eine geringe Anzahl an Signalkanälen galvanisch getrennt werden muss. Signale können dabei über galvanisch trennende Signalübertrager, auch als isolierende Signalübertrager bezeichnet, galvanisch getrennt werden, beispielsweise Optokoppler, kapazitive Signalübertrager oder vergleichbare elektrische Bauteile. Ferner kann jede Teileinheit das Signal der mindestens einen Teileinheit, mit welcher ihre Signale teilunabhängig sind, zur Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur verwenden.This embodiment has the advantage over a separate coding for each inter-module connection subunit that only a small number of signal channels must be galvanically isolated. Signals can be galvanically isolated via galvanically isolating signal transmitters, also referred to as isolating signal transmitters, for example optocouplers, capacitive signal transformers or comparable electrical components. Furthermore, each subunit can use the signal of the at least one subunit, with which its signals are independent of the subdivision, for error detection and / or error correction.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Codierung derartig ausgeführt, dass mindestens zwei Decodierer mindestens ein für die mindestens zwei Decodierer gleiches Signal, als mindestens ein sogenanntes gemeinsames Bit, als Eingangssignal erhalten.In a particular embodiment of the invention, the coding is carried out in such a way that at least two decoders receive at least one signal which is the same for the at least two decoders, as at least one so-called common bit, as input signal.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dieses mindestens eine gemeinsame Bit auf einer gesonderten elektronischen Signalleitung von der mindestens einen Steuerungseinheit oder mindestens einer dieser Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung aus übertragen. Vorteilhafterweise kann das Signal dieser einen gesonderten elektronischen Signalleitung mit lediglich einem Ausgangspin der mindestens einen Steuerungseinheit oder mindestens einer dieser Steuerungseinheit untergeordneten elektronischen Schaltung erzeugt und ferner auch in lediglich einer einzelnen Signalleitung übertragen und erst räumlich nah an den mindestens zwei Decodierern verzweigt oder in Form eines Busses durchgeschleift werden. Somit lassen sich technische Ressourcen einsparen.In a particularly preferred embodiment, this at least one common bit is transmitted on a separate electronic signal line from the at least one control unit or at least one electronic circuit which is subordinate to this control unit. Advantageously, the signal of this a separate electronic signal line with only one output pin of the at least one control unit or at least one of these control unit subordinate electronic circuit generates and also transmitted in only a single signal line and only spatially branched close to the at least two decoders or in the form of a bus be looped through. Thus, technical resources can be saved.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform determiniert dieses mindestens eine gemeinsame Bit das Vorzeichen der Spannung, folglich die Polarität jeder einzelnen ansonsten unabhängig codierten Einheit. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, dass in vielen Anwendungen die Module, Intermodulverbindungen und dergleichen ohne nennenswerte Einbußen der Flexibilität der erzeugten Strom und Spannungsverläufe zu jedem Zeitpunkt dieselbe Polarität verwenden können.In a particularly preferred embodiment, this at least one common bit determines the sign of the voltage, hence the polarity of each individual otherwise independently coded unit. This particularly preferred embodiment has the advantage that in many applications the modules, inter-module connections and the like can use the same polarity at any time without significant loss of flexibility of the generated current and voltage waveforms.
In einer besonderen Ausführungsform wird jeweils der Zustand jeder Halbbrücke, die jeweils aus mindestens zwei in Serie verbundenen elektrischen Schaltern besteht, getrennt codiert. Das Code-Buch dieser besonderen Ausführungsform enthält mindestens drei Zustände {positiv, negativ, bypass};
wobei im Positiv-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit elektrisch verbunden wird;
wobei im Negativ-Zustand einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch mit mindestens einem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit verbunden wird;
wobei im Bypass-Zustand maximal einer der beiden elektrischen Anschlüsse mindestens eines Energiespeichers des zur Intermodulverbindungsuntereinheit gehörigen Moduls elektrisch irgendeinem Modulanschluss der Intermodulverbindungsuntereinheit verbunden wird, so dass der Strom der Modulanschlüsse in das Modul fließen kann, ohne besagte Energiespeicher aufzuladen oder zu entladen.In a particular embodiment, the state of each half-bridge, each consisting of at least two series-connected electrical switches, is coded separately. The code book of this particular embodiment contains at least three states {positive, negative, bypass};
wherein, in the positive state, one of the two electrical connections of at least one energy store of the module belonging to the inter-module connection subunit is electrically connected to at least one module connection of the inter-module connection subunit;
wherein, in the negative state, one of the two electrical connections of at least one energy store of the module belonging to the inter-module connection subunit is electrically connected to at least one module connection of the inter-module connection sub-unit;
wherein, in the bypass state, at most one of the two electrical connections of the module belonging to the inter-module connection subunit is electrically connected to any module connection of the inter-module connection subunit so that the current of the module connections can flow into the module without charging or discharging said energy stores.
In einer Ausführungsform weist die elektrische Umrichterschaltung mindestens zwei gleichartige hintereinander geschaltete Module, mindestens eine elektronische Steuerungseinheit
- (a) eine Serienschaltung der elektrischen Energiespeicher, wobei bei Annahme einer beliebigen einer Reihenfolge der Module auf der Basis der Reihenfolge gebildet durch die elektrischen Anschlüsse der Module untereinander der elektrisch positivste Anschluss mindestens eines elektrischen Energiespeichers eines vorausgehenden Moduls mit dem elektrisch negativsten Anschluss mindestens eines elektrischen Energiespeichers eines nachfolgenden Moduls verbunden ist;
- (b) eine Serienschaltung der elektrischen Energiespeicher, wobei bei Annahme einer beliebigen einer Reihenfolge der Module auf der Basis der Reihenfolge gebildet durch die elektrischen Anschlüsse der Module untereinander der elektrisch negativste Anschluss mindestens eines elektrischen Energiespeichers eines vorausgehenden Moduls mit dem elektrisch positivsten Anschluss mindestens eines elektrischen Energiespeichers eines nachfolgenden Moduls verbunden ist;
- (c) eine Parallelschaltung der elektrischen Energiespeicher;
- (d) eine Bypassschaltung der jeweiligen elektrischen Energiespeicher mindestens eines Moduls, bei der höchstens die Hälfte der mindestens zwei elektrischen Kontakte des genannten mindestens einen elektrischen Energiespeichers mit einem elektrischen Energiespeicher eines anderen Moduls elektrisch leitend verbunden ist;
- (e) eine gleichgerichtete Serienschaltung mindestens eines Modul-Kondensators, bei der die elektronischen Schalter des mindestens einen zugehörigen Moduls so aufgrund von geeigneter Aktivierung der elektronischen Schalter oder aufgrund des wirksam eingesetzten Halbleiterverhaltens der elektronischen Schalter Ströme ausschließlich dann in oder aus dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher fließen lassen, dass sich der Ladezustand des mindestens einen elektrischen Energiespeichers erhöht.
- (A) a series connection of the electrical energy storage, wherein assuming any order of the modules based on the order formed by the electrical connections of the modules with each other, the most electrically positive connection of at least one electrical energy storage of a preceding module with the most electrically negative terminal of at least one electrical Energy storage of a subsequent module is connected;
- (B) a series connection of the electrical energy storage, wherein assuming any order of the modules based on the order formed by the electrical connections of the modules with each other, the most electrically negative connection at least one electrical energy storage of a preceding module with the most electrically positive connection of at least one electrical Energy storage of a subsequent module is connected;
- (c) a parallel connection of the electrical energy storage;
- (d) a bypass circuit of the respective electrical energy store of at least one module, in which at most half of the at least two electrical contacts of said at least one electrical energy store is electrically connected to an electrical energy store of another module;
- (E) a rectified series connection of at least one module capacitor, wherein the electronic switch of the at least one associated module so due to appropriate activation of the electronic switch or due to the effectively used semiconductor behavior of the electronic switch currents exclusively into or out of the at least one electrical energy storage let flow that increases the state of charge of the at least one electrical energy storage.
In einer bevorzugten Ausführungsform verbinden die Schaltelemente der Module ihre jeweiligen elektrischen Energiespeicher so mit elektrischen Anschlüssen der hintereinandergeschalteten Module, dass wahlweise mindestens genannte Parallelschaltung und mindestens eine genannte Serienschaltung oder wahlweise mindestens genannte Bypassschaltung und mindestens eine genannte Serienschaltung vorliegen.In a preferred embodiment, the switching elements of the modules connect their respective electrical energy stores with electrical connections of the modules connected in series, optionally with at least one parallel connection and at least one series circuit or alternatively at least one bypass circuit and at least one series connection.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Umrichterschaltung nach einem der beiden vorgenannten Ausführungsformen ferner mindestens einen galvanisch trennenden Signalübertrager
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform überträgt der galvanisch trennende Signalübertrager der elektrischen Umrichterschaltung der letztgenannten Ausführungsform mindestens einen Teil der von dem mindestens einen Encoder codierten Signale.In a particularly preferred embodiment, the galvanically isolating signal transmitter of the electrical converter circuit of the last-mentioned embodiment transmits at least part of the signals encoded by the at least one encoder.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Decoder je Modul vorgesehen.In a further particularly preferred embodiment, at least one decoder per module is provided.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform stellt der mindestens eine Decoder je Modul der letztgenannten Ausführungsform die Schaltsignale mit mindestens einem decodierten Signal für jeden Schalter des jeweiligen Moduls als Steuersignal bereit.In a further particularly preferred embodiment, the at least one decoder per module of the last-mentioned embodiment provides the switching signals with at least one decoded signal for each switch of the respective module as a control signal.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Decoder je Modul der letztgenannten Ausführungsform jeweils in die Elektronik des zugehörigen Moduls integriert.In a further particularly preferred embodiment, the at least one decoder per module of the latter embodiment is in each case integrated into the electronics of the associated module.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Decoder je Intermodulverbindung vorgesehen.In a further particularly preferred embodiment, at least one decoder per inter-module connection is provided.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform stellt der mindestens eine Decoder je Intermodulverbindung der elektrischen Umrichterschaltung der letztgenannten Ausführungsform die Schaltsignale mit mindestens einem gesonderten decodierten Signal für jeden Schalter der jeweiligen Intermodulverbindung als Steuersignal bereit.In a further particularly preferred embodiment, the at least one decoder per inter-module connection of the electrical converter circuit of the last-mentioned embodiment provides the switching signals with at least one separate decoded signal for each switch of the respective inter-module connection as the control signal.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Decoder je Intermodulverbindungsuntereinheit vorgesehen.In a further particularly preferred embodiment, at least one decoder per inter-module connection subunit is provided.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform stellt der mindestens eine Decoder je Intermodulverbindungsuntereinheit der letztgenannten Ausführungsform die Schaltsignale mit mindestens einem gesonderten decodierten Signal für jeden Schalter des jeweiligen Intermodulverbindungsuntereinheit als Steuersignal bereit.In a further particularly preferred embodiment, the at least one decoder per inter-module connection subunit of the last-mentioned embodiment provides the switching signals with at least one separate decoded signal for each switch of the respective inter-module connection sub-unit as the control signal.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Umrichterschaltung einer der vorangehenden Ausführungsformen ferner mindestens einen Kanalcodierer
In weiterer Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Umrichterschaltung bereitgestellt, wobei die elektrische Umrichterschaltung mindestens zwei gleichartige hintereinander geschaltete Module, mindestens eine elektronische Steuerungseinheit
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Auswahl einer zukünftigen Einstellung der Schaltzustände der Schalter, der Module, der Intermodulverbindungen oder der Intermodulverbindungsuntereinheiten;
- Übermittlung der zukünftigen Einstellung in elektronischer Form als elektrische Signale in codierter Form;
- Decodierung der elektrischen Signale zur Ermittlung der nötigen Einstellung von Schaltern.
the method comprising the following steps:
- Selecting a future setting of the switching states of the switches, the modules, the inter-module connections or the inter-module connection sub-units;
- Transmission of the future setting in electronic form as electrical signals in coded form;
- Decoding of the electrical signals to determine the necessary setting of switches.
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die Figuren dienen lediglich einer beispielhaften Erläuterung und Veranschaulichung der Erfindung und der mit ihr erreichten Vorteile, sollen aber die Erfindung nicht beschränken.The description of the preferred embodiments and the figures are merely illustrative and illustrative of the invention and the advantages attained thereby, but are not intended to limit the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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