Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zu einer

Multilevelmodulation, bei dem eine Modulation eines Eingangssignals durch Aufspaltung in zwei Anteile bewirkt wird.

Leistungselektronische Schaltungen verwenden Halbleiter nahezu ausschließlich als Schalter und vermeiden einen verlustbehafteten resistiven Betrieb. Mittels einer

Schaltmodulation, bspw. in der am weitest verbreiteten Variante als Pulsweitenmodulation mit festem Takt ausgeführt, werden aus wenigen zu Verfügung stehenden diskreten Schaltstufen eine kontinuierliche Ausgangsspannung und insbesondere Zwischenwerte zwischen diskreten Schaltstufen erzeugt. Im zeitlichen Mittel entspricht der ausgegebene Wert (Spannung oder Strom) dabei einer Vorgabe. Konventionelle

Gleichspannungswandler und Inverter verwenden dabei in der Regel nur eine sehr geringe Zahl von Stufen bzw. Leveln, oft sogar nur zwei. Zwischenwerte zwischen zwei Leveln werden dann meist durch zeitlichen Wechsel zwischen einem jeweiligen oberen und unteren Level angenähert. Zentraler Nachteil ist dabei eine Erzeugung von

Schaltharmonischen im elektromagnetischen Spektrum. Die Darstellung der Ausgangsspannung durch Schaltmodulation mit diskreten Strom oder Spannungswerten wird als Modulation und das zugehörige Verfahren als ein

Modulator bezeichnet. Diverse Verfahren, insbesondere solche, die ein Fehlersignal in der Vergangenheit oder der Zukunft bilden, beispielsweise eine Sigma-Delta-Modulation, modellprädiktive Modulation oder Pl-Regelverfahren umfassen ferner einen Quantisierer, der auf Basis eines Fehlersignals entscheidet, welches der zwei Level gesetzt werden soll. Für ein Zweilevelsystem ist eine Quantisierung leicht umsetzbar, weil beispielsweise lediglich eine Tendenz oder eine Vorzeichenangabe des Fehlersignals verwendet werden muss, um mit dem nächsten gesetzten Level das Fehlersignal zu verkleinern. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2007 020 477 Al einen Sigma-Delta- Modulator mit einer Regelschleife, in der ein Multi-Level-Quantisierer und ein Multilevel- Digital-Analog-Umsetzer angeordnet sind. Der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer wird mit einer Mehrzahl von elektrischen Einheitselementen realisiert, wobei dynamische und statische Abweichungen zwischen den elektrischen Einheitselementen untereinander ermittelt werden.

Modulare Multilevelkonverter können im Gegensatz zu einer traditionellen

Leistungselektronik, die mit wenigen Leistungshalbleiterschaltern Ein- und/oder

Ausgangsspannungen zwischen wenigen Niveaus umschalten, um im Mittel eine gewünschte Spannung zu bewirken, eine Spannung durch eine dynamisch wechselbare elektrische Konfiguration von in Modulen angeordneten Energiespeichern, bspw.

Kondensatoren oder Batterien, in sehr feinen Stufen bereitstellen. Ein zentraler

Multilevelkonverter in diesem Sinn ist der modulare Multilevelkonverter MMSPC, beschrieben durch S. M. Goetz, A. V. Peterchev and T. Weyh, "Modular Multilevel

Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1 , pp. 203-215, Jan. 2015. Weitere bekannte Multileveltopologien werden u. a. durch einen Neutral-Point-Clamped-Inverter oder einen Flying-Capacitor-Inverter realisiert.

Werden insbesondere Modulatoren, die Quantisierer einsetzen, auf ein Multilevelsystem übertragen, besteht das Problem, dass nach dem Stand der Technik ein

Multilevelquantisierer eingesetzt werden muss. Der Multilevelquantisierer bezieht im Gegensatz zu oben genanntem Zweilevelquantisierer nicht nur das Vorzeichen des Fehlersignals oder eines äquivalenten Signals, sondern auch dessen Größe mit ein. Bspw. kann für einen Fünflevelinverter (Level -2, -1 , 0, 1 , 2) das Fehlersignal mit dem Level 0 bei einem negativen Vorzeichen nur sehr geringfügig verringert werden, mit +1 schneller und mit +2 am schnellsten. Insbesondere bei induktiven Lasten und spannungsgesteuerten Invertern kann dies genutzt werden, um eine Stromsteilheit zu steuern, wodurch sich ein offener Freiheitsgrad ergibt. Allerdings verursacht dieser offene Freiheitsgrad auch Probleme.

So sind typische Multilevelquantisierer auf einen bestimmten Nutzfrequenzbereich abgestimmt. Bei hoher Bandbreite von Nutzsignalen, beispielsweise in Antrieben, muss entweder die Verstärkung des Multilevelquantisierers laufend angepasst werden oder es muss damit gerechnet werden, dass bspw. bei niedrigen Frequenzen in der Regel mehr Ausgangsstufen auf einmal geschaltet werden als vergleichsweise bei hohen Frequenzen. Dieses Problem tritt insbesondere auf, sobald das Fehlersignal einem Filter unterzogen wird. Während das Fehlersignal in derselben Einheit wie die quantisierte Ausgangsstufe vorliegt (bspw. in Volt) und entsprechend einfach allgemein gültige Quantisierungsstufen abgeleitet werden könnten (bspw. der maximale Ausgangsspannungshub geteilt durch die Zahl der Level), ist dies für das gefilterte Signal nur noch sehr schwer möglich. Das gefilterte Signal stellt eine Kombination aus dem absoluten Signal, dessen Ableitung und dessen Integral dar, und eine Festlegung von Quantisierungsstufen ist höchstens noch mit Informationen aus einer Ableitung, einer Frequenz oder einem Integral des Signals erreichbar. Gegebenenfalls kann eine natürliche Quantisierung auch gar nicht abgeleitet werden. Dieser Sachverhalt ist insbesondere bei Sigma-Delta-Modulatoren nachteilig. Ein konventioneller Sigma-Delta-Modulator bildet in der Regel das Fehlersignal als

Differenz zwischen dem kontinuierlichen Sollsignal und dem quantisierten Ausgangsignal (hier zwei Level, d. h. +1 oder -1). Dieses Fehlersignal wird in fortgeführter Ausführung gebildet und in ein Filter geführt, der bspw. im einfachsten Fall durch einen Integrator realisiert ist. Der Ausgang des Filters wird dem Quantisierer übergeben, der

entsprechend als quantisiertes Ausgangssignal eine— 1/+ 1-Folge bildet, die als

Digitalsignal an die Leistungselektronik geschickt wird und in dieser das Öffnen/Schließen der jeweiligen Schalter bewirkt.

Die Sigma-Delta-Schleife kann kontinuierlich ablaufen oder zeitlich getaktet sein, so dass zu jedem Takt ein neuer Wert gebildet wird. Diese Schleife kann wie ein PID-Regler (vom Fachmann abgekürzt für Proportional-Integral-Differential-Regler) auf einen Quantisierer betrachtet werden: Der PID-Regler minimiert den Regelfehler des Quantisierers. Als rückgekoppelter Ausgang kann das quantisierte Ausgangssignal oder auch ein physikalischer Messwert, beispielsweise die Ausgangsspannung oder der

Ausgangsstrom, verwendet werden.

In einem Multilevelsystem müsste der Quantisierer, wie bereits voranstehend

beschrieben, mehrere Level diskriminieren können und damit entscheiden, ab welcher Fehlergröße er welchen Wert am Ausgang einstellt. Hierzu ist eine Sensitivitätseinstellung nötig. Diese Sensitivitätseinstellung sollte aber in einem Sigma-Delta-Modulator vom Filter abhängen und den spektralen Anteil des Signales berücksichtigen. Wenn das Signal mehr als eine Frequenz enthält, ist die Sensitivitätseinstellung jedoch nicht mehr einfach möglich. In der Druckschrift DE 10 2011 082 946 B4 wird nun die Zerlegung eines mehrstufigen quantisierten Referenzsignals in Teilsignale offenbart. Die jeweiligen Teilsignale werden dann mittels verschiedener Energiezellen bereitgestellt, so dass die durchschnittliche Belastung der jeweiligen Energiezellen gleich ist. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Problem der Multilevelquantisierung mit bereits vorhandenen und einfach bereitzustellenden elektronischen Bauteilen und Baugruppen löst. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer

Multilevelmodulation vorgeschlagen, bei dem ein Multilevelkonverter, welcher eine Mehrzahl steuerbarer Schalter umfasst, durch ein Ausgangssignal einer elektronischen Schaltung angesteuert wird, wobei ein an einem Eingang der elektronischen Schaltung anliegendes Referenzsignal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert aufgespaltet wird, indem in der elektronischen Schaltung das Referenzsignal von einem Signalbildner als Multilevelsockelsignal auf vorgegebenen Quantisierungsleveln ausgegeben wird, dieses Multilevelsockelsignal von dem Referenzsignal durch einen Subtrahierer subtrahiert wird und damit der Restwert gebildet wird, der Restwert durch einen

Zweilevelmodulator digitalisiert wird und durch einen Addierer mit dem

Multilevelsockelsignal zusammengeführt wird, wodurch das Ausgangssignal der elektronischen Schaltung gebildet wird.

Die Lösung spaltet das Signal in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert auf, wobei das Multilevelsockelsignal ungefiltert verwendet wird, so dass natürliche

Quantisierungslevel vorgegeben werden können, während der Restwert einem

gewöhnlichen Zweilevelmodulator übergeben wird.

Die vorgegebenen Quantisierungslevel ergeben sich dabei aus einer Anzahl von Leveln in einem Multilevelkonverter, welcher von einem das erfindungsgemäße Verfahren realisierenden System verwendet wird. Durch die Lösung kann nahezu jeder bisher bekannte Zweilevelmodulator in einen Multilevelmodulator umgewandelt werden.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für Ausgangssignal, Referenzsignal und Multilevelsockelsignal entweder eine Spannung oder ein Strom gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich je nach Auslegung einer

Ansteuerung bspw. einer elektrischen Antriebsmaschine für Spannungen oder Ströme gleichermaßen ausführen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Signalbildner von den vorgegebenen Quantisierungsleveln dasjenige Quantisierungslevel ausgewählt, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal darstellt. Dadurch wird berücksichtigt, dass es bspw. in einer Leistungselektronik, und insbesondere bei einer einen Multilevelkonverter umfassenden Multilevelleistungselektronik, vorteilhaft ist, wenn von einem Schaltzustand zum nächsten nur eine minimale Anzahl von Halbleiterschaltern ihren Zustand wechselt. Auf diese Weise werden Schaltverluste minimiert, die in der Regel mit der Zahl der zu schaltenden Leistungshalbleiter steigen.

In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der nächste Nachbar durch eine Aufrundung oder eine Abrundung oder eine Rundung gegen Null oder eine Rundung gegen plus bzw. minus unendlich oder eine kaufmännische Rundung einer Differenz zwischen dem Quantisierungslevel, welches zu dem

Referenzsignal eine geringste Differenz darstellt, und dem Referenzsignal gebildet.

Weitere Formen der nächsten Nachbarbildung, bspw. aus zeitlicher Integration, sind denkbar.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger steuerbarer Schalter ein Leistungshalbleiterschalter gewählt. Diese kommen insbesondere in der Multilevelleistungselektronik zum Einsatz.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einem Ausgang des Zweilevelmodulators ein gefiltertes Fehlersignal erzeugt, welches mit einem Eingangssignal des Zweilevelmodulators rückgekoppelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer Vielzahl von Modulatoren, welche ein gefiltertes Fehlersignal erzeugen und ihren Ausgang auf Basis dessen bilden, ausgeführt werden. Insbesondere kann als Zweilevelmodulator ein Sigma-Delta-Modulator gewählt werden.

Ferner wird eine Schaltung für eine Multilevelmodulation mit einem Eingang und einem Ausgang beansprucht, welche einen Signalbildner, einen Zweilevelmodulator, einen Subtrahierer und einen Addierer umfasst, wobei der Signalbildner dazu ausgelegt ist, ein an dem Eingang der Schaltung anliegendes Referenzsignal als Multilevelsockelsignal auf vorgegebenen Quantisierungsleveln auszugeben, der Subtrahierer dazu ausgelegt ist, dieses Multilevelsockelsignal von dem Referenzsignal zu subtrahieren und dadurch einen Restwert zu bilden, der Zweilevelmodulator dazu ausgelegt ist, diesen Restwert zu digitalisieren und der Addierer dazu ausgelegt ist, dies mit dem Multilevelsockelsignal zu einem Ausgangssignal am Ausgang der Schaltung zusammenzuführen, wodurch ein am Eingang der Schaltung anliegendes Referenzsignal in ein am Ausgang der Schaltung vorliegendes Multilevelsockelsignal und dem Restwert aufgespaltet wird. In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Zweilevelmodulator ein Sigma- Delta-Modulator. Die erfindungsgemäße Schaltung kann als Zweilevelmodulator generell Modulatoren, welche ein gefiltertes Fehlersignal erzeugen und ihren Ausgang auf Basis dessen bilden, verwenden. Schließlich wird ein System zu einer Multilevelmodulation beansprucht, welches eine erfindungsgemäße Schaltung, einen Multilevelkonverter, mindestens eine

Energiespeichereinheit, einen Referenzsignalbildner, und eine Strom- oder

Spannungsquelle, welche den Referenzsignalbildner speist, aufweist und das dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen

Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Aufspaltung eines Referenzsignals in ein Multilevelsockelsignal und einen Restwert. Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, mit der durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Aufspaltung eines Referenzsignals in ein

Multilevelsockelsignal und einen Restwert bewirkt wird.

Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Schaltung, welche mit einen Sigma-Delta-Modulator ausgestattet ist.

In Figur 1 wird in schematischer Darstellung 100 eine durch Ausführung einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkte Aufspaltung eines

Referenzsignals 112 in ein Multilevelsockelsignal 122 und einen Restwert 132 gezeigt. Das sinusförmige Referenzsignal 112 ist in Graph 110 dargestellt, mit einer Zeitachse 102, hier beispielhaft mit der Einheit Millisekunde, und einer Amplitudenachse 104 mit der Einheit Volt. Das Multilevelsockelsignal 122 ist in Graph 120 mit denselben

Achseneinheiten dargestellt. Es wird zu einem jeweiligen Zeitpunkt auf einem

Quantisierungslevel erhalten, welches einen nächsten Nachbarn zum Referenzsignal 112 darstellt. Solange das Multilevelsockelsignal 122 auf dem jeweiligen Quantisierungslevel verweilt, bedingt sich dadurch kein Wechsel einer Leistungshalbleiterschalterstellung in einem entsprechenden Multilevelkonverter. Der vom Referenzsignal 112 durch

Subtraktion des Multilevelsockelsignals 122 entstehende Restwert 132 ist in Graph 130 dargestellt. Wiederum sind die physikalischen Einheiten der Achsen 102 und 134 gleich zu den Graphen 110 und 120, jedoch ist bei der Amplitudenachse 134 die Skala vergrößert. In Figur 2 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Schaltung 200, mit der durch Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Aufspaltung eines am Eingang 202 anliegenden Referenzsignals, dargestellt in Graph 110, in ein Multilevelsockelsignal 206, dargestellt in Graph 120, und einen Restwert, dargestellt in Graph 130, bewirkt wird, gezeigt. Ein Signalbildner 210 gibt das am Eingang 202 anliegende Referenzsignal als Multilevelsockelsignal 206 auf vorgegebenen Quantisierungsleveln aus. Dieses wird in einem durch die Symbole„+" und bezeichneten Subtrahierer vom am Eingang 202 anliegenden Referenzsignal subtrahiert. Der dadurch gebildete Restwert, dargestellt in Graph 130, wird dann einem Zweilevelmodulator 212 zugeführt. Der vom

Zweilevelmodulator 212 digitalisierte Restwert wird im durch die Symbole„+" und„+" bezeichneten Addierer mit dem Multilevelsockelsignal 206 zu einem Ausgangssignal 204 zusammengeführt. Mit dem Ausgangssignal 204 wird bspw. ein Multilevelkonverter bzw. werden die von diesem umfassten Leistungshalbleiterschalter angesteuert. In Figur 3 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform 300 der

erfindungsgemäßen Schaltung aus Figur 2 gezeigt, welche mit einem Sigma-Delta- Modulator ausgestattet ist. Das vom Signalbildner 310 gebildete Multilevelsockelsignal wird einem ersten mit„+" und bezeichneten Subtrahierer zugeführt, in welchem es von dem am Eingang 202 anliegenden Referenzsignal subtrahiert wird und als Restwert 308 dem durch einen zweiten mit„+" und bezeichneten Subtrahierer, einen Filter 312 und einen binären Quantisierer 314 gebildeten Sigma-Delta-Modulator, der den

Zweilevelmodulator 212 aus Figur 2 darstellt, zugeführt. Das vom Sigma-Delta-Modulator ausgegebene Signal wird dabei einerseits über den zweiten Subtrahierer mit dem

Restwert 308 rückgekoppelt, andererseits zu dem durch die Symbole„+" und„+" bezeichneten Addierer mit dem Multilevelsockelsignal 206 zu einem Ausgangssignal 204 zusammengeführt.