特許 7173659 スイッチングテーブル及びそのバックグラウンドでの継続的最適化によるモジュラマルチレベル直列／並列変換器（ＭＭＳＰＣ）の制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-08

(45)【発行日】2022-11-16

(54)【発明の名称】スイッチングテーブル及びそのバックグラウンドでの継続的最適化によるモジュラマルチレベル直列／並列変換器（ＭＭＳＰＣ）の制御

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20221109BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021520405

(86)(22)【出願日】2019-05-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-13

(86)【国際出願番号】 EP2019025146

(87)【国際公開番号】W WO2020078580

(87)【国際公開日】2020-04-23

【審査請求日】2021-06-07

(31)【優先権主張番号】102018125728.7

(32)【優先日】2018-10-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】510238096

【氏名又は名称】ドクター エンジニール ハー ツェー エフ ポルシェ アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｒ． Ｉｎｇ． ｈ．ｃ． Ｆ． Ｐｏｒｓｃｈｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

【住所又は居所原語表記】Ｐｏｒｓｃｈｅｐｌａｔｚ １， Ｄ－７０４３５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100094525

【弁理士】

【氏名又は名称】土井 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100094514

【弁理士】

【氏名又は名称】林 恒徳

(72)【発明者】

【氏名】エードゥアルト シュペヒト

(72)【発明者】

【氏名】シュテファン ゲッツ

(72)【発明者】

【氏名】トマス カチェトル

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル ジーモン

【審査官】土井 悠生

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－０１９２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２５１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２１６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１５１１２５１２（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５１８６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０１３１２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２７４７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５０１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００４４５２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】Z. Li, R. Lizana, A. V. Peterchev, S. M. Goetz，“Predictive Control of Modular Multilevel Series/Parallel Converter for Battery Systems”，2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，2017年10月，p.5685-p.5691

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ １／００－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチレベル変換器のスイッチング状態の制御（３００、６００）のための方法であって、
前記マルチレベル変換器（２００）は、複数のモジュール（１００）を有し、
前記複数のモジュールの各モジュールは、第一の側の少なくとも１つの端子及び第二の側の少なくとも１つの端子と、少なくとも２つの制御可能スイッチと、少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段とを有し、
前記第一の側の前記少なくとも１つの端子と前記第二の側の前記少なくとも１つの端子との間の第一の接続において、前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段は、前記少なくとも２つの制御可能スイッチの第一のものと直列に配置され、及び
前記第一の側の前記少なくとも１つの端子と前記第二の側の前記少なくとも１つの端子との間の第二の接続において、前記少なくとも２つの制御可能スイッチの第二のものは、配置され、
前記制御（３００）は、リアルタイム部（３２０、６０６）とオフライン部（３１０、６０２）とに分けられ、
前記リアルタイム部では、各時間ステップについて、それぞれの電圧レベル（３２５）は、変調器（３２２）によってそれぞれの電圧需要（３２４）に配分され、及び第一のスイッチングテーブル（４２０）内の全スイッチのそれぞれの全体的スイッチング状態は、スケジューラ（３２３、４１０）によって前記それぞれの電圧レベルについて特定され、且つ前記それぞれの全体的スイッチング状態は、全スイッチに制御信号（３０６、４０４）として渡され、
前記オフライン部では、第二のスイッチングテーブル（３１２、３１３、５２０）は、最適化手段（３１１、５１０）によって継続的に連続して計算され、前記第二のスイッチングテーブルは、費用関数の最小化に従って得られ、
前記費用関数は、前記複数のモジュールの所定のそれぞれのモジュールスイッチング状態から形成される全体的スイッチング状態を少なくとも前記マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段（１０９）の均一な放電、及び／又は最小オン状態損失、及び／又は前記エネルギー貯蔵手段内の最小損失、及び／又は最小の全体的損失に関して評価し、
前記マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の現在の電荷状態は、前記最適化手段に連続的に提供され、
総費用関数は、前記費用関数と、以下の表：電流リップル、前記マルチレベル変換器の効率、前記マルチレベル変換器の前記エネルギー貯蔵手段の経年劣化、電磁適合性、歪みのない電流／電圧プロファイル、前記それぞれのモジュールのモジュール温度、前記モジュールの温度変化、スイッチングエラー、オン状態損失、フェイルセイフ機能、特にフェイルセイフ機能を最大化するための前記複数のモジュールの特定のモジュールの標的を定めた保存、前記複数のモジュールの個々のモジュールの特定された脆弱性又は異なる限度の補償、前記マルチレベル変換器によって駆動される電気機械の回転速度、出力周波数、電源供給システム周波数、相電流からの少なくとも１つの状態変数による少なくとも１つの制約（３０１、３０２、３０３、８０１、８０２、８０３）とから形成され、
前記費用関数又は前記それぞれの少なくとも１つの制約に影響を与え、且つそれに固有のそれぞれの時間枠内でのみ変化する前記それぞれの状態変数について、前記総費用関数における関連する項は、前記それぞれの時間枠が経過した後にのみ新たに計算される、方法。

【請求項2】

前記リアルタイム部において、前記第一のスイッチングテーブル内の全スイッチの前記それぞれの全体的状態は、特定され、及び前記オフライン部において、前記第二のスイッチングテーブルは、最適化手段によって継続的に連続して計算され、前記第一及び第二のスイッチングテーブルは、ある時点で相互に異なり得、前記計算の完了後、前記計算された第二のスイッチングテーブルは、前記第一のスイッチングテーブルに置き換わり、且つそれ以降、前記第一のスイッチングテーブルとして使用され、及び前記最適化手段は、新しい第二のスイッチングテーブルの前記計算を開始する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

全ての可能なモジュールスイッチング状態の総計から、前記所定のモジュールスイッチング状態は、基本的スイッチング状態からの前記複数のモジュールの全モジュールの並列相互接続から得ることができるモジュールスイッチング状態から形成される、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記複数のモジュールの幾つかのモジュール（２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６）は、直列に接続されて、ＡＣ電圧のそれぞれの位相を形成する少なくとも１つの位相部（２１０、２２０、２３０）を形成する、請求項１～３の何れか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記第一のスイッチングテーブル（３２３）は、所定の期間後、前記新たに計算された第二のスイッチングテーブル（３１２、３１３）によって置き換えられる、請求項１～４の何れか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記マルチレベル変換器の複数の代替的な全体的スイッチング状態が存在する場合、前記スケジューラ（３２３）は、所定のルールに従って選択を行う、請求項１～５の何れか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記リアルタイム部（３２０）において、機械調整装置（３２１）は、前記変調器（３２２）の上流に連続して配置され、且つ前記マルチレベル変換器に接続された電気機械（２０２）の実際の及び所望の相電流間の差に従って前記変調器（３２２）に事前定義を適用する、請求項１～６の何れか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記変調器（３２２）は、以下のリスト：ＰＷＭ生成、シグマ－デルタ変調、最近接レベル変調、パルス密度変調、スペクトル調整に従って少なくとも１つのスイッチング変調を実行する、請求項１～７の何れか一項に記載の方法。

【請求項9】

マルチレベル変換器の全体的スイッチング状態の制御（３００、６００）のためのシステムであって、
前記マルチレベル変換器は、複数のモジュール（１００）を有し、各モジュールは、第一の側の少なくとも１つの端子及び第二の側の少なくとも１つの端子と、少なくとも２つの制御可能スイッチと、少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段とを有し、
前記第一の側の前記少なくとも１つの端子と前記第二の側の前記少なくとも１つの端子との間の第一の接続において、前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段は、前記少なくとも２つの制御可能スイッチの第一のものと直列に配置され、及び
前記第一の側の前記少なくとも１つの端子と前記第二の側の前記少なくとも１つの端子との間の第二の接続において、前記少なくとも２つの制御可能スイッチの第二のものは、配置され、
前記制御は、リアルタイムモジュール（３２０、６０６）とオフライン部（３１０、６０２）とに分けられ、
前記リアルタイムモジュールは、少なくとも１つの変調器（３２２）とスケジューラ（３２３、４１０）とを有し、
前記変調器は、各時間ステップについて、それぞれの電圧レベル（３２５）をそれぞれの電圧需要に配分するように構成され、及び
前記スケジューラは、前記それぞれの電圧レベルについて第一のスイッチングテーブル（４２０）内の全スイッチのそれぞれの全体的スイッチング状態を特定し、且つ前記それぞれの全体的スイッチング状態を制御信号として全スイッチのコントローラに渡すように設計され、
前記オフラインモジュールは、最適化手段（３１１、５１０）を有し、前記最適化手段は、費用関数を最小化することにより、第二のスイッチングテーブル（３１２、３１３、５２０）を継続的に連続して計算するように設計され、
前記費用関数は、前記複数のモジュールの所定のそれぞれのモジュールスイッチング状態から形成される全体的スイッチング状態を前記マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段（１０９）の均一な放電、及び／又は最小オン状態損失、及び／又は前記エネルギー貯蔵手段内の最小損失、及び／又は最小の全体的損失に関して評価し、
前記マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の現在の電荷状態は、前記最適化手段に連続的に提供され、
全体的システムの少なくとも１つの状態変数に割り当てられる少なくとも１つのセンサ（６１４）をさらに有し、
前記全体的システムは、前記マルチレベル変換器と、前記マルチレベル変換器の全スイッチの前記コントローラと、前記マルチレベル変換器の出力電圧をタップオフする電子消費装置とを含み、
前記費用関数のための制約（３０１、３０２、３０３、８０１、８０２、８０３）は、前記少なくとも１つのセンサによって提供される少なくとも１つの測定変数により、前記少なくとも１つの状態変数によって形成され、及び
総費用関数は、前記制約と共に前記費用関数から得られ、前記少なくとも１つの状態変数は、以下の表：電流リップル、前記マルチレベル変換器の効率、前記マルチレベル変換器の前記エネルギー貯蔵手段の経年劣化、電磁適合性、歪みのない電流／電圧プロファイル、前記それぞれのモジュールのモジュール温度、スイッチングエラー、オン状態損失、フェイルセイフ機能、特にフェイルセイフ機能を最大化するための前記複数のモジュールの特定のモジュールの標的を定めた保存、前記複数のモジュールの個々のモジュールの特定された脆弱性又は異なる限度の補償、前記マルチレベル変換器によって駆動される電気機械の回転速度、出力周波数、電源供給システム周波数、相電流から得られ、
前記費用関数又は前記それぞれの少なくとも１つの制約に影響を与え、且つそれに固有のそれぞれの時間枠内でのみ変化する前記それぞれの状態変数について、前記総費用関数における関連する項は、前記それぞれの時間枠が経過した後にのみ新たに計算される、システム。

【請求項10】

前記リアルタイムモジュールにおいて、前記変調器は、前記第一のスイッチングテーブル内の全スイッチの前記それぞれの全体的状態を特定するように構成され、及び前記オフラインモジュールにおいて、前記最適化手段は、前記第二のスイッチングテーブルを継続的に連続して計算するように構成され、前記第一及び第二のスイッチングテーブルは、ある時点で相互に異なり得、前記計算の完了後、前記計算された第二のスイッチングテーブルは、前記第一のスイッチングテーブルに置き換わり、且つそれ以降、前記第一のスイッチングテーブルとして使用され、及び前記最適化手段は、新しい第二のスイッチングテーブルの前記計算を開始する、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

全ての可能なモジュールスイッチング状態の総計から、前記所定のモジュールスイッチング状態は、基本的スイッチング状態からの前記複数のモジュールの全モジュールの並列相互接続から得ることができるモジュールスイッチング状態から形成される、請求項９又は１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記リアルタイムモジュールは、前記マルチレベル変換器に接続された電気機械（２０２）の実際の及び所望の相電流間の差（３０５）に従って前記変調器に事前定義を適用するように設計された機械調整装置（３２１）をさらに有する、請求項９～１１の何れか一項に記載のシステム。

【請求項13】

請求項９～１２の何れか一項に記載のシステムを含み、且つ請求項１～８の何れか一項に記載の方法を実行するように構成されるモジュラマルチレベル変換器（２００）であって、それぞれのモジュール（１００）は、８つのスイッチ（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８）を有し、４つのハーフブリッジは、前記８つのスイッチからそれぞれ配置され、それぞれのモジュールにおいて、前記第一の２つのハーフブリッジは、前記第一の側の前記少なくとも２つの端子（１１１、１１２）に並列に相互接続され、前記第二の２つのハーフブリッジは、前記第二の側の前記少なくとも２つの端子（１１３、１１４）に並列に相互接続され、及び前記それぞれのモジュールの前記第一の側及び前記第二の側のそれぞれのハーフブリッジのそれぞれのローサイドスイッチ及びハイサイドスイッチ間に電気接続がある、モジュラマルチレベル変換器（２００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マルチレベル変換器、特にモジュラマルチレベル変換器の全体的スイッチング状態、すなわち全スイッチのスイッチング状態の制御のための方法に関する。さらに、このスイッチング制御を実装するためのシステムが特許請求される。

【背景技術】

【0002】

少ない数の電源スイッチを有する従来のパワーエレクトロニクスシステムにおいて、ＤＣ電圧から所定の周波数のＡＣ電圧を得るために、入力及び出力電圧が通常２～３という少ないレベル間で切り替えられて、平均して所望の変数が得られる。それに対して、現代的なマルチレベル変換器は、複数の電子スイッチを介して相互に接続される、例えばコンデンサ又はエネルギーセル等のエネルギー貯蔵手段のダイナミック可変構成によってＡＣ電圧を生成するスキームに従って動作する。この場合、従来のパワーエレクトロニクスシステムよりかなり多くの電子スイッチ、例えば電力半導体スイッチが使用され、それにより、マルチレベル変換器の実現可能な全体的スイッチング状態及びそれに関連する出力電圧のごく細かい段階又はレベルでの多様性を形成することが可能となる。同時に、異なる全体的スイッチング状態で同じ電圧レベルを実現するための高い自由度が存在し、マルチレベル変換器のコントローラは、常に全スイッチに固有の状態を割り当てなければならない。

【0003】

原理的には、例えば本出願人名義の独国特許出願公開第１０ ２０１５ １１２ ５１２ Ａ１号明細書の文献において示されているように、個々のモジュールに基づくマルチレベル変換器のそれぞれの設計を規定することが可能である。個々のモジュールで構成されるスイッチング素子の回路配置に応じて、同様に構成されるエネルギー貯蔵手段の相互接続に関係する全てのスイッチング状態を、追加的に接続される構造的に同じ個々のモジュールに関係なく実現できる。

【0004】

この意味での中央のマルチレベル変換器は、Ｓ．Ｍ．Ｇｏｅｔｚ、Ａ．Ｖ．Ｐｅｔｅｒｃｈｅｖ及びＴ．ＷｅｙｈによってＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３０，ｎｏ．１，ｐｐ．２０３－２１５，Ｊａｎ．２０１５の“Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｗｉｔｈ Ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍｏｄｕｌｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ：Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ”並びに米国特許第９，５０２，９６０ Ｂ２号明細書及び独国特許出願第公開１０ ２０１６ １１２ ２５０ Ａ１号明細書の文献で説明されているモジュラマルチレベル変換器ＭＭＳＰＣである。この変換器は、例えば、Ｒ．Ｍａｒｑｕａｒｄｔによって独国特許出願公開第１０１ ０３ ０３０１ Ａ１号明細書において説明されており、本発明が同様に適用可能な従来のモジュラマルチレベル変換器とは、追加的に並列状態が存在する点で異なり、それにより、ＭＭＳＰＣは、位相部において、モジュール統合エネルギー値を像部のほとんどいかなる所望の電気的直列－並列回路構成でも生成し、ダイナミックに変更できる。さらに、バイパスと呼ばれるバイパス状態も、通常、あるモジュールのエネルギー貯蔵手段をバイパスするために利用可能である。一般に、モジュラマルチレベル変換器において、モジュールスイッチング状態、すなわち個々のモジュールのスイッチのスイッチング状態は、以下の各項目で個別に説明できる：並列、直列、バイパス、スイッチオフ。１つの応用は、モジュラ多相マルチレベル変換器によって代表され、これは、各々の場合に複数のモジュールが位相部に配置され、従ってそれぞれの位相部が多相ＡＣ電圧のそれぞれの位相を提供する。

【0005】

モジュラマルチレベル変換器の制御における基本的な問題は、高い自由度、すなわち当初同じ電圧を形成する異なるスイッチング又はモジュール状態の多様性である。モジュール状態の総計は、マルチレベル変換器の出力レベルを決める。マルチレベル変換器の動作では、スケジューラと呼ばれるスイッチング制御の制御ユニットが常に全モジュールの状態を規定し、積極的に制御しなければならない。このような状態特定及び全モジュールの全スイッチへの割当は、１ｋＨｚ～１ＭＨｚのクロック周波数で行われ、これは、毎秒１０００～１００万回に対応する。

【0006】

先行技術では、所望の電圧を生成するためにそれぞれのモジュール状態を選択するための様々な方法が開示されている。これらの方法の１つには、いわゆるルックアップテーブル、すなわちスイッチングテーブルの使用が含まれ、ここでは、切り替えられるモジュール状態が規定されており、それによって計算の複雑さの軽減及び実装の容易さという利点が得られる。この点において、例えば、国際公開第２０１５／１９３４３９ Ａ１号パンフレットの文献は、その制御にスイッチングテーブルの利用を含むことができる多相電力変換器を記載している。このような方法の不利な点は、スイッチングテーブルが提供する最適な相互接続が、あったとしても特定の時点に限られることである。それぞれのモジュールにおける個々のエネルギーセル又は貯蔵手段の放電が異なるため、マルチレベル変換器の出力におけるそれぞれの所望の電圧レベルのための常に新しい最適なスイッチング状態が生じ、スイッチングテーブルが形成されて保存されると、それに従って割り当てられる全体的なスイッチング状態は、動作持続時間が長くなるにつれて、最適な全体的スイッチング状態から一層離れる。

【0007】

マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の現在の状態及び／又は例えばエネルギー貯蔵手段の均等な負荷等、他の可能な制約に従って数学的最適化を特定するオンライン最適化方法がここで有利であろう。純粋な数学的最適化のために、原則として、全ての可能なスイッチング状態、例えば１つのモジュールにつき少なくとも５つのスイッチング状態のある１０のＭＭＳＰＣ様モジュールの場合、全体で５^１０及び従ってほぼ１０^７、すなわち１つの時間ステップにつき１，０００万であり得るスイッチング状態を計算し、相互に対して重み付けしなければならない。従って、この点に関する最善の解を求めるために、将来の特定の数の時間ステップを計算しなければならない。Ｍ個の時間ステップの場合、（５^１０）^Ｍ通りの選択肢がある。すでにほぼ１０^２１通りの選択肢のある２つの時間ステップの計算のみで高性能コンピュータの限界（毎秒１０^１５回演算）をはるかに超える。従って、これまでの既存の方法において、このような膨大な計算の複雑さに対処できるものはなかった。それに対して、ヒューリスティック方式では、実際に、複雑さに応じて解にオンラインで到達し得るが、これらは、常に最適な全体的スイッチング状態からの特定の乖離もある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述の背景に鑑み、本発明の目的は、オンラインで、すなわちマルチレベル変換器の動作中にリアルタイムで、それぞれ電圧需要について、所定の制約に応じてマルチレベル変換器のそれぞれの最適な全体的スイッチング状態を計算し、それをマルチレベル変換器のコントローラに提供する、マルチレベル変換器の全スイッチのスイッチング状態の制御のための方法を提供することである。さらに、この方法を実行するように構成された対応するシステムを提供することも意図される。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の目的を実現するために、マルチレベル変換器の全体的スイッチング状態の制御のための方法であって、マルチレベル変換器は、少なくとも１つのモジュールを有し、少なくとも１つのモジュールは、第一の側の少なくとも１つの端子及び第二の側の少なくとも１つの端子と、少なくとも２つの制御可能スイッチと、少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段とを有する、方法が提供される。１つの実施形態において、第一の側の少なくとも１つの端子と第二の側の少なくとも１つの端子との間の第一の接続において、少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段は、少なくとも２つの制御可能スイッチの第一のものと直列に配置され、及び第一の側の少なくとも１つの端子と第二の側の少なくとも１つの端子との間の第二の接続において、少なくとも２つの制御可能スイッチの第二のものが配置される。この実施形態により、少なくとも１つのモジュールの第一及び第二の端子間において、エネルギー貯蔵手段を直列に接続できるか、又はそれを迂回できるか、又は電線を完全に中断できる。別の実施形態において、少なくとも１つのモジュールは、第一の側の少なくとも２つの端子と、第二の側の少なくとも２つの端子とを有する。少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段は、第一の側又は第二の側の少なくとも２つの端子間に直接配置され、少なくとも２つの制御可能スイッチの第一のものは、第一の側の第一の端子と第二の側の第一の端子との間に配置され、少なくとも２つの制御可能スイッチの第二のものは、第一の側の第二の端子と第二の側の第二の端子との間に配置される。この実施形態により、少なくとも２つのスイッチの閉状態で、少なくとも１つのモジュールのエネルギー貯蔵手段は、別のモジュールと並列に接続でき、エネルギー貯蔵手段の直列接続又はバイパスは、他のスイッチング状態によってさらに可能となる。本発明による方法の場合、マルチレベル変換器の制御は、リアルタイム部とオフライン部とに分けられる。リアルタイムは、以下では、特に対応する制御部が、制御に必要な全体的スイッチング状態を生成するための制御ループの一部として必ず必要であり、従って最大処理時間を一切超えずに全体的スイッチング状態の生成を遅らせないようにしなければならないものと解釈される。それに対して、オフラインは、特に一定に確定された既知の最大処理持続時間を有していなくてもよく、且つ／又はリアルタイム部より大幅に低速、例えば少なくとも１０倍低速、好ましくは少なくとも１００倍低速で処理し、従って例えばリアルタイム部の処理に関して同時及び／又は非同期的に処理する制御部を指す。各時間ステップ中、リアルタイム部では、それぞれの電圧レベルは、変調器によってそれぞれの電圧需要に配分され、及び第一のスイッチングテーブル内において、マルチレベル変換器の全スイッチのそれぞれの全体的スイッチング状態は、スケジューラによってそれぞれの電圧レベルについて特定され、且つそれぞれの全体的スイッチング状態は、全スイッチに制御信号として渡される。オフライン部では、第二のスイッチングテーブルは、最適化手段によって継続的に連続して計算され、前記第二のスイッチングテーブルは、それぞれの全体的スイッチング状態をそれぞれの電圧レベルに割り当てる。第二のスイッチングテーブルは、費用関数の最小化に従って得られ、費用関数は、複数のモジュールの所定のそれぞれのモジュールのスイッチング状態から形成される全体的スイッチング状態を少なくともマルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の均一な放電に関して、且つ／又は最小スイッチング損失、及び／若しくは最小オン状態損失、及び／若しくはエネルギー貯蔵手段内の最小損失、及び／若しくは最小の全体的損失に関して評価する。最後に、マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の現在の電荷状態は、最適化手段に連続的に提供される。第一及び第二のスイッチングテーブルは、ある時点において相互に異なるか又は同じであり得る。

【0010】

本発明による方法の１つの実施形態において、リアルタイム部において、第一のスイッチングテーブルの全スイッチのそれぞれの全体的状態は、特定され、及びオフライン部において、第二のスイッチングテーブルは、最適化手段によって継続的に連続して計算され、第一及び第二のスイッチングテーブルは、ある時点で相互に異なり得る。計算の完了後、計算された第二のスイッチングテーブルは、第一のスイッチングテーブルに置き代わり、且つそれ以降、第一のスイッチングテーブルとして使用され、そこから、最適化手段は、新しい第二のスイッチングテーブルの計算を開始する。

【0011】

本発明による方法は、いわゆるシャドウメモリ方式と同様に、複数のスイッチングテーブルを使用でき、リアルタイム部は、１つ又は複数のテーブルで動作するが、オフライン、すなわち非同期部は、他のテーブルで動作し、テーブルは、特定の時点において、例えば単純に本発明による方法を実行するシステムの計算ユニット中のメモリアドレスを切り替えることによって取り換えられる。

【0012】

しかしながら、代替的に、他の実施形態では、原理的に、オフライン部は、リアルタイム部のスイッチングテーブルに直接作用することもできるが、できる限り一貫性を保持するために常に少なくとも１つの全体的状態のエントリを取り換えるべきである。リアルタイム部は、この少なくとも１つの第一のスイッチングテーブルに読取りとしてのみアクセスする。

【0013】

本発明による方法は、最適化の問題の場所を、先行技術によりこれまでスイッチングの技術的方法が行われていた制御のリアルタイム部の変調器から、最適化手段が費用関数に基づいて最善の第二のスイッチングテーブルを求めるオフライン部に変えることにより、前述の目的を実現する。変調器は、従って、その必然的に速い速度を保持することにより、スケジューラと共に、利用可能とされた第一のスイッチングテーブルに従い、マルチレベル変調器において、それぞれの電圧需要に対応するマルチレベル変換器の出力電圧が得られるような全体的スイッチング状態をもたらすことができる。その間、それと並行して最適化が行われ、これに必要な計算がそれぞれ終了した後、新しい第一のスイッチングテーブル、すなわちマルチレベル変換器により表されることになるそれぞれの電圧レベルについてのそれぞれの全体的スイッチング状態における相互接続の新たなパラメータ化がスケジューラにとって利用可能となる。この第一のスイッチングテーブルに基づいて、イベントのその後の工程中、スケジューラは、従って、マルチレベル変換器のための全体的スイッチング状態の選択を行う。

【0014】

パラメータ化又は第一のスイッチングテーブル若しくは第二のスイッチングテーブルは、それぞれルックアップテーブルとも呼ばれ、それぞれのモジュールにおけるスイッチ位置の組合せを、マルチレベル変換器の出力において表されることになる所与のＮ個のモジュールの通常（２Ｎ＋１）の電圧レベルの各々に割り当て、それぞれのモジュール内で組み合わされるそれぞれのスイッチ位置は、それぞれのモジュールスイッチング状態と呼ばれる。それぞれのモジュールのそれぞれのモジュールスイッチング状態は、実質的に常に、それぞれのモジュールに含まれるエネルギー貯蔵手段がマルチレベル変換器の別のエネルギー貯蔵手段とどのように相互接続されるかを含む。第一のスイッチングテーブルから、スケジューラは、変調器によって数値化され、それに送信された電圧レベルについて、それぞれのモジュールスイッチング状態により規定されるか又は規定され得る全体的スイッチング状態を求める。これに関して、８個のスイッチを有する例示的なモジュールの場合（図１及びそれに関連する説明を参照されたい）、５つのモジュールスイッチング状態の合計が規定され、そのため、８個のスイッチは、表１に示されるスイッチ位置をとる。モジュールスイッチング状態は、以下の通りである：正の極性の直列相互接続の「ｓ＋」、負の極性の直列相互接続の「ｓ－」、並列相互接続の「ｐ」、正の極性のバイパスの「ｂ＋」、負の極性のバイパスの「ｂ－」。この場合、正又は負の極性とは、モジュールの第一の側の２つの端子の何れの極性がモジュールの第二の側の２つの端子に切り替わるかを指す。バイパス又はモジュールバイパスの場合、これは、モジュールのハーフブリッジに配置された、エネルギー貯蔵手段の負の端子に電気的に接続される、より低いモジュールバスバーとして認識可能なハイサイド接続を通したスイッチング又はエネルギー貯蔵手段の正の端子に電気的に接続された上側モジュールバスバーとしても認識可能なローサイド接続を通したスイッチングと等しい。これに関するさらに詳細な説明は、図１に関する図の説明に示される。

【0015】

【表1】

【0016】

スケジューラとは別に且つスケジューラと同時に又はそれと並列に、最適化手段は、新しい第二のスイッチングテーブルを計算し、それを行うなかで、費用関数を最小化することによって少なくとも１つの数学的に説明される目標を実現するために、システムの現在の状態を考慮に入れる。例えば、モジュール間の電荷のバランスを取る、すなわち長い動作持続時間にわたり、全モジュール又はそれぞれのモジュールに含まれる全てのエネルギー貯蔵手段ができるだけ同じ電荷を送達するか又は得る目標のために、それぞれのモジュールの又はそれに含まれるそれぞれのエネルギー貯蔵手段の電荷の現在の状態は、最適化手段が、何れのモジュールが電力を特に高い程度まで送達するか又は得ることが意図されるかを決定できるようにするために重要であり、このモジュールは、動作中、例えば好ましくは直列接続「ｓ＋」又は「ｓ－」となることが意図される。

【0017】

最適化手段は、好ましくは、新しい第二のスイッチングテーブルを特定するために数値的最適化を用いる。この目的のために、最適化の問題は、有利には、最小化される費用関数が、少なくとも１つの目標が距離及び／又は加算変数として数学的に公式化される少なくとも１つの項を有する数学的問題として公式化され、目標は、正確に距離及び／又は加算変数が最適になったときに近付けられるか又は達成される。最適とは、通常、最小と理解される。加算変数の最大化が可能である場合、この数学的最大化は、－１を乗じることによる最小化に変えることができる。特定の境界条件もこれに加えることができる。さらに、任意選択により、それぞれの計数逓倍率が設けられる追加の目標に対応する追加の項も少なくとも１つの項に数学的に関連付けることができる。例えば、それぞれマルチレベル変換器により生成可能な電圧レベルについて、最適化手段は、従って、費用関数のそれぞれの最小値に対応する全体的スイッチング状態を計算し、この全体的スイッチング状態を第二のスイッチングテーブルに保存する。特定の状況では、複数の全体的スイッチング状態が費用関数の同じ最小値をもたらし、同様に第二のスイッチングテーブル内に保存されることも可能である。この場合、全体的スイッチング状態は、マルチレベル変換器の全スイッチのスイッチ位置又は所望若しくは所定の電圧レベルを提供するために設定されることになるか若しくは設定される全てのモジュールスイッチング状態の総計に対応する。それぞれのスイッチングテーブル、すなわち第一のスイッチングテーブル又は第二のスイッチングテーブルは、従って、少なくとも１つの全体的スイッチング状態を各電圧レベルに又は少なくとも１つのモジュールスイッチング状態を各モジュールに割り当てる。第一のスイッチングテーブルは、スケジューラによって読取りとしてのみアクセスされるが、有利には、最適化手段によっては、書込みとしてのみアクセスされるため、特に現在特定された第二のスイッチングテーブルを第一のスイッチングテーブルに移行するなかで、スケジューラ及び最適化手段の両方は、比較的大きい同期費用を生じさせることなく、並列して非同期的に処理することができる。

【0018】

本発明による方法の１つの実施形態において、第一のスイッチングテーブルは、所定の時間後、新たに計算された第二のスイッチングテーブルによって置き換えられる。これは、第一のスイッチングテーブルが、最適化手段が新しい第二のスイッチングテーブルの計算を終えた途端ではなく、所定の時間が経過した後にのみ上書きされることを意味する。この所定の時間は、例えば、一定の間隔によって形成できるが、乱数発生器によってランダムにも形成できる。さらに、限定されている可能性のあるコンピューティングリソースによって特定でき、且つ／又は改善された第一のスイッチングテーブルをスケジューラが利用できるようにする必要性によって形成できる。

【0019】

マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の電荷の現在の状態の評価は、費用関数に影響を与える可能性があり、その主要なタスクは、それぞれのエネルギー貯蔵手段の放電をできるだけ均一にすることである。これにより、有利には、全体的な放電能力が最大化され、またそれぞれのエネルギー貯蔵部の寿命全体も長くなる。その代わりに又はそれと共に、費用関数への寄与は、例えば、半導体のスイッチング損失及び／若しくは個々のモジュールの隣接モジュールとの並列相互接続の場合の抵抗損失の結果として、且つ／又はエネルギー貯蔵手段及び／若しくは半導体の抵抗損失（オン状態損失）の結果として生じるような損失の評価により形成できる。第二のスイッチングテーブルのこの点についての最適化及びその後の第一のスイッチングテーブルの最適化に関する説明は、後述する。

【0020】

本発明による方法の別の実施形態において、複数のモジュールは、直列に接続されて、ＡＣ電圧のそれぞれの位相を形成する少なくとも１つの位相部を形成する。それぞれの位相部は、２つの中性点を介してそれぞれの位相部の始点で接続できる。それらのそれぞれの位相部終点において、それぞれの位相部に終端を置くそれぞれのモジュールは、それらのそれぞれの第二の側でのそれらの端子において短絡でき、まさにその位置において、多相電気機械又はＡＣ電圧電源供給システム装置の動作のためのそれぞれの位相を形成できる。多相電気機械は、例えば、電気自動車を駆動できる。

【0021】

前述のように、８個のスイッチを有する例示的モジュールは、５通りのモジュールスイッチング状態を有する。複数のこのような例示的モジュールが連結されて位相部を形成する場合、例えばそれぞれ６個の例示的モジュールが合計３個の位相部を形成する場合、それぞれの位相部内のそれぞれの最後の例示的モジュールは、４つのモジュールスイッチング状態のみを有し、これは、その場合、モジュールスイッチング状態「ｓ－」及び「ｂ－」が同じスイッチングセットを生成するからである。従って、各位相部又は各位相部につき６つのモジュールの例の各位相について、５^５＊４＝１２５００通りのスイッチング状態が得られる。それぞれの位相部がそれらのそれぞれの位相部の始点で接続されて２つの中性点を形成すると、３つの位相は、もはや相互に独立しなくなり、合計１２５００^３の可能なモジュールスイッチング状態が、例示的モジュールにより構成されるマルチレベル変換器について得られる。しかしながら、例示的モジュール間の相互接続の全ての組合せが好都合であるわけではない。この点に関して、例えば、同時にモジュールスイッチング状態「ｓ＋」又は「ｓ－」を有する隣接する例示的モジュールを相互に接続することは、合理的ではない。従って、全ての可能なモジュールスイッチング状態の総計を、それぞれの位相部内で相互に接続されるモジュールの実装可能なモジュールスイッチング状態のより小さい群に減らす方法を以下に説明する。

【0022】

損失を縮小するために、それぞれの位相部を、相互に並列に接続された大きい群のモジュールに分け、バイパスを避けることが有利である。従って、本発明による方法のまた別の実施形態では、全ての可能なモジュールスイッチング状態の総計から、割り当てられた又は割当可能なモジュールスイッチング状態は、基本的なスイッチング状態の全モジュールの並列相互接続によって得ることができるモジュールスイッチング状態から形成される。しかしながら、これは、原則的に、最適化のためのモジュールスイッチング状態の組合せのためのあらゆる可能性を使用する可能性を制限しない。しかしながら、並列相互接続によって得られるモジュールスイッチング状態のみが使用される場合、隣接モジュールに関する基本的スイッチング状態は、従って、並列モジュールスイッチング状態「ｐ」である。図２に関する説明から明らかであるように、Ｎ－１個の負の及びＮ個の正の電圧レベルｌがあり、ｌ∈（－Ｎ＋１，．．．，Ｎ）である。所望の電圧レベルｌを得るために、ｌ個のモジュールを直列接続しなければならない。この場合、正の電圧レベルの場合の全ての可能なモジュールスイッチング状態の数ｎ_ｌ≧０は、

【数1】

により与えられ、負の電圧レベルの場合の全ての可能なモジュールスイッチング状態の数ｎ_ｌ＜０は、

【数2】

である。

【0023】

実装可能な電圧レベルに関する全ての可能なモジュールスイッチング状態の総数ｎ_ｔｏｔは、

【数3】

により与えられる。

【0024】

モジュールに欠陥が生じると、並列モジュールスイッチング状態は、このモジュールについて不可能となり、バイパス「ｂ＋」又は「ｂ－」に置き換えられる。しかしながら、これにより、位相部内の可能なモジュールスイッチング状態の総数ｎ_ｔｏｔが減ることはない。

【0025】

位相部内のＮ＝６個のモジュールの配置の場合、例えば図２の３相マルチレベル変換器の場合、実装可能なモジュールスイッチング状態の総数は、ｎ_ｔｏｔ＝９５である。これらのモジュールスイッチング状態は、全て（ｎ_ｔｏｔ×Ｎ）マトリクスＡに保存される。
Ａ＝（ａ_ｍｊ）、ただし、ａ_ｍｊ∈｛ｓ＋，ｓ－，ｐ，ｂ＋，ｂ－｝ （４）

【0026】

マトリクスＡは、それぞれのライン又は行ｍが、位相部の全てのｊ∈｛１，．．．，Ｎ｝個のモジュールに関するモジュールスイッチング状態のそれぞれのセットを示すように確立される。従って、それぞれの列ｊは、位相部のｊ番目のモジュールに関するモジュールスイッチング状態を含む。マトリクスＡに記憶されるモジュールスイッチング状態のみが、第二のスイッチングテーブルをさらに最適化するために、すなわち費用関数を最小化するために利用可能である。

【0027】

本発明による方法の別の実施形態において、総費用関数は、費用関数と、以下の表：電流リップル、マルチレベル変換器の効率、それぞれのエネルギー貯蔵手段の経年劣化、電磁適合性、歪みのない電流／電圧プロファイル、それぞれのモジュールのモジュール温度、特にそれぞれのモジュール負荷に関するステートメントとしてのそれぞれのモジュールの温度変化（時間に関するモジュール温度の一次導関数）、スイッチングエラー、オン状態損失、フェイルセイフ機能、特にフェイルセイフ機能を最大化するための特定のモジュールの標的を定めた保存、個々のモジュールの特定された脆弱性又は異なる限度の補償、マルチレベル変換器によって駆動される電気機械の回転速度、出力周波数、電源供給システム周波数、相電流からの少なくとも１つの状態変数による少なくとも１つの制約とから形成される。費用関数のためのまた別の変数も想定可能である。

【0028】

上記のリストからの一部の選択又は組合せは、例えば、第一に全モジュールを同じモジュール温度にすべきであり、第二に電流リップルを最小にすべきであるという制約を表す。それぞれのモジュールの個々のモジュール温度ｔ（単位［Ｋ］）は、それぞれのモジュールにおけるそれぞれの温度センサにより最適化手段に報告される。全モジュール温度の総計により、Ｋ＝３位相部、ｋ∈｛ａ，ｂ，ｃ｝及びＮ＝６モジュールの３相マルチレベル変換器の例について、（Ｋ×Ｎ）マトリクスＴとしてのｋ番目の位相部についてｊ∈｛１，．．．，Ｎ｝が得られる。
Ｔ＝（ｔ_ｋｊ）、ただし、ｔ_ｋｊ∈［２３０，３４０］ （５）

【0029】

電流リップルは、それぞれの相電流Ｉ_ｋ（単位［Ａ］）に依存し、Ｋ＝３位相部の例では、結果は、以下の通りとなる。
Ｉ＝（Ｉ_ｋ）、ただし、Ｉ_ｋ∈［－２００，２００］及びｋ∈｛ａ，ｂ，ｃ｝ （６）

【0030】

これらの２つの制約に加えて、考慮すべき第三の制約は、前述の損失縮小であり、その結果、モジュールスイッチング状態は、式（４）のマトリクスＡにより示される。最後に、本発明によれば、費用関数は、マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の均一な放電により影響を受け、これは、本明細書においてＳＯＣと呼ぶものとし、これは、「電荷状態」の略語であり（単位はなく、％で示される）、本明細書では、前述の例について、結果は、（Ｋ×Ｎ）マトリクスとなる。
ＳＯＣ＝（ｓｏｃ_ｋｊ）、ただし、ＳＯＣ_ｋｊ∈［０，１００］ （７）

【0031】

これらの変数の全てが総費用関数Ｇ（ＳＯＣ，Ｔ，Ｉ，Ａ）により組み合わされる。

【0032】

マルチレベル変換器の全てのＮ_ｔｏｔ＝Ｋ^＊Ｎのエネルギー貯蔵手段の均一な放電のみに集中する単純なアルゴリズムの例として、それぞれのモジュールｉに関するモジュール電流Ｉ_ｉ及びそれぞれのモジュールｉに関する電荷状態ＳＯＣ_ｉにより、以下の費用関数が得られる。

【0033】

【数4】

【0034】

式（８）の費用関数の最適化から、有利には、その電荷状態が平均電荷状態ＳＯＣ_ｍｅａｎより高いモジュールの放電と、その荷電状態がＳＯＣ_ｍｅａｎより低いモジュールの充電とを可能にする第二のスイッチングテーブルが導かれる。

【0035】

マルチレベル変換器の効率にのみ集中する単純なアルゴリズムの別の例として、それぞれのモジュールｉに関するモジュール電流Ｉ_ｉにより、以下の費用関数が得られる。

【0036】

【数5】

【0037】

正確には、図１において説明されるそれぞれのモジュールを有するモジュラマルチレベル変換器の場合、抵抗損失は、有利には、隣接モジュールの並列相互接続の結果として減少する。このモジュールマルチレベル変換器の効率は、従って、それぞれのモジュール電流の二乗

【数6】

の最小化により最大化でき、これは、抵抗損失に直接比例する。

【0038】

本発明による方法のさらに別の実施形態において、それぞれの少なくとも１つの制約に影響を与え、且つそれに固有のそれぞれの時間枠内でのみ変化するそれぞれの状態変数について、総費用関数における関連する項は、それぞれの時間枠が経過した後にのみ新たに計算される。本発明によれば、総費用関数Ｇの計算では、従って、それぞれの状態変数が、時間がたつと異なる変化を示すという点が考慮される。幾つかの状態変数、例えばモジュール温度又は電荷状態は、最適化手段が新たな第二のスイッチングテーブルを計算するために時間を必要とするよりもゆっくりと変化するため、関連する制約も、再び最適化手段において、それぞれの時間枠が経過した後に変化が生じた場合にのみ新たに評価されなければならない。例えば、マルチレベル変換器のエネルギー貯蔵手段の高い熱容量及び高い電気的キャパシタンスにより、モジュール温度及び電荷状態は、何れもゆっくりとのみ変化し、１秒の時間枠でほとんど大きく変化しない。従って、総費用関数の最適化のために、項は、この点において、この時間枠内で新たに計算しなくてよい。それに対して、それぞれのモジュールを流れる電流は、スイッチング周波数により予め決められる時間枠内で変化し、それぞれの相電流に依存する。従って、有利には、例えば１秒の時間枠内の、前述の例の総費用関数Ｇ（ＳＯＣ，Ｔ，Ｉ，Ａ）のための最適化手段の本解決策のスペースは、現在の温度Ｔ_ｐｒｅｓ及び現在の電荷状態ＳＯＣ_ｐｒｅｓの固定値によって制約される。この時間枠内で最適化手段により実行されることになる最適化、すなわち最小スイッチング損失に関する全ての可能なスイッチング状態から、事前に選択されたモジュールスイッチング状態の変化Ａによる総費用関数Ｇ（ＳＯＣ_ｐｒｅｓ，Ｔ_ｐｒｅｓ，Ｉ，Ａ）の最小値を求めることは、従って、有利には、相電流Ｉに限定される。
Ｇ_{ｔｉｍｅ ｆｒａｍｅ}（Ｉ，Ａ）＝Ｇ（ＳＯＣ_ｐｒｅｓ，Ｔ_ｐｒｅｓ，Ｉ，Ａ） （１０）

【0039】

スイッチング損失に関する最適化は、正確には、スイッチングステップにつき最大で１モジュールのみがそのモジュールスイッチング状態を変化させたときに最大となる。相電流の電流方向のみが最適化アルゴリズムに影響を与える場合、最適化アルゴリズムは、１だけ高い電圧レベル又は１だけ低い電圧レベルの何れかが選択されるか否か及び対応する相電流が正であるか又は負であるかを決定しなければならないことに限定できる。これらの状況の全てがまとまり、位相部のモジュールのｎ_ｔｏｔモジュールスイッチング状態の各々について、後続のモジュールスイッチング状態の正確に１つの最適セットがあるという結果が得られ、これは、必要な出力電圧及び相電流の方向に依存する。前述の例について、位相部に配置されたモジュールに沿った相電流の分布は、従って、モジュールスイッチング状態に応じて推定され、総費用関数Ｇ_{ｔｉｍｅ ｆｒａｍｅ}（Ｉ，Ａ）は、式（１０）に従って計算される。総費用関数を最適化する最適モジュールスイッチング状態は、その後、次のスイッチングステップとしてそれぞれのモジュールスイッチング状態に割り当てられ、前記モジュールスイッチング状態は、それぞれ電圧レベル及び電流方向に依存する。モジュールスイッチング状態の４つのそれぞれの最適セットは、それらのそれぞれの行番号ｍ∈｛１，２，．．．，ｎ_ｔｏｔ｝と共に、以下により示される（ｎ_ｔｏｔ×２×２）マトリクスＢ内のマトリクスＡに入力される。
Ｂ＝（ｓ_ｈｐｑ）、ただし、Ｓ_ｈｐｑ∈｛１，２，．．．，ｎ_ｔｏｔ｝ （１１）

【0040】

このマトリクスＢの行ｈ∈｛１，２，．．．，ｎ_ｔｏｔ｝は、それぞれの位相の全モジュールに関する現在のモジュールスイッチング状態又はマトリクスＡ内のそれらの行位置を表す。指数ｐ＝１は、必要な電圧レベルＩが現在の電圧レベルより低い場合に選択され、そうでなければｐ＝２が選択される。負の相電流の場合、指数ｑ＝１が選択され、そうでなければｑ＝２が選択される。例えば、位相部のそれぞれのモジュールのＮ＝６個のモジュールスイッチング状態を有するマトリクスＡの、モジュールスイッチング状態４０の現在のセット、すなわち行４０を考慮するものとし、電圧需要は、現在の出力電圧より低く、相電流の現在の電流方向は、正とする。その後、入力Ｓ_{４０，１，２}がマトリクスＢ内で選択される。この例の３つの位相に関するそれぞれのマトリクスＢ_ａ、Ｂ_ｂ、Ｂ_ｃは、マトリクスＡと共に、第二のスイッチングテーブルを表すか、又はスケジューラへの移行時に第一のスイッチングテーブルを表し、それに従ってマルチレベル変換器が制御される。

【0041】

最適化問題の公式化されたタスクに応じて、マトリクスＢ又は３相の場合にはそれぞれのマトリクスＢ_ａ、Ｂ_ｂ、Ｂ_ｃの上記の寸法を適用することが可能であり、それにより上の例の場合に（ｎ_ｔｏｔ×２×２）マトリクスが得られる。上の例では、電流方向のみ又はそれぞれの相電流の符号のみを考慮すれば十分であるが、より複雑な分割も想定可能である。相電流の例では、従って、その結果として式（１１）における指数ｋにより指定される寸法が延ばされることになる。分割は、例えば、電流振幅に応じて実行できる。従って、例えば－１５０Ａ未満、－１５０Ａ～－１００Ａ、－１００Ａ～－５０Ａ、－５０Ａ～０Ａ、０Ａ～５０Ａ、５０Ａ～１００Ａ、１００Ａ～１５０Ａ及び１５０Ａ超の分割を使用することができる。代替的な各範囲への分割も本発明の意味において同様に想定可能である。

【0042】

前述の３相マルチレベル変換器の例に関して、本発明による方法を実行する最適化アルゴリズムは、例えば、Ｚｙｎｑ（登録商標）－７０００＠Ｘｉｌｉｎｘ（登録商標）チップ上の３相マルチレベル変換器の制御の一部として実装でき、これは、プログラマブルＡｒｔｉｘ（登録商標）－７ロジックでのデュアルコアＡＲＭ（登録商標）Ｃｏｒｔｅｘ（登録商標）－Ａ９プロセッサを有する。図３でも説明されるように、スケジューラ又はスイッチングコントローラがプログラマブルロジック上で実装される一方、それと並列して最適化アルゴリズムがＣｏｒｔｅｘ（登録商標）－Ａ９上で実装される。必要なパラメータ、ここでは温度及び電荷の状態は、ＡＸＩフルインタフェースを介してＣｏｒｔｅｘ（登録商標）－Ａ９に転送され、それが最も近い接最適モジュールスイッチング状態又はマトリクスＡ内のその行番号を３つのマトリクスＢ_ａ、Ｂ_ｂ、Ｂ_ｃ（上の例においてそれぞれ各位相ａ、ｂ及びｃにつき１つ）内に保存し、これをマトリクスＡと共に新しい第二のスイッチングテーブルとしてプログラマブルロジック上のスケジューラに送信する。従って、その時点でのこの第一のスイッチングテーブルは、その時点でのそれぞれの新たに計算又は最適化された第二のスイッチングテーブルにより、規則的に、ただしスケジューラが動作するものよりはるかに大きいタイムスケールで上書きされる。従って、スケジューラにそれ以上の計算負荷がかからず、それぞれの最も近いモジュールスイッチング状態（ｓ_ｈｐｑ）ａ、（ｓ_ｈｐｑ）ｂ、（ｓ_ｈｐｑ）ｃを必要な電圧レベル（ｌ_ａ、ｌ_ｂ、ｌ_ｃ）及び相電流（Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃ）に応じて選択するのみでよい。従って、各位相ａ、ｂ、ｃについての選択のそれぞれの結果Ｓ_ａ、Ｓ_ｂ、Ｓ_ｃは、マトリスクＡのそれぞれの行であり、モジュールスイッチング状態がそれに保存される。従って、スイッチングコントローラ及び最適化アルゴリズムの並列処理により、例えばｋＨｚ以上のオーダの高速スイッチング周波数が可能となり、それは、最適スイッチングテーブルの計算が非同期的に行われ、例えばヘルツのオーダのより大きい時間スケールで進む。

【0043】

しかしながら、本発明による方法を実行する最適化アルゴリズム及びスイッチングコントローラを共通のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）上に実装し、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）又はその他等の別のロジックを使用しないことも想定可能である。この場合、スケジューラは、固定された、リアルタイムにイネーブルされるスケジューリング、すなわち保証された最大遅延及び保証された最大デッドラインで信号処理装置上において慣例的な逐次的プロセスとして動作し、それによって例えば電源供給システム調整又は機械調整の所定の最小レート又は反応時間が順守される。電源供給システム又は機械調整及びスケジューラは、例えば、それぞれの中断によって要求できる。それと並行して、最適化は、別のプロセス又はスレッドとして、大幅により長いデッドラインで又は全くデッドラインを設けずにほとんど独立して動作する。第一のスイッチングテーブルは、スケジューラによって読取りのみとしてアクセスされ、最適化アルゴリズムが前記第一のスイッチングテーブルに短時間にわたり書込み又はコピーのためにアクセスすることから、両方のプロセス又はスレッドの、主に原因となる分離を実現できる。任意選択により複数のコアを有する１つの同じプロセッサは、スケジューラの又はリアルタイム部で動作する他のプロセッサ、例えば電源供給システム又は機械調整の休止中に最適化アルゴリズムを実行でき、その際、スケジューラ又は前記他のプロセスは、不利な影響を受けない。スケジューラは、例えば、メモリからの対応する最も近いモジュールスイッチング状態の純粋な入力値依存読取り及びプロセッサのＩ／Ｏユニットへの直接転送として表すことができる。

【0044】

本発明による方法の別の実施形態において、第一のスイッチングテーブルの、それぞれの電圧レベルに応じてマルチレベル変換器で各々設定されるモジュールスイッチング状態を有する行は、変調器によって提供されるそれぞれの電圧レベルのマッピングによってアクセスされ、この行は、スイッチングテーブルを含むメモリ内の行の内容を指すアドレスとしても使用できる。マッピングのための別のパラメータは、例えば、電流方向であり得る。スケジューラへの入力変数から第一のスイッチングテーブル内のモジュールスイッチング状態を見つけるためのアドレシング仕様へのこの直接的変換は、任意選択によりプログラム可能であり得る専用のロジックが利用できない場合に有利である。マッピングは、ビット単位のロジック演算、ビット単位の連鎖、和及び／若しくは差並びに／又は２の倍数による乗算及び／若しくは２の倍数による除算によって行われる。このようにして、出力されるべきモジュールスイッチング状態のアドレスの計算は、浮動小数点算術ユニット又は複雑な飛越し命令を必要としない単純な算術演算により表すことができ、これは、本発明による方法により提供されるマッピングの場合、入力変数自体が、有利には、第一のスイッチングテーブル内のアドレス又は行を形成するからである。このようなアドレス形成の一例を表２に示す。

【0045】

【表2】

【0046】

本発明による方法の別の実施形態において、マルチレベル変換器の複数の代替的な全体的スイッチング状態が存在する場合、スケジューラは、所定のルールに従って選択を行う。スケジューラは、この選択を例えばランダムに又は所定のルールに従って行う。このような所定のルールは、例えば、厳密に過去の使用頻度に応じて選択を行うように規定され得る。

【0047】

本発明による方法のまた別の実施形態において、リアルタイム部において、機械調整装置は、変調器の上流に連続して配置され、且つマルチレベル変換器に接続された電気的機械の実際の及び所望の相電流間の差に従って変調器に事前定義を適用する。リアルタイム部の機械調整装置の正確な配置は、図３から明らかである。代替的に、ＡＣ電圧電源供給システム調整のための機器も、マルチレベル変換器がＡＣ電圧電源供給システム機器として動作する場合、ここに含めることができる。しかしながら、電気的機械がマルチレベル変換器によって駆動される場合、トルク又は回転速度要求に関する事前定義が機械調整装置によって行われることが意図される。

【0048】

本発明による方法の別の実施形態において、変調器は、以下のリスト：ＰＷＭ生成、シグマ－デルタ変調、最近接レベル変調、パルス密度変調、スペクトル調整に従って少なくとも１つのスイッチング変調を実行する。これらは、先行技術から知られるスイッチング変調の方法である。本発明による方法のある実施形態は、このようなスイッチング変調を、最適化アルゴリズムによる障害を受けずに、変調器によってリアルタイム部で実行できるようにする。

【0049】

さらに、マルチレベル変換器の全体的スイッチング状態の制御のためのシステムであって、マルチレベル変換器は、少なくとも１つのモジュールを有する、システムが特許請求される。この少なくとも１つのモジュールは、第一の側の少なくとも１つの端子及び第二の側の少なくとも１つの端子と、少なくとも２つの制御可能スイッチと、少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段とを有する。第一の側の少なくとも１つの端子と第二の側の少なくとも１つの端子との間の第一の接続において、少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段は、少なくとも２つの制御可能スイッチの第一のものと直列に配置され、及び第一の側の少なくとも１つの端子と第二の側の少なくとも１つの端子との間の第二の接続において、少なくとも２つの制御可能スイッチの第二のものが配置される。この実施形態により、少なくとも１つのモジュールの第一及び第二の端子間において、エネルギー貯蔵部を直列に接続できるか、又はそれを迂回できるか、又は電線を完全に中断できる。第二の構成では、少なくとも１つのモジュールは、第一の側の少なくとも２つの端子と、第二の側の少なくとも２つの端子とを有する。少なくとも１つのエネルギー貯蔵手段は、第一の側又は第二の側の少なくとも２つの端子間に直接配置され、少なくとも２つの制御可能スイッチの第一のものは、第一の側の第一の端子と第二の側の第一の端子との間に配置される。少なくとも２つの制御可能スイッチの第二のものは、第一の側の第二の端子と第二の側の第二の端子との間に配置される。本発明によるシステムにおいて、制御は、リアルタイムモジュールとオフラインモジュールとに分割され、リアルタイムモジュールは、少なくとも１つの変調器とスケジューラとを有する。変調器は、各時間ステップについて、それぞれの電圧レベルを電圧需要に配分する。スケジューラは、それぞれの電圧レベルについて、第一のスイッチングテーブル内の全スイッチのそれぞれの全体的スイッチング状態を特定し、且つそれぞれの全体的スイッチング状態を制御信号として全スイッチに渡す。オフラインモジュールは、最適化手段を含み、最適化手段は、第二のスイッチングテーブルを費用関数に従って継続的に連続して計算する。費用関数は、複数の所定のモジュールスイッチング状態から形成される全体的スイッチング状態をマルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の均一な放電に関して評価し、マルチレベル変換器の全てのエネルギー貯蔵手段の現在の電荷状態は、最適化手段に連続的に提供される。この目的のために、システムは、リアルタイムモジュール及びオフラインモジュールのためのそれぞれ少なくとも１つのコンピューティングユニットを提供する。

【0050】

本発明によるシステムの別の構成では、リアルタイムモジュールにおいて、変調器は、第一のスイッチングテーブル内の全スイッチのそれぞれの全体的状態を特定するように構成される。オフラインモジュールにおいて、最適化手段は、第二のスイッチングテーブルを継続的に連続して計算するように構成され、第一及び第二のスイッチングテーブルは、相互に異なり得、計算の完了後、計算された第二のスイッチングテーブルは、第一のスイッチングテーブルに置き代わり、且つそれ以降、第一のスイッチングテーブルとして使用され、及び最適化手段は、新しい第二のスイッチングテーブルの計算を開始する。

【0051】

本発明によるシステムのまた別の構成では、全ての可能なモジュールスイッチング状態の総計から、所定のモジュールスイッチング状態は、基本的スイッチング状態からの複数のモジュールの全モジュールの並列相互接続から得ることができるモジュールスイッチング状態から形成される。

【0052】

本発明によるシステムの別の構成では、システムは、全体的システムの少なくとも１つの状態変数に割り当てられる少なくとも１つのセンサをさらに有し、全体的システム全体は、マルチレベル変換器と、マルチレベル変換器の全体的スイッチング状態のコントローラと、マルチレベル変換器の出力電圧をタップオフする電子消費装置とを含み、費用関数のための制約は、少なくとも１つのセンサによって提供される少なくとも１つの測定変数により、少なくとも１つの状態変数によって形成され、及び総費用関数は、前記制約と共に費用関数から得られ、少なくとも１つの状態変数は、以下の表：電流リップル、マルチレベル変換器の効率、それぞれのエネルギー貯蔵手段の経年劣化、電磁適合性、歪みのない電流／電圧プロファイル、それぞれのモジュールのモジュール温度、特にモジュール負荷に関するステートメントとしてのそれぞれのモジュールの温度変化（時間に関するモジュール温度の一次導関数）、スイッチングエラー、オン状態損失、フェイルセイフ機能、特にフェイルセイフ機能を最大化するための特定のモジュールの標的を定めた保存、個々のモジュールの特定された脆弱性又は異なる限度の補償、マルチレベル変換器によって駆動される電気機械の回転速度、出力周波数、電源供給システム周波数、相電流から得られる。

【0053】

本発明によるシステムのまた別の構成では、システムのリアルタイムモジュールは、電気機械の実際の及び所望の相電流間の差に従って変調器に事前定義を適用するように設計された機械調整装置をさらに有する。

【0054】

最後に、本発明によるシステムを備えるモジュラマルチレベル変換器であって、本発明による方法を実行するように設計され、それぞれのモジュールは、少なくとも４つのスイッチ（並列接続を有さないマルチレベル変換の場合に十分である）及び１つの好ましい実施形態では８つのスイッチ（並列接続によるマルチレベル変換器に対応する）を有する、モジュラマルチレベル変換器が特許請求される。少なくとも４つのスイッチを有する本発明によるマルチレベル変換器の場合、少なくとも１つのハーフブリッジがそれぞれの側に配置される。８つのスイッチを有する本発明によるマルチレベル変換器の場合、４つのハーフブリッジが８つのスイッチから配置され、それぞれのモジュールにおいて、第一の２つのハーフブリッジは、第一の側の少なくとも２つの端子に並列に相互接続され、第二の２つのハーフブリッジは、右側の少なくとも２つの端子に並列に相互接続され、及びそれぞれのモジュールの第一の側及び第二の側のそれぞれのハーフブリッジのそれぞれのローサイドスイッチ及びハイサイドスイッチ間に電気接続がある。

【0055】

本発明の他の利点及び構成は、説明文及び添付の図面から明らかである。

【0056】

言うまでもなく、上述の特徴及び今後説明されるそれらは、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれの明示された組合せでだけでなく、他の組合せ又はそれら単独で使用できる。

【0057】

図面は、相関し、網羅的な方法で説明され、同一の構成要素には同じ参符号が付与されている。

【図面の簡単な説明】

【0058】

【図1】先行技術によるモジュラマルチレベル変換器のモジュールの回路を概略的に示す。

【図2】先行技術によるモジュラ３相マルチレベル変換器に関する回路を示す。

【図3】本発明による方法の１つの実施形態における、マルチレベル変換器の制御のリアルタイム及びオフライン部への本発明による制御部変更に関するブロック図を概略的に示す。

【図4】本発明による方法の１つの実施形態におけるスケジューラの入力及び出力に関するブロック図を概略的に示す。

【図5】本発明による方法の１つの実施形態における最適化手段に関するブロック図を概略的に示す。

【図6】本発明によるシステムの１つの構成におけるハードウェアの物理的セットアップを概略的に示す。

【図7】本発明によるシステムの別の構成におけるデジタル信号プロセッサのユニットへの分割を概略的に示す。

【図8】本発明による方法の１つの実施形態における、スケジューラへの入力変数の第一のスイッチングテーブルの行へのマッピングによるアドレス形成中のシーケンスを概略的に示す。

【図9】本発明による方法の１つの実施形態における、スケジューラへの入力変数の第一のスイッチングテーブルの行へのマッピングによる別のアドレス形成中のシーケンスを概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0059】

図１は、先行技術による直列／並列相互接続が可能なモジュラマルチレベル変換器のモジュール１００の回路を概略的に示す。この配置には、各々が２つのスイッチ、「Ｓ１」１０１及び「Ｓ２」１０２、並びにそれぞれ「Ｓ３」１０３及び「Ｓ４」１０４、並びにそれぞれ「Ｓ５」１０５及び「Ｓ６」１０６、並びにそれぞれ「Ｓ７」１０７及び「Ｓ８」１０８を有する４つのハーフブリッジ、エネルギー貯蔵手段１０９及びコンデンサ１１０がある。それぞれのスイッチ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８は、本来的に存在するボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴの回路記号により表される。２つのハーフブリッジ１０１、１０２及び１０５、１０６並びにそれぞれ１０３、１０４及び１０７、１０８は、それらのそれぞれの低電圧側スイッチ１０２及び１０６並びにそれぞれ１０４及び１０８、並びに関連する高電圧側スイッチ１０１及び１０５並びにそれぞれ１０３及び１０７間に相互に接続される。モジュール１００は、２つの第一の、ここでは左側の端子１１１及び１１２と、２つの第二の、ここでは右側の端子１１３及び１１４とを有する。それぞれのモジュールスイッチング状態に応じて、すなわち同じ時点でのモジュール１００のスイッチのスイッチング状態に応じて、モジュール１００及びそれぞれ又はエネルギー貯蔵手段１０９は、構造的に同じ別のモジュールと相互接続して、従ってエネルギー貯蔵手段１０９の直列相互接続若しくは並列相互接続又はバイパスを実現できる。正の極性の直列相互接続のための「ｓ＋」として指定される第一のモジュールスイッチング状態は、スイッチ１０１及び１０６並びにまたスイッチ１０３及び１０８の直列接続によって形成される。負の極性の直列相互接続のための「ｓ－」として指定される第二のモジュールスイッチング状態は、スイッチ１０２及び１０５並びにまたスイッチ１０４及び１０７の直列接続によって形成される。並列相互接続のための「ｐ」として指定される第三のモジュールスイッチング状態は、スイッチ１０１及び１０５並びにまたスイッチ１０４及び１０８の直列接続により形成される。低電圧側のスイッチを通したバイパス又はモジュールバイパスのための「ｂ＋」として指定される第四のモジュールスイッチング状態は、スイッチ１０２及び１０６並びにまたスイッチ１０４及び１０８の直列接続によって形成される。高電圧側のスイッチを通したバイパス又はモジュールバイパスのための「ｂ－」として指定される第五のモジュールスイッチング状態は、スイッチ１０１及び１０５並びにまたスイッチ１０３及び１０７の直列接続により形成される。モジュール１００内のそれぞれのスイッチ位置での全モジュールスイッチング状態は、表１に挙げられている。

【0060】

図２は、先行技術によるモジュラ３相マルチレベル変換器２００に関する回路を概略的に示す。３つの位相の各々は、それぞれの場合に６つの図１の設計のモジュール１００で形成される。第一の位相は、モジュール２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６を有する第一の位相部２１０によって形成され、第二の位相は、モジュール２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６を有する第二の位相部２２０によって形成され、第三の位相は、モジュール２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６を有する第三の位相部２３０によって形成される。それぞれの位相部始点は、モジュール２１１、２２１、２３１により与えられ、それぞれの位相部の終点はモジュール２１６、２２６、２３６により与えられる。それぞれの位相部２１０、２２０、２３０のそれぞれの位相部終点に形成される３つの位相は、電気的機械２０２を駆動し、これは、例えば、電気自動車の走行用モータであり得る。それぞれの位相部２１０、２２０、２３０のそれぞれの位相部始点において、モジュール２１１、２２１及び２３１は、２つの中性点２０１を介して接続される。それぞれの位相部２１０、２２０、２３０の６つ全てのモジュール１００が直列に相互接続されている「ｓ＋」の場合、それぞれの位相部２１０、２２０、２３０内のそれぞれのエネルギー貯蔵手段１０９は、直列回路を形成し、６倍のモジュール電圧が得られる。位相ごとのモジュール数をＮとすると、従ってモジュール電圧のＮ倍の位相電圧を得ることができる。各位相の最後のモジュール２１６、２２６、２３６は、それぞれ短絡され、そのため、これらのモジュール２１６、２２６、２３６は、並列モジュールスイッチング状態「ｐ」に切り替えられないようになっており、それによって各モジュール２１６、２２６、２３６のそれぞれのエネルギー貯蔵手段１０９の短絡が回避される。これらの最後のモジュール２１６、２２６、２３６の基本的状態は、常にモジュールスイッチング状態「ｂ－」により形成され、これは、モジュールスイッチング状態「ｓ－」に対応する。従って、モジュールマルチレベル変換器２００によりＮ－１個の負の電圧ステップのみを形成できる。反対側では、それぞれのモジュール２１１、２２１、２３１のエネルギー貯蔵手段１０９は、原則として２つの中性点２０１を介して並列に相互接続される。その結果、位相部２１０、２２０、２３０内の３つの位相は、相互に依存する。全モジュール１００のバイパスにより確立されるゼロ値と共に、マルチレベル変換器内にＮ個のモジュールがあるとすると、代表的な電圧レベルの数Ｌは、下式の通りとなる。
Ｌ＝Ｎ＋（Ｎ－１）＋１＝２Ｎ （１）

【0061】

図３は、本発明による方法の１つの実施形態における、マルチレベル変換器の制御のオフライン部３１０及びリアルタイム部３２０への本発明による分割に関するブロック図３００を概略的に示す。オフライン部３１０は、最適化手段３１１を含み、これは、ハードウェア技術の点でＡＲＭ（登録商標）Ｃｏｒｔｅｘ（登録商標）－Ａ９プロセッサ上に実装できる。リアルタイム部３２０は、ハードウェア技術の点でオフライン部３１０の実装とは別にプログラム可能ロジック上で実装でき、変調器３２２及びスケジューラ３２３並びに任意選択により機械調整装置３２１を含む。最適化手段３１１は、入力として、それぞれのセンサから、例えばそれぞれのエネルギー貯蔵手段の電荷状態３０１に関する、又はそれぞれのモジュール温度３０２に関する、又はスイッチングエラー３０３に関する測定変数を受け取る。それぞれの電圧レベルのための全ての可能なモジュールスイッチング状態の総計から、最適化手段上で実行される最適化アルゴリズムは、損失を最小化するために、基本的スイッチング状態からの全モジュールの並列相互接続から得ることができるモジュールスイッチング状態を求め、これらを各位相部ｊについて個別にマトリクスＡ_ｊ ３１３に書き込む。さらに、それぞれのマトリクスＡ_ｊ ３１３のこれらのモジュールスイッチング状態について、費用関数、例えば式（１０）により、最適化アルゴリズムが位相部のためのモジュールスイッチング状態のそれぞれの最善の最近接セット（位相部ｊの各モジュールを含む）を求め、そのマトリクスＡ_ｊ ３１３内の行番号を（ｎ_ｔｏｔ×２×２）マトリクスＢ_ｊ ３１２に書き込む。マトリクスＡ_ｊ ３１３内の行番号は、設定電圧及び電流方向に応じて、マトリクスＢ_ｊ ３１２の要素内に保存される。毎回上方若しくは下方への１電圧レベルの変化又は上方若しくは下方への１電流レベルの変化のみが考慮されるため、２×２の寸法が得られる。電流に関する寸法が延長された場合、マトリクスＢ_ｊ ３１２も長くなる。マトリクスＡ_ｊ ３１３及びＢ_ｊ ３１２は、第二のスイッチングテーブルを形成し、これは、リアルタイム部でのプロセスに関して非同期的に、第一のスイッチングテーブルとしてスケジューラ３２３により利用可能とされる。従って、最適化アルゴリズムは、リアルタイムでイネーブルされなくてよく、これにより有利にはリソースが保護される。リアルタイム部３２０では、機械調整３２１を任意選択により配置でき、これは、それぞれのセンサからの入力として、例えば接続された電気機械の回転速度３０４に関する又は個々の相電流３０５に関する測定変数を受け取る。マルチレベル変換器がＡＣ電圧電源供給システムデバイスとして使用される場合、回転速度３０４の代わりに電源供給システムの周波数が関わる。機械調整３２１は、それぞれの変数の実際の値を設定点値と継続的に比較して、各位相部ａ、ｂ、ｃについて別々に、変調器３２２にそれぞれの差に対応する電圧需要（ｖ^＊ _ａ、ｖ^＊ _ｂ、ｖ^＊ _ｃ）３２４を適用する。変調器３２２は、スイッチング変調を実行し、これは、例えば、パルス幅変調ＰＷＭ、若しくはシグマ－デルタ変調、若しくは最近接レベル変調、若しくはパルス密度変調、若しくはスペクトル調整又は他の何れかの想定可能な変調によって実現でき、そこから得られる数値化された電圧レベル（ｌ_ａ、ｌ_ｂ、ｌ_ｃ）３２５を、表されるべき出力電圧としてスケジューラ３２３に通信する。最後に、それぞれ通信された電圧レベルのための第一のスイッチングテーブル内において、スケジューラは、モジュールスイッチング状態のそれぞれのセット（Ｓ_ａ、Ｓ_ｂ、Ｓ_ｃ）３０６を特定し、それを実行のためにマルチレベル変換器に送信する。

【0062】

図４は、本発明による方法の１つの実施形態における、入力変数４０１、４０２、４０３、４２０及びスケジューラ４１０の出力変数としてマルチレベル変換器により実行されるべき全体的スイッチング状態４０４に関するブロック図４００を概略的に示す。入力変数４０１、４０２、４０３、４２０として、スケジューラ４１０には、例えば、マルチレベル変換器のモジュールによって表されることのできる電圧レベルに数量化された新しい電圧需要４０１及び／又は電流需要４０２が提供される。さらに、スイッチングステップで以前に実現された全体的スイッチング状態４０３が入力される。純粋な読取りプロセス４０５では、スケジューラは、それぞれ望まれる電圧レベルについて関連するモジュールスイッチング状態がその中に保存されている第一のスイッチングテーブル４２０を参照する。よりよい最適化の結果又は現在の全体的スイッチング状態への適用のために、例えば異なる電流振幅及び／又は電流方向について最適化された別の寸法を第一のスイッチングテーブル４２０に追加できる。さらに、ある電圧需要のための最善の最も近い全体的スイッチング状態の選択は、存在する最後の全体的スイッチング状態４０３にも関係付けることができ、これは、例えば、存在するこの最後の全体的スイッチング状態４０３から進めて、スイッチング損失を回避し、モジュールスイッチング状態をできるだけ変化させずに新しい全体的スイッチング状態４０４に到達することが有利であるからである。従って、第一のスイッチングテーブルは、さらなる寸法だけ延長される。これらの寸法の１つは、例えば、特定のモジュールスイッチング状態が切り替えられるそれぞれの電流により、例えば出力状態が「全モジュールスイッチング状態をバイパス」の電流０Ａについて、出力状態が「直列接続されるそれぞれの位相部端のモジュールとは別に、全モジュールスイッチング状態をバイパス」の電流０Ａについて又は出力状態が「全モジュールスイッチング状態を直列相互接続」の電流５００Ａについて付与され得る。原理的に、第一のスイッチングテーブルの寸法は、これが利用可能な演算時間及び／又はメモリスペースにより可能である限り、想定可能な全ての制約について延長できる。

【0063】

図５は、本発明による方法の１つの実施形態における、最適化手段５１０に関するブロック図５００を概略的に示す。最適化手段５１０は、複数の電流ステップについて、モジュールスイッチング状態により生成可能な全ての電圧ステップを計算し、プロセス中の主要な計算負荷を負担する。しかしながら、これは、ハードウェア技術の点で専用コンピューティングユニット上に実装されるため、これは、存在する（第一の）スイッチングテーブルに基づいて、それが最適化手段５１０から新たに計算されたその（第二の）スイッチングテーブル５２０を受け取るまで動作するスケジューラの実装に不利な影響を与えない。最適化手段５１０は、各全体的スイッチング状態の費用関数に従って最適化されるモジュールスイッチング状態を求め、これらを保存プロセス５０２によって第二のスイッチングテーブル５２０内に記録する。全体的スイッチング状態は、有利には、利用可能な計算時間及び／又はメモリスペースのみを限界として、できるだけ多くの測定変数により定義できる。測定変数は最適化手段５１０への入力５０１を形成し、例えば以下のリストか得られる：電荷状態、エラー状態、モジュール間の物理的違い、変調の程度、位相角ｃｏｓφ、電気的周波数、リーク電流及び／又は個々のモジュールからの他の電流取出し。

【0064】

図６は、本発明によるシステムの１つの構成における、ハードウェアの物理的セットアップ６００を概略的に示し、このセットアップは、物理的に分離された２つの計算ユニットへの分割を例示する。最適化手段を有するオフライン部６０２は、マイクロコントローラ、若しくはマイクロプロセッサ、若しくはデジタル信号プセッサ（ＤＳＰ）、若しくはＡＬＵベースの計算アーキテクチャ又はその組合せ上に実装される。少なくとも１つの変調器及びスケジューラを有するリアルタイム部６０６は、任意選択によりプログラム可能であり得る論理回路、例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、又はＣＰＬＤ（コンプレックスプログラマブルロジックデバイス）、又はゲートアレイ又はＰＬＡ（プログラマブルロジックアレイ）上に実装される。オフライン部６０２及びリアルタイム部６０６の両方は、第一及び第二のスイッチングテーブルを含む共通メモリ６０４にアクセスし、オフライン部６０２によるアクセスは、書込みで行われ、リアルタイム部６０６によるアクセスは、読取りで行われる。第一及び第二のスイッチングテーブルがより大きい寸法を有する場合、ダイナミックメモリをここに含めることができる。その代替案として、特に第一及び第二のスイッチングテーブルがより小さい寸法を有する場合、高速スタティックメモリ、例えばフリップフロップベースのメモリ又はベクトルレジスタを含めることができる。次のスイッチングステップのためのそれぞれのモジュールスイッチング状態のマルチレベル変換器への通信６１２は、制御バスを介して行われる。少なくとも１つのそれぞれの電流センサ６１４は、マルチレベル変換器のそれぞれのモジュール６０８に配置される。任意選択により、例えばそれぞれの温度センサ又はそれぞれのモジュール電圧センサ等のさらに別のセンサをそれぞれのモジュール６０８に配置することもできる。それぞれのセンサ６１４は、それらの測定変数６１０をセンサ信号として（個々の信号として又はバス、例えば制御バスの物理的回帰チャネルを介してまとめて）それぞれオフライン部６０２及びリアルタイム部６０６に通信する。

【0065】

図７は、本発明によるシステムの別の構成における、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７００のユニットへの分割を概略的に示す。ＤＳＰ ７００は、少なくとも１つのＣＰＵコア７０６、ＲＡＭメモリ７０４、フラッシュメモリ７０８、周辺バスコントローラ７１０、例えばＩ^２ＣのＳＰＩ、ＧＰＩＯマルチプレクサ７１２、ＤＭＡコントローラ７１４、ハードウェアＰＩコントローラ７１６及びスケジューラ７１８を含む。これらのユニット間の通信は、メモリバス７０２を介して行われる。本発明による方法を実行する最適化アルゴリズム及びスイッチングコントローラは、共通デジタル信号プロセッサ７００上に実装され、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）又はその他を使用しない。この場合、スケジューラは、信号プロセッサ７００上で、一定の、リアルタイムでイネーブルされるスケジューリングにより、すなわち保証された最大遅延及び保証された最大デッドラインで慣例的な逐次的プロセスとして動作し、それによって例えば電源供給システム調整又は機械調整の所定の最小レート又は反応時間が順守される。電源供給システム又は機械調整及びスケジューラは、例えば、それぞれの中断によって要求できる。それと並行して、最適化は、かなり長いデッドライン又は全くデッドラインを設けずに、ほとんど独立して別のプロセス又はスレッドとして実行される。第一のスイッチングテーブルは、スケジューラによって読取りでのみアクセスされ、最適化アルゴリズムは、前記第一のスイッチングテーブルに短時間にわたり書込み又はコピーのためにアクセスすることから、プロセス及びスレッドの両方の主に原因となる分離を実現できる。任意選択により複数のコアを有する１つの同じプロセッサは、スケジューラの又はリアルタイム部で動作する他のプロセッサ、例えば電源供給システム又は機械調整の休止中に最適化アルゴリズムを実行でき、その際、スケジューラ又は前記他のプロセスは、不利な影響を受けない。スケジューラは、例えば、メモリからの対応する最も近いモジュールスイッチング状態の純粋な入力値依存読取り及びプロセッサのＩ／Ｏユニットへの直接転送として表すことができる。最適化を分離した後に残っているスケジューリング部は、比較的小さく、要求の低いものであることがわかる。メインタスクを構成するのは、変調器が新しい入力変数を提供するたびに、個々のモジュールの、提供される入力変数に関連する又はそれに最も近いモジュールスイッチング状態の値、例えば必要な電圧レベル又は単純化された方法では単に電圧を１段階分増減させ、且つ例えば電流の方向が、第一のスイッチングテーブルを有するメモリ７０４、７０８から得られ、Ｉ／Ｏユニットに転送されて、モジュールに対して、それらにそれぞれ割り当てられるモジュールスイッチング状態を直接又は好ましくはバスを介して転送されるようにすることである。簡潔さのために、スケジューラは、プロセッサの専用ハードウェアユニット内に含めることができ、このユニットは、ＣＰＵコア７０６の支援を受けずにスケジューリングタスクを実現する。この目的のために、専用ユニットは、内部プロセッサバス７０２により、第一のスイッチングテーブルを有するメモリ７０４、７０８及びＩ／Ｏユニット、例えばＧＰＩＯ ７１２又は周辺バスユニット７１０にアクセスできなければならない。ＣＰＵコア７０６は、従って、調整、変調及び最適化を実行できる。

【0066】

図８は、本発明による方法の１つの実施形態における、アドレス形成中のシーケンス８００を概略的に示し、ここで、スケジューラの、全体的スイッチング状態を含むメモリ領域のメモリアドレスが入力変数８０１、８０２、８０３のマッピングによって参照され、モジュールスイッチング状態及び従って全体的スイッチング状態は、入力変数に応じて最適化されることが意図される。現在の全体的スイッチング状態と別の入力変数との組合せにより形成されるメモリアドレスは、そのままで保存されず、その二値により、最も近い全体的スイッチング状態を有するメモリアドレスへの参照をすでに形成している。第一の入力変数８０１として、例えば現在の全体的スイッチング状態がビット組合せとして利用でき、これは、例として後述する別の入力変数８０２及び８０３と共にメモリアドレスを形成し、これは、好ましくは、分別されて、すなわちその二値の大きさに応じて列挙される。第二の入力変数８０２は、例えば、変調器により提供される数量化された電圧レベルにより形成でき、これは、現在の電圧値が１ステップだけ増大されることが意図される場合にビット値「１」を担持し、現在の電圧レベルが１ステップだけ減少されることが意図される場合にビット値「０」を有する。第三の入力変数８０３は、例えば、次のスイッチングステップ中に必要な電流の方向によって形成でき、これは、電流の方向が第モジュールの第一の側から第二の側に向かう場合にビット値「１」を担持し、電流の方向がモジュールの第二の側から第一の側に向かう場合にビット値「０」を有する。しかしながら、入力変数８０３は、ごく一般的に、好ましくは高速に変化可能な入力変数のために、任意の数の別の入力変数を表すことも意図される。ビットコンカチネーションモジュール８１０において、３つの入力変数が結合されてビットのコンカチネーションが形成される。リンクモジュール８１２において、前記コンカチネーションがメモリセルサイズ、すなわち個々の全体的システム状態、すなわちマルチレベル変換器の全モジュール状態を保存するのに必要なメモリスペースのサイズ（単位［バイト］）とリンクされる。最後に、メモリ内の第一のスイッチングテーブルの位置の始まりの始点アドレスが加算モジュール８１４内に加えられる。結果８０６は、マルチレベル変換器上で第一のスイッチングテーブルから最も近い全体的スイッチング状態を実装するために、直接飛越しアドレスとして機能する。

【0067】

図９は、本発明による方法の１つの実施形態における、スケジューラへの入力変数９２２、８０２、８０３の第一のスイッチングテーブルの行へのマッピングによる別のアドレス形成中のシーケンス９００を概略的に示す。図８と比較して、第一の入力変数９２２は、絶対値として又は変調器９２０による最後の電圧需要の相対値として符号化される数量化された電圧需要である。変調器９２０への入力は、例えば、電源供給システム又は機械調整装置９１０により通信される、数量化されていない、例えば連続的な電圧需要９１２である。相対的電圧需要を使用することにより、現在の全体的スイッチング状態と最も近い全体的スイッチング状態との間に幾つの電圧ステップがあるかを制御できる。最適化の計算の複雑さが極めて高いことにより、ここでは、チェックすべき代替案の数も前述のように非常に効率的に減らすことができる。高速スイッチング変調の場合、通常、少ない数のスイッチングステップのみが必要である。比較的大きい変更が必要となるのは、頻繁に急激な電圧変化が生じるときに限られる。頻繁な比較的大きい電圧ステップにより、さらにスイッチング損失も増大し、これは、複数のモジュールを必然的に切り替えなければならないからであり、他方では、１つの電圧レベルのみの変化は、１つのみ又は少ない数のモジュール状態の変化で実現できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】