专利名称：用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的方法和设备的制作方法
用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的
方法和设备本发明总体上涉及用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的方法和设备。传统的DC/DC转换器使用电感器以便把直流电从第一电压转换到可能大于或小
于第一电压的第二电压。电感器被用于以磁场(电流)的形式存储能量，以及它们具有许多缺点。电感器重， 它们的成本相对较大，这是因为它们主要由铜制材料构成。已经提出了开关与电容器的组合以便替代电感器。举例来说，电荷泵(也被称作由多个桥接器件构成的DC/DC转换器或升压转换器) 使用电容器作为能量存储元件。当与电感性开关DC/DC转换器(其也将电感器用作能量存储元件)相比时，电荷泵提供使其对于特定终端用户应用具有吸引力的独特特征。当操作在连续电流模式(CCM)时，升压转换器按照比r=V。ut/Vin=l/(l_D)来增大输入的电压，其中D是升压转换器的主开关的占空比(在0与1之间)。常规升压转换器与由多个桥接器件构成的升压转换器之间的主要差异依赖于下述事实后者只能实现电压升压比的一些离散值。举例来说，在光伏应用中，大的输入电压变化对于由多个桥接器件构成的升压转换器来说可能是不可接受的，这是因为太阳能模块所提供的功率无法被保持到对应于最优输入电压电平的最大功率值。本发明旨在提供一种由多个桥接器件构成的升压转换器，其能够利用大量电压升压比来工作。为此，本发明涉及一种用于控制由串联连接的η个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的方法，每个桥接器件由多个开关以及电容器构成，其特征在于，所述方法包括根据被分解成N个时间间隔的周期性模式来控制所述开关的步骤，以及在每个时间间隔内， 对于i从1到n，每个第i桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者数&乘以正值、 或者负的所述数h乘以所述正值，以及所述正值是由η个桥接器件构成的所述升压转换器的输出电压除以所述周期性模式的时间间隔的数目的结果。本发明还涉及一种用于控制由串联连接的η个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的设备，每个桥接器件由多个开关以及电容器构成，其特征在于，所述设备包括用于根据被分解成N个时间间隔的一个周期性模式来控制所述开关的装置，以及在每个时间间隔内，对于i从1到n，每个第i桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者数1^乘以正值、或者负的所述数h乘以所述正值，所述正值是由η个桥接器件构成的所述升压转换器的输出电压除以所述周期性模式的时间间隔的数目的结果。因此，由η个桥接器件构成的所述升压转换器可以利用大量电压升压比来工作。此外，由于所述正值是输出电压的期望值除以所选模式的时间间隔的数目的结果，因此能够容易地从期望输出电压电平确定所述正值。随后能够容易地从所述正值选择适当的输入电压电平。
根据一个特定特征，第i个桥接器件在所述周期性模式的第j个时间间隔期间的输入与输出之间的电压的矩阵Vu的秩是rk，rk是在所述周期性模式期间具有至少一个非零电压值的桥接器件的数目。因此，桥接器件电容器的电压收敛到唯一解，并且即使在设置时间间隔的持续时间的过程中可能发生小的不确定性也是稳定的。根据一个特定特征，桥接器件在一个周期性模式的所述数目的时间间隔上的输入与输出之间的电压总和等于零值。因此，在一个周期性模式上，由恒流源(比如光伏模块)递送的电流对桥接器件的电容器均等地充电及放电，并且在假定恒定的电流源的情况下，电容器的电压是稳定的并且不放电。根据一个特定特征，第一桥接器件被连接到由η个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的端子之一，并且最后一个桥接器件的开关之一被连接到由η个桥接器件构成的升压转换器所升压的该电源的另一端子，或者第一桥接器件被连接到由η个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的端子之一，并且由η个桥接器件构成的所述升压转换器还包括至少开关，所述开关被连接到最后一个桥接器件并且被连接到由η个桥接器件构成的升压转换器所升压的该电源的另一端子。因此，所述周期性模式能够被设计成使得，桥接器件在每个时间间隔期间的输入与输出之间的电压总和可以被布置为在第一正值的7倍与负7倍之间包括的任何整数。由 η个桥接器件构成的升压转换器能够将其输入和输出功率电平适配到灵活数目的输入和输出电压电平。根据一个特定特征，对于所述周期性模式的时间间隔的第一子集中的任何时间间隔，连接到由η个桥接器件构成的升压转换器所升压的所述电源的另一端子的开关在第一子集的时间间隔期间导通，并且桥接器件在第一子集的时间间隔期间的输入与输出之间的电压总和等于整数Kp乘以第一正值。因此，当主开关导通时，输入电压Vin能够取Vout乘以Kp并且除以N的值。根据一个特定特征，对于一个周期性模式的时间间隔的第二子集中的任何时间间隔，连接到由η个桥接器件构成的升压转换器所升压的所述电源的另一端子的开关在第二子集的时间间隔期间不导通，并且桥接器件在第二子集的时间间隔期间的输入与输出之间的电压总和等于负的非零整数P乘以第一正值。因此，当主开关不导通时，输入电压Vin能够取Vout乘以(N-P)并且除以N的值。根据一个特定特征，时间间隔的第二子集包括Kp个时间间隔，第一子集包括P个时间间隔，并且数目Kp等于所述周期性模式的时间间隔的数目减去数目P。因此，输入电压Vin在所述模式的所有时间间隔处能够取Vout乘以Ν-Ρ并且除以 N的值，并且由η个桥接器件构成的升压转换器能够执行等于N除以N-P的升压比，其中N 和P能够被灵活选择以便实现所期望的升压比。结果，利用由η个桥接器件构成的升压转换器所能实现的升压比的数目增大很多。随着升压比数目的增大，于是更容易实现对输出电压的调节。根据一个特定特征，所选模式由周期性模式的时间间隔中的排列(permutation)给出。
因此，通过对应于一个电容器的充电和放电交错时间间隔，有可能通过增大电容器的充电周期的频率而限制由于这些充电和放电所导致的电压纹波。引人注意的是，这对于由η个桥接器件构成的升压转换器的效率以及对于电源质量将具有影响。举例来说，光伏源将提供更多功率，这是因为输入电压围绕最大功率点(MPP)没有过多变化。此外，通过收集对应于一个电容器的充电和放电的时间间隔，有可能限制在所述模式的持续时间期间的开关激活的次数，并且能够减少由于开关激活而导致的换向损失。根据一个特定特征，对于i从1到n，每个数Ici等于2的i减1次方。 因此，在数学上有可能总是确定对应于任何升压比N/ (N-P)的满秩矩阵，其中N小于或等于2的η次方，P小于N。根据一个特定特征，η等于3，Ic1等于1，k2等于2，k3等于4。因此，对于仅仅3个比特，有可能实现多达21个占空比，其中包括升压比10/7和 10/3，N超出2的η次方。根据一个特定特征，η等于4，Ic1等于1，1 等于1，k3等于1，并且k4等于4。因此，与Iq等于Ij2等于2、k3等于4的情况相比有可能实现更多升压比，同时把具有大额定电压的桥接器件的电容器的数目限制到一而不是二。降低了制造成本。另外，能够实现附加的升压比，比如9/7、9/6、9/3和9/2，同时把桥接器件的电容器的电压保持到稳定值。根据一个特定特征，所述方法还包括根据由η个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的期望值在多个已存储的周期性模式当中选择一个模式的步骤。因此，由η个桥接器件构成的升压转换器能够把从给定周期性模式得到的升压比适配到最佳地匹配输出电压需求(例如消耗由η个桥接器件构成的升压转换器所递送的功率的负载端子的输出电压需求)的升压比。根据一个特定特征，时间间隔的数目是在5到10之间包括的整数。因此，由η个桥接器件构成的升压转换器能够执行等于10/3和10/7的升压比。利用由η个桥接器件构成的升压转换器所能实现的升压比的数目增加了两个。因此，由η个桥接器件构成的升压转换器能够执行等于8/1、8/2、8/3、8/4、8/5、 8/6和8/7的升压比。利用由η个桥接器件构成的升压转换器所能实现的升压比的数目增加了 8个。因此，由η个桥接器件构成的升压转换器能够执行等于7/1、7/2、7/3、7/4、7/5和 7/6的升压比。利用升压转换器所能实现的升压比的数目增加了 6个。因此，由η个桥接器件构成的升压转换器能够执行等于6/1和6/5的升压比。利用由η个桥接器件构成的升压转换器所能实现的升压比的数目增加了 3个。因此，由η个桥接器件构成的升压转换器能够执行等于5/1、5/2、5/3和5/4的升压比。利用由η个桥接器件构成的升压转换器所能实现的升压比的数目增加了 4个。利用由η个桥接器件构成的升压转换器所能实现的升压比的数目变得非常大。对于光伏源，由η个桥接器件构成的升压转换器能够容易地将其升压比适配到对于给定的最大功率点输入电压所需的任何值，以便满足输出电压调节约束。通过阅读下面对示例实施例的描述，本发明的特征将更清楚地呈现出来，所述描述是参照附图进行的，其中
图Ia是由3个桥接器件构成的升压转换器的第一实例； 图Ib是由3个桥接器件构成的升压转换器的第二实例； 图Ic是由4个桥接器件构成的升压转换器的第三实例； 图Id是由4个桥接器件构成的升压转换器的第四实例； 图2表示包括由η个桥接器件构成的升压转换器的器件的实例； 图3a表示一个表格，该表格表示当升压转换器包括3个桥接器件时能够根据本发明提供的不同升压比；
图北表示一个表格，该表格表示当升压转换器包括4个桥接器件时能够根据本发明提供的不同升压比；
图如表示一个表格，该表格表示由3个桥接器件构成的升压转换器的第一实例的各开关的切换状态，以便在由3个桥接器件构成的升压转换器的各桥上获得不同电压；
图4b表示一个表格，该表格表示由3个桥接器件构成的升压转换器的第二实例的各开关的切换状态，以便在由3个桥接器件构成的升压转换器的各桥上获得不同电压；
图如表示一个表格，该表格表示由4个桥接器件构成的升压转换器的第三实例的各开关的切换状态，以便在由4个桥接器件构成的升压转换器的各桥上获得不同电压；
图4d表示一个表格，该表格表示由4个桥接器件构成的升压转换器的第四实例的各开关的切换状态，以便在由4个桥接器件构成的升压转换器的各桥上获得不同电压；
图fe到证是为了在周期性模式被分解成8个时间间隔时具有不同升压比的、由3个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图6a到6f是为了在周期性模式被分解成7个时间间隔时具有不同升压比的、由3个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图7a和7b是为了在周期性模式被分解成10个时间间隔时具有不同升压比的、由3个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图8a到8c是为了在周期性模式被分解成6个时间间隔时具有不同升压比的、由3个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图9a到9d是为了在周期性模式被分解成5个时间间隔时具有不同升压比的、由3个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图IOa和IOb是为了在周期性模式被分解成10个时间间隔时具有不同升压比的、由4 个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图Ila到Ild是为了在周期性模式被分解成9个时间间隔时具有不同升压比的、由4 个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图1 到12g是为了在周期性模式被分解成8个时间间隔时具有不同升压比的、由4 个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图13a到13f是为了在周期性模式被分解成7个时间间隔时具有不同升压比的、由4 个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图14a和14b是为了在周期性模式被分解成6个时间间隔时具有不同升压比的、由4 个桥构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图15是对于由多个桥接器件构成的升压转换器根据本发明获得的传递函数曲线的实例；
图16是用于确定必须对由桥接器件构成的升压转换器使用哪些开关命令的算法的实例。图Ia是由3个桥接器件构成的升压转换器的第一实例。由3个桥接器件构成的升压转换器也被称为无电抗器升压转换器，在这里被称为 RLBC。基本上，串联连接的“η”个桥接器件替代了常规的DC/DC升压转换器的电感器。每个桥接器件由4个开关以及电容器构成，正如图Ia中所示出的那样。这里必须注意，两个开关可以具有充当开关的二极管的形式。这一单独的桥结构也被称为“比特”。由3个桥接器件构成的升压转换器还包含输出级，其包括二极管D4和开关S4。在图Ia中，3个比特或桥接器件Bi、B2和B3被示出并被串联连接；第三比特B3 被连接到输出级。通过需要多少比特Bl就复制多少比特Bi，能够获得由更多桥接器件构成的升压转换器，正如下面将在图Ic和Id中所公开的那样。比特Bl由两个二极管Dll和D12、两个开关Sll和S12以及一个电容器Cl构成。比特B2由两个二极管D21和D22、两个开关S21和S22以及一个电容器C2构成。比特B3由两个二极管D31和D32、两个开关S31和S32以及一个电容器C3构成。所述输出级还被连接到电容器CL。对于i=l、2或3的每个比特Bi，二极管Dil的阳极被链接到开关Sil的第一端子。 Dil的阴极被链接到开关Si2的第一端子并且被链接到电容器Ci的正端子。开关Sil的第二端子被链接到电容器Ci的负端子并且被链接到二极管Di2的阳极。二极管Di2的阴极被链接到开关Si2的第二端子。电DC提供装置(像光伏元件PV)提供输入电压Vin。电DC提供装置的正端子被连接到二极管Dll的阳极。二极管D12的阴极被连接到二极管D21的阳极。二极管D22的阴极被连接到二极管D31的阳极。二极管D32的阴极被链接到开关S4的第一端子并且被链接到二极管D4的阳极。 D4的阴极被链接到电容器CL的正端子。开关S4的第二端子被链接到电容器CL的负端子并且被链接到电DC提供装置的负端子。电容器CL上的电压等于Vout。Bl的输入与输出之间的电压差被称为Vbl，B2的输入与输出之间的电压差被称为 Vb2，并且B3的输入与输出之间的电压差被称为Vb3。Cl中的电压差被称为Vcl，C2中的电压差被称为Vc2，并且C3中的电压差被称为 Vc3。常规升压转换器与RLBC之间的主要差异依赖于下述事实后者只能实现电压升压比(并且因而占空比D的值，其中比=1/ (I-D))的一些离散值，其取决于可用“比特”的数目。升压比的离散值的这一数目遵循以下法则
n =9n
ijTatios 。
其中，“nMti。s”是可能的升压比(或占空比)的总数，并且“η”是串联连接的比特的数目。
在每个比特中施加的电压值可以遵循以下法则
其中，“Vout”是经升压的输出电压。按照类似的方式，可能的比并且因此占空比(D)遵循以下法则
权利要求
1.用于控制由串联连接的η个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的方法，每个桥接器件由多个开关以及电容器构成，其特征在于，所述方法包括根据被分解成N个时间间隔的周期性模式来控制所述开关的步骤，以及在每个时间间隔内，对于i从1到n，每个第 i桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者数1^乘以正值、或者负的所述数1^乘以所述正值，以及所述正值是由η个桥接器件构成的所述升压转换器的输出电压除以所述周期性模式的时间间隔的数目的结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第i个桥接器件在所述周期性模式的第 j个时间间隔期间的输入与输出之间的电压的矩阵Vu的秩是rk，rk是在所述周期性模式期间具有至少一个非零电压值的桥接器件的数目。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，桥接器件在一个周期性模式的所述数目的时间间隔上的输入与输出之间的电压总和等于零值。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于，第一桥接器件被连接到由η个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的电源的端子之一，并且另一桥接器件的开关之一被连接到由η个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的所述电源的另一端子，或者所述第一桥接器件被连接到由η个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的电源的端子之一，并且由η个桥接器件构成的所述升压转换器还包括至少开关，所述开关被连接到所述另一桥接器件并且被连接到由η个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的所述电源的所述另一端子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于所述周期性模式的时间间隔的第一子集当中的任何时间间隔，连接到由η个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的所述电源的所述另一端子的所述开关在所述第一子集的时间间隔期间导通，并且桥接器件在所述第一子集的时间间隔期间的输入与输出之间的电压总和等于整数Kp乘以第一正值。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，对于一个周期性模式的时间间隔的第二子集当中的任何时间间隔，连接到由η个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的所述电源的所述另一端子的所述开关在所述第二子集的时间间隔期间不导通，并且桥接器件在所述第二子集的时间间隔期间的输入与输出之间的电压总和等于负的非零整数P乘以第一正值。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，时间间隔的所述第一子集包括Kp个时间间隔，所述第二子集包括P个时间间隔，并且数目Kp等于所述周期性模式的时间间隔的数目减去数目P。
8.根据权利要求2到7中的任一项所述的方法，其特征在于，所选模式由所述周期性模式的时间间隔中的排列给出。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于，对于i从1到n，每个数 K等于2的i减1次方。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，η等于3，ki等于1Λ2等于2，k3等于4。
11.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于，η等于4，Ic1等于1，k2 等于l，k3等于1，并且k4等于4。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的方法，其特征在于，时间间隔的数目是在 5到10之间包括的整数。
13.根据权利要求1到12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据由η个桥接器件构成的所述升压转换器的输出电压的期望值在多个已存储的周期性模式当中选择一个模式的步骤。
14.用于控制由串联连接的η个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的设备，每个桥接器件由多个开关以及电容器构成，其特征在于，所述设备包括用于根据被分解成N个时间间隔的一个周期性模式来控制所述开关的装置，以及在每个时间间隔内，对于i从1到 n，每个第i桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者数1^乘以正值、或者负的所述数h乘以所述正值，所述正值是由η个桥接器件构成的所述升压转换器的输出电压除以所述周期性模式的时间间隔的数目的结果。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制由串联连接的n个桥接器件(B，B2，B3)构成的升压转换器的输出电压的设备，每个桥接器件由多个开关(S11，S12，S21，S22，S31，S32)以及电容器(C1，C2，C3)构成。所述设备包括用于根据被分解成N个时间间隔的一个周期性模式来控制所述开关的装置，以及在每个时间间隔内，对于i从1到n，每个第i桥接器件的输入与输出(B，B2，B3)之间的电压等于零值、或者数ki乘以正值、或者负的所述数ki乘以所述正值，所述正值是由n个桥接(B1，B2，B3)器件构成的所述升压转换器的输出电压除以所述周期性模式的时间间隔的数目的结果。
文档编号H02M3/158GK102428637SQ201080017778
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月22日 优先权日2009年4月23日
发明者比亚蒂 G., 瓦耶 N., 卡瓦卡米 T., 奥库达 T. 申请人:三菱电机株式会社, 三菱电机研发中心欧洲有限公司