专利名称：用于控制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将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。与还使用电感器作为能量存储元件的电感性开关DC/DC转换器相比，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=Vwt/Vin=l/(I-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I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，这是因为由太阳能模块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n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，所述开关由至少三个周期性模式中的一个第一周期性模式控制，每个周期性模式被分解成时间间隔，其特征在于，在第一周期性模式和至少一个第二周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数h乘以第一正值和至少一个第二正值、或者负的所述数h乘以第一正值和至少一个第二正值，并且在至少一个第三周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数Pi乘以至少一个第三正值、或者负的所述数Pi乘以至少一个第三正值，至少一个数匕不同于数Pi，
其中，所述方法包括以下步骤
-检测到必须选择周期性模式；
-选择一个周期性模式；
-根据所选周期性模式控制所述开关。本发明还涉及一种用于控制由串联连接的n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，所述开关由至少三个周期性模式中的一个第一周期性模式控制，每个周期性模式被分解成时间间隔，其特征在于，在第一周期性模式和至少一个第二周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数匕乘以第一正值和至少一个第二正值、或者负的所述数ki乘以第一正值和至少一个第二正值，并且在至少一个第三周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数Pi乘以至少一个第三正值、或者负的所述数Pi乘以至少一个第三正值，至少一个数ki不同于数Pi,
其中，用于控制输出电压的所述设备包括
-用于检测到必须选择周期性模式的装置；
-用于选择一个周期性模式的装置； -用于根据所选周期性模式控制所述开关的装置。因此，由n个桥接器件构成的升压转换器可以将其输入和输出功率电平适配到数目灵活的输入和输出电压电平。此外，可以实现许多转换升压比。根据一个特定特征，所述检测到必须选择周期性模式是通过检查第一周期性模式是否提供低于第一阈值或高于第二阈值的输出电压值来执行的。因此，可以把由n个桥接器件构成的升压转换器的输出电压保持在所期望的输出电压值范围内，并且可以把所述输出电压值范围容易地适配于消耗由n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需求。根据一个特定特征，如果所述第三周期性模式所提供的输出电压值高于第一阈值且低于第二阈值，并且与提供高于第一阈值且低于第二阈值的所述或每个第二周期性模式所提供的输出电压相比更接近预期输出电压值，则所选周期性模式是一个第三周期性模式。因此，即使在没有与第一模式具有相同ki值的周期性模式能够提供处于范围内的电压的情况下，通过使用第三周期性模式，也可以把由n个桥接器件构成的升压转换器的输出电压保持在范围内。此外，如果与第一模式具有相同ki值的一个周期性模式可以提供处于范围内但是与预期电压值的距离较大的电压，则可以利用第三周期性模式提供处于范围内并且与预期值更接近的电压值。根据一个特定特征，如果所述第二周期性模式所提供的输出电压值高于第一阈值、低于第二阈值并且与至少一个第三周期性模式所提供的一个或多个电压至少一样接近预期输出电压值，则所选周期性模式是一个第二周期性模式。因此，可以把由n个桥接器件构成的升压转换器的输出电压保持在范围内，而不必使用具有不同于h值的至少一个Pi值的周期性模式。将需要对于桥接电容器的较少充电/放电来收敛到由第三周期性模式所提供的电压。与本将选择一个第三周期性模式的情况相比，将以缩短的时间执行周期性模式之间的转变。根据一个特定特征，预期电压值等于第二阈值。因此，可以在处于范围内的同时实现最大输出电压，从而优化消耗由n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效率。根据一个特定特征，一个桥接器件的输入与输出之间的电压在每个周期性模式的各时间间隔内的总和等于零值。因此，在一个周期性模式内，由诸如光伏模块之类的恒流源所递送的电流在每个周期性模式内对各桥接器件的电容器均等地充电及放电，并且在采用恒流源的情况下，各电容器的电压是稳定的并且不放电。根据一个特定特征，第一个桥接器件被连接到由n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n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另一个端子，或者第一个桥接器件被连接到由n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n个桥接器件构成的升压转换器还包括至少一个开关，其被连接到最后一个桥接器件并且被连接到由n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另一个端子。
因此，连接到由n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另一个端子的所述开关充当常规升压转换器的开关。当所述开关闭合时，由n个桥接器件构成的升压转换器在其电容器中累积电荷，随后当所述开关打开时，所述电荷被放电到输出端子。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n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另一个端子的所述开关在第一子集的各时间间隔期间导通，并且各桥接器件的输入与输出之间的电压在第一子集的各时间间隔期间的总和等于整数Kp乘以第一正值。因此，输入电压可以取输出电压乘以Kp并且除以N的值，其中N是所选周期性模式中的主开关导通的时间间隔的数目。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n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另一个端子的所述开关在第二子集的各时间间隔期间不导通，并且各桥接器件的输入与输出之间的电压在第二子集的各时间间隔期间的总和等于负的非零整数P乘以第一正值。因此，输入电压可以取输出电压乘以(N-P)并且除以N的值，其中N是所选周期性模式中的主开关不导通的时间间隔的数目。根据一个特定特征，时间间隔的第一子集包括Kp个时间间隔，第二子集包括P个时间间隔，并且数Kp等于所述周期性模式的时间间隔数目减去数P。因此，在所述周期性模式的所有时间间隔内，输入电压可以取输出电压乘以N-P并且除以N的值，并且由n个桥接器件构成的升压转换器可以执行等于N除以N-P的升压t匕，其中N和P可以被灵活选择以便实现所期望的升压比。结果，利用由n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，由n个桥接器件输入构成的升压转换器的输入被连接到输入电压源，并且由周期性模式提供的电压等于输入电压源的电压乘以N除以N-P。因此，确定由每个周期性模式提供的电压就非常简单，并且简化了选择周期性模式的步骤。根据一个特定特征，每个第一、第二和第三正值分别等于输入电压值除以每个第一、第二和第三周期性模式的数N减去数P。因此可以容易地从输入电压电平确定所述正值。根据一个特定特征，由n个桥接器件构成的升压转换器的输入被连接到输入光伏源，并且由周期性模式提供的电压等于光伏源的最大功率点乘以N除以N-P。
因此，确定由每个周期性模式提供的电压就非常简单，并且简化了选择周期性模式的步骤。根据一个特定特征，所述升压转换器由3个桥接器件构成，并且Ic1等于2，k2等于3，以及k3等于4，P1等于1，P2等于2，P3等于4。因此，第一周期性模式可以被设计成使得各桥接器件的输入与输出之间的电压在每个时间间隔期间的总和能够被布置成是由包括在9与-9之间的任何整数乘以第一正值。此外。有可能受益于第一 周期性模式的10:1和10:9的非常高和非常低的升压比，以及许多第三周期性模式的升压比。由3个桥接器件构成的升压转换器的适用范围得以扩展。根据一个特定特征，时间间隔的数目是包括在5到10之间的整数。因此，由3个桥接器件构成的升压转换器可以执行等于10/1和10/9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两个。升压比的范围从
被扩展到
。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2表示包括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Ic1等于2、k2等于3并且k3等于4时根据本发明的可以由第一周期性模式或至少一个第二周期性模式提供的不同升压比；
图3b表示一个表格，该表格表示当P1等于l、p2等于2并且p3等于4时根据本发明的可以由至少一个第三周期性模式提供的不同升压比；
图4a表不一个表格,该表格表不由3个桥接器件构成的升压转换器的第一实例的各开关的开关状态，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表不一个表格,该表格表不由3个桥接器件构成的升压转换器的第二实例的各开关的开关状态，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5a和5b是为了在第一周期性模式或至少一个第二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个桥接器件构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；图6a到6d是为了在第一周期性模式或至少一个第二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个桥接器件构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图7a和7b是为了在第一周期性模式或至少一个第二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个桥接器件构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图8a和Sb是为了在第一周期性模式或至少一个第二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个桥接器件构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图9a到9d是为了在第一周期性模式或至少一个第二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个桥接器件构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图IOa和IOb是为了在选择至少一个第三周期性模式时具有不同升压比的、由3个桥接器件构成的升压转换器的各桥上的电压值的实例；
图11是根据本发明的用于确定必须为由3个桥接器件构成的升压转换器选择哪个周期性模式的算法的实例。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作无电抗器升压转换器，其在这里被称作RLBC升压转换器。在图Ia中，3个比特或桥接器件B1、B2和B3被示出并被串联连接；第三个比特B3被连接到输出级。
这里必须注意，桥接器件的数目可以低于或高于3个。基本上，常规DC/DC升压转换器的电感器被串联连接的“n”个桥接器件替代。如图Ia中所示，每个桥接器件由4个开关以及电容器构成。这里必须注意，两个开关可以采取充当开关的二极管的形式。这种单独的桥结构也被称作“比特”。由3个桥接器件构成的升压转换器还包含输出级，所述输出级包括二极管D4和开关S4。比特BI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。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。例如光伏元件PV之类的DC电提供装置提供输入电压Vin。DC电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DC电提供装置的负端子。电容器CL上的电压等于Vout。BI的输入与输出之间的电压差被称作Vbl，B2的输入与输出之间的电压差被称作Vb2，并且B3的输入与输出之间的电压差被称作Vb3。Cl中的电压差被称作Vcl，C2中的电压差被称作Vc2，并且C3中的电压差被称作Vc3。常规升压转换器与RLBC之间的主要差别依赖于下述事实后者只能实现电压升压比(从而还有占空比D的值，其中比=1/ (I-D))的一些离散值，所述离散值取决于可用“比特”的数目。在传统上，升压比的离散值的该数目遵循以下法则 n =9n
1Aratios ^
其中，“nMti。/’是可能的升压比(或占空比)的总数，以及“n”是串联连接的比特的数目。根据现有技术，在每个比特中施加的电压值遵循以下法则
[Vcl:Vc2:Vcn] = [l:2: . . . 2(Iri)]Vout/2n其中，“Vout”是经升压的输出电压。按照类似的方式，可能的比以及从而还有占空比(D)遵循以下法则
rati0i=2n/ (2n-j), i=l, 2， ，nratios 并且 j=i_lDi=I-IZratioi, i=l, 2, . . .，nratios
最后，为了获得恒定的输出电压，有可能具有“nrati()S”个不同的输入电压，其将遵循以下法则
Vin=VouVratioi, i=l, 2, . . . nratios
为了确保转换器的正确操作，对于所有这些“nMti。/ ’种可能性，遵循以下关系 k
[Vci — Vout41~ I/(n,aiios)) H ,2，…N。
i-..I对于图I 的 n=3 个比特的情况，[Vcl: Vc2: Vc3] = [1:2:4] Vref= [1:2:4] Vout/8。每个桥Bi的各开关的开关模式被定义以便在该桥的连接器处提供等于+Vci、-Vci或0的电压Vbi，其中Vci是电容器Ci的电压。此外，每个比特Bi的开关模式在时间上被定义为主开关周期T=l/f的一连串的2"个相等的子周期AT。利用提供[1:2:4]乘法因数的周期性模式工作的RLBC具有几个缺点。在这种情况下，只能够实现“2n”个可能的离散比/占空比。对于n=3个比特的情况，只可能有8个不同的升压比。因此，对输出电压的调节变得难以实现。由于无法平滑地选择占空比，因此对于给定的输入电压范围，必须在相当大的范围内对输出电压进行调节。然而，对于诸如逆变器之类的特定应用来说，升压转换器的输出电压范围不能为大的。Vci电压是对于每个离散占空比确定性地定义的(Vci=214 *Vout/8)。这在设计具有额定为最大电压电平的组件的功率电路方面就没有留下灵活性。选择具有高额定电压电平的组件可能会增加电路的成本，并且还可能增加组件的开关功率损耗。每个电容器的充电和放电模式对于给定占空比是固定的，并且在各电容器之间是不同的，从而有时导致经过每个比特的RMS电流电平的高电平。电流的高RMS电平通常缩短电容器的寿命。 本发明旨在增加不同升压比的数目。本发明对于由多个比特(例如3个比特BI、B2和B3 )构成的RLBC提出新的开关控制模式，其中当所选周期性模式是至少一个第二周期性模式或至少一个第三周期性模式时，比特的至少一个电容器的电压值可以是不同的。举例来说，对于由3个比特构成的RLBC，如果所选周期性模式是至少一个第二周期性模式，则[VC1:VC2:VC3]可以等于[2:3:4]VMf，并且如果所选周期性模式是至少一个第三周期性模式，则[VC1:VC2:VC3]可以等于[1:2:4]Vref0现在定义RLBC电路的开关命令法则。基本上，每个比特电压Vbl . . . Vb3被如下表示为时间的函数
H
Vhi = ^mjA(i - JAT) it中 i.......:]到:{
严I
其中，A⑴表示时间间隔宽度AT的阶跃函数。至于开关的控制命令法则，根据以下法则，在第j个时间间隔Tj中，Sil、Si2可以在{0;1}中取值，电压Vbij在{-Vci，0;Vci}中取值
权利要求
1.用于控制由串联连接的n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，所述开关由至少三个周期性模式中的ー个第一周期性模式控制，每个周期性模式被分解成时间间隔，其特征在于，在第一周期性模式和至少ー个第二周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数h乘以第一正值和至少ー个第二正值、或者负的所述数Ici乘以第一正值和至少ー个第二正值，并且在至少ー个第三周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数Pi乘以至少ー个第三正值、或者负的所述数Pi乘以至少ー个第三正值，至少ー个数h不同于数Pi，其中，所述方法包括以下步骤 -检测到必须选择周期性模式； -选择ー个周期性模式； -根据所选周期性模式控制所述开关。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，所述检测到必须选择周期性模式是通过检查第一周期性模式是否提供低于第一阈值或高于第二阈值的输出电压值来执行的。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，如果所述第三周期性模式所提供的输出电压值高于第一阈值且低于第二阈值，并且与提供高于第一阈值且低于第二阈值的所述或每个第二周期性模式所提供的输出电压相比更接近预期输出电压值，则所选周期性模式是ー个第三周期性模式。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，如果所述第二周期性模式所提供的输出电压值高于第一阈值、低于第二阈值并且与至少ー个第三周期性模式所提供的一个或多个电压至少ー样接近预期输出电压值，则所选周期性模式是ー个第二周期性模式。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，所述预期电压值等于第二阈值。
6.根据权利要求I到5中的任ー项的方法,其特征在于,一个桥接器件的输入与输出之间的电压在每个周期性模式的各时间间隔内的总和等于零值。
7.根据权利要求I到6中的任ー项的方法，其特征在于，第一个桥接器件被连接到由n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n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另ー个端子，或者第一个桥接器件被连接到由n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n个桥接器件构成的升压转换器还包括至少ー个开关，其被连接到最后ー个桥接器件并且被连接到由n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另ー个端子。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，对于所选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n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另ー个端子的所述开关在第一子集的各时间间隔期间导通，并且各桥接器件的输入与输出之间的电压在第一子集的各时间间隔期间的总和等于整数Kp乘以所述正值。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，对于ー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n个桥接器件构成的升压转换器所升压的电源的另ー个端子的所述开关在第二子集的各时间间隔期间不导通，并且各桥接器件的输入与输出之间的电压在第二子集的各时间间隔期间的总和等于负的非零整数P乘以第一正值。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，时间间隔的第一子集包括Kp个时间间隔，第ニ子集包括P个时间间隔，并且数Kp等于所述周期性模式的时间间隔的数目减去数P。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，由n个桥接器件构成的升压转换器的输入被连接到输入电压源，并且由周期性模式提供的电压等于输入电压源的电压乘以N除以N-P。
12.根据权利要求I到11中的任ー项的方法，其特征在于，每个第一、第二和第三正值分别等于输入电压值除以每个第一、第二和第三周期性模式的数N减去数P。
13.根据权利要求I到11中的任ー项的方法，所述升压转换器由3个桥接器件构成，Ic1等于2，k2等于3，k3等于4，P1等于1，P2等于2，以及p3等于4。
14.根据权利要求I到11中的任ー项的方法，其特征在于，时间间隔的数目是包括在5到10之间的整数。
15.用于控制由串联连接的n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，所述开关由至少三个周期性模式中的ー个第一周期性模式控制，每个周期性模式被分解成时间间隔，其特征在于，在第一周期性模式和至少ー个第二周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数も乘以第一正值和至少ー个第二正值、或者负的所述数Ici乘以第一正值和至少ー个第二正值，并且在至少ー个第三周期性模式的每个时间间隔内，对于i从I到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数Pi乘以至少ー个第三正值、或者负的所述数Pi乘以至少ー个第三正值，至少ー个数h不同于数Pi， 其中，用于控制输出电压的所述设备包括 -用于检测到必须选择周期性模式的装置； -用于选择ー个周期性模式的装置； -用于根据所选周期性模式控制所述开关的装置。
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，所述开关由被分解成时间间隔的周期性模式控制。在第一周期性模式和至少一个第二周期性模式的每个时间间隔内，对于i从1到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数ki乘以第一正值和至少一个第二正值、或者负的所述数ki乘以第一正值和至少一个第二正值，并且在至少一个第三周期性模式的每个时间间隔内，对于i从1到n，每第i个桥接器件的输入与输出之间的电压等于零值、或者整数pi乘以至少一个第三正值、或者负的所述数pi乘以至少一个第三正值，至少一个数ki不同于数pi。
文档编号H02M3/07GK102804572SQ201080027943
公开日2012年11月28日 申请日期2010年4月22日 优先权日2009年4月23日
发明者N.瓦耶 申请人:三菱电机研发中心欧洲有限公司, 三菱电机株式会社