数字电压控制器的制造方法
【专利说明】数字电压控制器 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一般电气电路，用于电压控制，或更具体地说，涉及用于电压控制，从 而将功率输送往电力负载的数字电路。 【【背景技术】】
[0002] 通常电气设备和器具都是设计在特定的电源电压幅度，频率和及其它特性下操 作。在使用时，异于指定供电条件的任何偏差都可能使该设备和器具效率低下，操作困难， 甚至于永久损坏。
[0003] 因此，自从人类利用电力以来，开发各式各样的装置和方法，以有效地把电力控制 和输送给负载，是电气和电子工程师和科学家的共同目标。各种逆变器，转换器，电压调节 器，功率放大和功率开关组件，电传感器等被发明和开发，在能效，控制精度，响应速度，功 率水平和系统成本等等方面以提高电力控制的功能。
[0004] 在实践中，电压控制技术被用来控制电压以外的其他电参数。例如，通过控制一个 恒定阻抗器件上的电压，便能将通过该装置的电流进行控制。作为另一个例子，通过控制施 加到负载上的电压，由该负载产生的功率便被控制。因此在实践中，在许多不同的形式，和 许多不同的应用领域中，电压控制装置可提供许多不同的功能：
[0005] 1.可变电压源，例如作为校准和测试用的电压基准
[0006] 2.可变电流供应，例如作为校准和测试用的电流基准
[0007] 3.电压调节器，例如为电器供电的电压调节器
[0008] 4.电流调节器，例如LED灯具的供电
[0009] 5.功率调节器，例如热控装置
[0010] 从广义上来说，我们可以定义两种不同的电压控制方法，即模拟和数字方法。通 过模拟的方法，电压可被连续地放大或缩小而迖至控制范围内的任何电压水平。通过数字 方法，即在整个本说明中被称为"数字电压控制"，电压水平是通过控制范围内的分离的"梯 级"来改变。一种常见的方法是，例如通常用于交流电源的调节，是经接通和断开变压器线 圈所形成的所谓"电压单元"的电压源取得，而这些电压源本身都是彼此电隔离的。
[0011] 数字方法比模拟方法有许多优点。模拟方法一般是通过有源电子器件的线性控 制，例如在线性模式下操作的晶体管，又例如通过电路交换的有源电子器件，用了切换模式 中操作的晶体管。通过线性操作模式，电压控制能做到高控制精度和高控制速度，但通常都 是低功率效率的。通过切换操作模式，电压控制能够以高功率效率，但往往控制精度和控制 速度被减弱。对于非常高的功率的应用中，所述线性模式的方法，无论是在线性或在切换模 式下，都面对着非常高的成本或活性高功率或高频率适合设备缺乏的困难。此外还有因高 功率和高频率切换产生的EMI和EMC问题。
[0012] 采用本发明的数字方法是通过接通和断开"电压单元"，控制下的电压通常是低频 率（如50或60Hz电源频率，甚至DC)，而不是在很高的频率。开关装置的速度以及在控制 方案的需求一般不高，即使是在非常高的功率电平亦如是。另外，作为在低频执行的切换， 其电磁干扰或EMC的问题是相对并不严重，并可能会更容易地得到处理。因此，当功率处理 能力和低成本是主要考虑因素时，数字方式比模拟方式是一个较好的选择。此外，由于在低 频率的开关损耗是比较低的，数字方法也享有高功率效率的好处。此外，相比于模拟方法， 通过交换引入的数字方法的另一优点是没有失真或是甚小失真。
[0013] 然而，仍然有一个非常重要的电压控制或调节方面的考虑，即控制精度。由于在数 字方法中，电压是通过"梯级"式作调变，控制精度总是受制于电压阶梯跳跃的大小。很明 显对于一个固定范围内的电压控制，电压水平控制的精细程度与"梯级"数目成反比。也很 明显，对于一个固定的"梯级"数目来说，使所有"梯级"的电压高度相等才可实现控制的最 高精度。
[0014] 当"梯级"数目增加以实现更精细的控制时，不可避免地需要增加开关的数目。由 于开关是该系统的关键的和相对昂贵的部件，为了限制开关的数量以降低成本，系统精度 经常因此被降低。这是非常不希望见到的情况，故此过去已有许多不同种类的开关电路拓 扑和控制方法被开发，以尝试达到更高的控制精度，同时限制开关数量以取得电路的简单 性和成本的降低。然而，目前这些设计一般都是整体系统结构复杂，控制方法也过于繁絮， 应用部署上更经常有很大的限制。
[0015] 此外，为了提高控制精度而将"梯级"高度设计降低，维持系统的稳定性却成了一 个新的摆在面前的挑战。取决于实际的电路设计，和电路实现的准确性，当"梯级"的高度减 小到一定程度时，数字控制信号和控制"梯级"电压输出之间的单调性将被丢失的。因此， 缺乏单调性可造成系统不稳定，因于也减少了控制精度。
[0016] 过去许多发明揭示了零碎的改进或变更，但并没有实际提出一个统一的方法来解 决上述问题。本发明旨在解决所有这些问题，当本发明申请以示例性实施例作披露后，会变 得清楚。
[0017] 目前电压控制或调节的现有技术通常存在于交流电压调节器，其中许多开发的方 法和装置，都是通过数字方法来控制交流电压，下列专利有相关的揭示：
[0018] CN201149665
[0019] CN201251718
[0020] CN201281825
[0021] CN201805273
[0022] CN201984364
[0023] CN201984365
[0024] CN201984366
[0025] GB1300229
[0026] GB2324389
[0027] US3970918
[0028] US4178539
[0029] US4716357
[0030] US4896092
[0031] US5545971
[0032] US5932997
[0033] US6137277
[0034] US6417651
[0035] US7816894
[0036] US7800349
[0037] US20110043182
[0038] US20110273149
[0039] 在大多数上述发明及公开的实施方案中，所提出的电路拓扑结构往往是非常具体 但因此也非常有限制性。而电路拓扑的限制性已使设计者在性能优化的实际的考虑中遇到 困难，例如在决定最佳的电压模块数目，每个电压模块的最佳电压单元数目（例如抽头切 换电压调节器的设计中变压器线圈组的数目和每组线圈的匝数），各电压模块中切换的最 佳数目，最合适的控制方法和控制模块，等等。因此，目前的设计缺乏优化灵活性，因此控制 的精度，控制电压范围，反应速度，实施成本和维护成本等方面的电压调节器的性能受到一 定的限制。
[0040] 另外，在这些发明中，电压变化量的线性和单调性通常都不受关注。电压"梯级"的 等高并没有实现，甚至不打算要实现，因为这并没有被视为是设计的要素。其结果是，该电 压的变化是非线性的或者甚至更糟的是非单调性的。非线性会降低可以实现的控制精度， 而非单调性将导至反馈控制系统的不稳定。两者皆有害于数字电压控制系统的性能。
[0041] 再者，这些发明未有关注数字化电压控制的实际限制所产生的线性和单调性的问 题。因此，在控制精度和系统稳定性而言，该等数字电压控制系统的功能很有可能由于这些 系统设计方面的疏忽而打折扣。
[0042] 在大多数情况下，现有技术的设计未能显示理想或优选的电压单元的理论比率。 在某情况下，有些比率提了出来，但却没有该等比率的合理解释。结果是，没有任何系统优 化设计指导，所以不能通过适当选择电压单元的数量和大小，以及电压单元之间的电压比 率以取得在控制精度和控制范围方面的好表现。
[0043] 正如将会从下面的详细说明可知，本发明采用了一种统一的方式来解决上述不能 充分地解决的问题。除了可用组件的实际限制，本发明公开的方法对控制精度，开关的数目 和电压单元的数目和电压大小没无限制。控制方法和相关的控制电路简单而直接的，而影 响线性和单调性的实际限制将得到解决使其连带的不良影响被除掉。这些将在所实施方案 的说明细节中公开。
[0044] 尽管上面引述的现有技术举例用了变压器抽头切换电压调节器或控制器，其独立 变压器线圈被描绘为电隔离的电压单元，本发明适用于任何形式的任何其它电压源（在整 个本专利说明书中名为"电压单元"），例如这些下面引述的例子：
[0045] 电化学电池
[0046] 太阳能电池
[0047] 燃料电池
[0048] 热电
[0049] 电力变压器
[0050] 发电机