數(shù)字電壓控制器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】數(shù)字電壓控制器 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一般電氣電路，用于電壓控制，或更具體地說(shuō)，涉及用于電壓控制，從 而將功率輸送往電力負(fù)載的數(shù)字電路。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 通常電氣設(shè)備和器具都是設(shè)計(jì)在特定的電源電壓幅度，頻率和及其它特性下操 作。在使用時(shí)，異于指定供電條件的任何偏差都可能使該設(shè)備和器具效率低下，操作困難， 甚至于永久損壞。
[0003] 因此，自從人類(lèi)利用電力以來(lái)，開(kāi)發(fā)各式各樣的裝置和方法，以有效地把電力控制 和輸送給負(fù)載，是電氣和電子工程師和科學(xué)家的共同目標(biāo)。各種逆變器，轉(zhuǎn)換器，電壓調(diào)節(jié) 器，功率放大和功率開(kāi)關(guān)組件，電傳感器等被發(fā)明和開(kāi)發(fā)，在能效，控制精度，響應(yīng)速度，功 率水平和系統(tǒng)成本等等方面以提高電力控制的功能。
[0004] 在實(shí)踐中，電壓控制技術(shù)被用來(lái)控制電壓以外的其他電參數(shù)。例如，通過(guò)控制一個(gè) 恒定阻抗器件上的電壓，便能將通過(guò)該裝置的電流進(jìn)行控制。作為另一個(gè)例子，通過(guò)控制施 加到負(fù)載上的電壓，由該負(fù)載產(chǎn)生的功率便被控制。因此在實(shí)踐中，在許多不同的形式，和 許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，電壓控制裝置可提供許多不同的功能：
[0005] 1.可變電壓源，例如作為校準(zhǔn)和測(cè)試用的電壓基準(zhǔn)
[0006] 2.可變電流供應(yīng)，例如作為校準(zhǔn)和測(cè)試用的電流基準(zhǔn)
[0007] 3.電壓調(diào)節(jié)器，例如為電器供電的電壓調(diào)節(jié)器
[0008] 4.電流調(diào)節(jié)器，例如LED燈具的供電
[0009] 5.功率調(diào)節(jié)器，例如熱控裝置
[0010] 從廣義上來(lái)說(shuō)，我們可以定義兩種不同的電壓控制方法，即模擬和數(shù)字方法。通 過(guò)模擬的方法，電壓可被連續(xù)地放大或縮小而迖至控制范圍內(nèi)的任何電壓水平。通過(guò)數(shù)字 方法，即在整個(gè)本說(shuō)明中被稱(chēng)為"數(shù)字電壓控制"，電壓水平是通過(guò)控制范圍內(nèi)的分離的"梯 級(jí)"來(lái)改變。一種常見(jiàn)的方法是，例如通常用于交流電源的調(diào)節(jié)，是經(jīng)接通和斷開(kāi)變壓器線 圈所形成的所謂"電壓?jiǎn)卧?的電壓源取得，而這些電壓源本身都是彼此電隔離的。
[0011] 數(shù)字方法比模擬方法有許多優(yōu)點(diǎn)。模擬方法一般是通過(guò)有源電子器件的線性控 制，例如在線性模式下操作的晶體管，又例如通過(guò)電路交換的有源電子器件，用了切換模式 中操作的晶體管。通過(guò)線性操作模式，電壓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。通過(guò)切換操作模式，電壓控制能夠以高功率效率，但往往控制精度和控制 速度被減弱。對(duì)于非常高的功率的應(yīng)用中，所述線性模式的方法，無(wú)論是在線性或在切換模 式下，都面對(duì)著非常高的成本或活性高功率或高頻率適合設(shè)備缺乏的困難。此外還有因高 功率和高頻率切換產(chǎn)生的EMI和EMC問(wèn)題。
[0012] 采用本發(fā)明的數(shù)字方法是通過(guò)接通和斷開(kāi)"電壓?jiǎn)卧?，控制下的電壓通常是低頻 率（如50或60Hz電源頻率，甚至DC)，而不是在很高的頻率。開(kāi)關(guān)裝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電平亦如是。另外，作為在低頻執(zhí)行的切換， 其電磁干擾或EMC的問(wèn)題是相對(duì)并不嚴(yán)重，并可能會(huì)更容易地得到處理。因此，當(dāng)功率處理 能力和低成本是主要考慮因素時(shí)，數(shù)字方式比模擬方式是一個(gè)較好的選擇。此外，由于在低 頻率的開(kāi)關(guān)損耗是比較低的，數(shù)字方法也享有高功率效率的好處。此外，相比于模擬方法， 通過(guò)交換引入的數(shù)字方法的另一優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有失真或是甚小失真。
[0013] 然而，仍然有一個(gè)非常重要的電壓控制或調(diào)節(jié)方面的考慮，即控制精度。由于在數(shù) 字方法中，電壓是通過(guò)"梯級(jí)"式作調(diào)變，控制精度總是受制于電壓階梯跳躍的大小。很明 顯對(duì)于一個(gè)固定范圍內(nèi)的電壓控制，電壓水平控制的精細(xì)程度與"梯級(jí)"數(shù)目成反比。也很 明顯，對(duì)于一個(gè)固定的"梯級(jí)"數(shù)目來(lái)說(shuō)，使所有"梯級(jí)"的電壓高度相等才可實(shí)現(xiàn)控制的最 高精度。
[0014] 當(dāng)"梯級(jí)"數(shù)目增加以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的控制時(shí)，不可避免地需要增加開(kāi)關(guān)的數(shù)目。由 于開(kāi)關(guān)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵的和相對(duì)昂貴的部件，為了限制開(kāi)關(guān)的數(shù)量以降低成本，系統(tǒng)精度 經(jīng)常因此被降低。這是非常不希望見(jiàn)到的情況，故此過(guò)去已有許多不同種類(lèi)的開(kāi)關(guān)電路拓 撲和控制方法被開(kāi)發(fā)，以嘗試達(dá)到更高的控制精度，同時(shí)限制開(kāi)關(guān)數(shù)量以取得電路的簡(jiǎn)單 性和成本的降低。然而，目前這些設(shè)計(jì)一般都是整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制方法也過(guò)于繁絮， 應(yīng)用部署上更經(jīng)常有很大的限制。
[0015] 此外，為了提高控制精度而將"梯級(jí)"高度設(shè)計(jì)降低，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性卻成了一 個(gè)新的擺在面前的挑戰(zhàn)。取決于實(shí)際的電路設(shè)計(jì)，和電路實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，當(dāng)"梯級(jí)"的高度減 小到一定程度時(shí)，數(shù)字控制信號(hào)和控制"梯級(jí)"電壓輸出之間的單調(diào)性將被丟失的。因此， 缺乏單調(diào)性可造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，因于也減少了控制精度。
[0016] 過(guò)去許多發(fā)明揭示了零碎的改進(jìn)或變更，但并沒(méi)有實(shí)際提出一個(gè)統(tǒng)一的方法來(lái)解 決上述問(wèn)題。本發(fā)明旨在解決所有這些問(wèn)題，當(dāng)本發(fā)明申請(qǐng)以示例性實(shí)施例作披露后，會(huì)變 得清楚。
[0017] 目前電壓控制或調(diào)節(jié)的現(xiàn)有技術(shù)通常存在于交流電壓調(diào)節(jié)器，其中許多開(kāi)發(fā)的方 法和裝置，都是通過(guò)數(shù)字方法來(lái)控制交流電壓，下列專(zhuān)利有相關(guān)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] 在大多數(shù)上述發(fā)明及公開(kāi)的實(shí)施方案中，所提出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往是非常具體 但因此也非常有限制性。而電路拓?fù)涞南拗菩砸咽乖O(shè)計(jì)者在性能優(yōu)化的實(shí)際的考慮中遇到 困難，例如在決定最佳的電壓模塊數(shù)目，每個(gè)電壓模塊的最佳電壓?jiǎn)卧獢?shù)目（例如抽頭切 換電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中變壓器線圈組的數(shù)目和每組線圈的匝數(shù)），各電壓模塊中切換的最 佳數(shù)目，最合適的控制方法和控制模塊，等等。因此，目前的設(shè)計(jì)缺乏優(yōu)化靈活性，因此控制 的精度，控制電壓范圍，反應(yīng)速度，實(shí)施成本和維護(hù)成本等方面的電壓調(diào)節(jié)器的性能受到一 定的限制。
[0040] 另外，在這些發(fā)明中，電壓變化量的線性和單調(diào)性通常都不受關(guān)注。電壓"梯級(jí)"的 等高并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，甚至不打算要實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@并沒(méi)有被視為是設(shè)計(jì)的要素。其結(jié)果是，該電 壓的變化是非線性的或者甚至更糟的是非單調(diào)性的。非線性會(huì)降低可以實(shí)現(xiàn)的控制精度， 而非單調(diào)性將導(dǎo)至反饋控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。兩者皆有害于數(shù)字電壓控制系統(tǒng)的性能。
[0041] 再者，這些發(fā)明未有關(guān)注數(shù)字化電壓控制的實(shí)際限制所產(chǎn)生的線性和單調(diào)性的問(wèn) 題。因此，在控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性而言，該等數(shù)字電壓控制系統(tǒng)的功能很有可能由于這些 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的疏忽而打折扣。
[0042] 在大多數(shù)情況下，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)未能顯示理想或優(yōu)選的電壓?jiǎn)卧睦碚摫嚷省?在某情況下，有些比率提了出來(lái)，但卻沒(méi)有該等比率的合理解釋。結(jié)果是，沒(méi)有任何系統(tǒng)優(yōu) 化設(shè)計(jì)指導(dǎo)，所以不能通過(guò)適當(dāng)選擇電壓?jiǎn)卧臄?shù)量和大小，以及電壓?jiǎn)卧g的電壓比 率以取得在控制精度和控制范圍方面的好表現(xiàn)。
[0043] 正如將會(huì)從下面的詳細(xì)說(shuō)明可知，本發(fā)明采用了一種統(tǒng)一的方式來(lái)解決上述不能 充分地解決的問(wèn)題。除了可用組件的實(shí)際限制，本發(fā)明公開(kāi)的方法對(duì)控制精度，開(kāi)關(guān)的數(shù)目 和電壓?jiǎn)卧臄?shù)目和電壓大小沒(méi)無(wú)限制。控制方法和相關(guān)的控制電路簡(jiǎn)單而直接的，而影 響線性和單調(diào)性的實(shí)際限制將得到解決使其連帶的不良影響被除掉。這些將在所實(shí)施方案 的說(shuō)明細(xì)節(jié)中公開(kāi)。
[0044] 盡管上面引述的現(xiàn)有技術(shù)舉例用了變壓器抽頭切換電壓調(diào)節(jié)器或控制器，其獨(dú)立 變壓器線圈被描繪為電隔離的電壓?jiǎn)卧?，本發(fā)明適用于任何形式的任何其它電壓源（在整 個(gè)本專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中名為"電壓?jiǎn)卧?），例如這些下面引述的例子：
[0045] 電化學(xué)電池
[0046] 太陽(yáng)能電池
[0047] 燃料電池
[0048] 熱電
[0049] 電力變壓器
[0050] 發(fā)電機(jī)