CN102237782A - 电流平衡多相电力变流器、控制器和方法 - Google Patents

电流平衡多相电力变流器、控制器和方法 Download PDF

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Abstract

一种电流平衡多相电力变流器、控制器和方法。公开控制包括多个子变流器的多相电力变流器的方法。所述方法包括：针对子变流器中的每一个估计由子变流器提供的电流。所述方法包括：选择子变流器中导通的并被确定为具有最大电流的一个作为要关断的下一子变流器，以及选择子变流器中关断的并被确定为具有最小电流的一个作为要导通的下一子变流器。还公开了其它方法、多相电力变流器和用于多相电力变流器的控制器。

Description

电流平衡多相电力变流器、控制器和方法
技术领域
本公开内容涉及电流平衡多相电力变流器、用于多相电力变流器中的电流平衡的控制器以及控制多相电力变流器以平衡相位之间的电流的方法。
背景技术
该部分提供涉及本公开内容的不一定是现有技术的背景信息。
多相电力变流器包括多于一个的电力变流器。已知的多相电力变流器的电力变流器(也称为子变流器)通常在离散数量的相位中工作。通常通过将基准电压与一个或更多个固定频率固定幅度的锯齿波形进行比较，针对相来生成脉宽调制(PWM)信号。相的导通和/或关断的时序通常由锯齿波形控制。
多相电力变流器的每一个相一般具有低输出阻抗。相之间的平均占空周期的差可以导致由每一个相承载的电流的明显不平衡。
发明内容
该部分提供本公开内容的总体概述，不是其全部范围或所有特征的全面公开。
根据本发明一方面，公开一种控制包括多个子变流器的多相电力变流器的方法。所述方法包括：针对子变流器中的每一个估计由所述子变流器提供的电流。所述方法还包括：选择子变流器中导通的并被确定为具有最大电流的一个作为要关断的下一子变流器，以及选择子变流器中关断的并被确定为具有最小电流的一个作为要导通的下一子变流器。
根据本发明另一方面，公开一种用于平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法。所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和/或关断以使电力变流器产生期望的输出。所述方法包括：将当前导通的子变流器排列为具有头部和尾部的第一顺序队列。第一顺序队列从头部到尾部按电流的降序排列。所述方法还包括：当要关断子变流器中的一个时，关断第一顺序队列的头部处的子变流器。
根据本发明又一方面，公开一种用于平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法。所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和/或关断以使电力变流器产生期望的输出。所述方法包括：在具有头部和尾部的顺序队列中排列当前关断的子变流器。顺序队列从头部到尾部按电流的升序排列。所述方法还包括：当要导通子变流器中的一个时，导通顺序队列的头部处的子变流器。
根据本发明又一方面，公开一种用于平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法。所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和关断以使电力变流器产生期望的输出。所述方法包括：随时间计算每一个子变流器的导通时间的总量。所述方法包括：当要关断子变流器中的一个时，关断具有最大总导通时间并处于导通状态的子变流器。
根据本发明另一方面，公开一种用于平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法。控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和关断以使电力变流器产生期望的输出。所述方法包括：随时间计算每一个子变流器的导通时间的总量。所述方法包括：当要导通子变流器中的一个时，导通具有最小导通时间并处于关断状态的子变流器。
根据此处提供的说明书，更多应用领域将变得清楚。此处的描述和具体示例目的仅是说明性，而不是要限制本发明的范围。
附图说明
此处描述的附图仅用于说明选择的实施例而不是所有可能实施方式，并且不是要限制本发明的范围。
图1是根据本发明一方面的控制多相电力变流器的方法的流程图。
图2是根据本发明另一方面的控制多相电力变流器的方法的流程图。
图3是根据本发明又一方面的控制多相电力变流器的方法的流程图。
图4是根据本发明一个示例实施例的多相电力变流器的框图。
图5是用于图4的多相电力变流器的控制器的部分的图。
图6是图5中的相顺序控制器的部分的图。
图7是用于图4的多相电力变流器的电流估计器的图。
具体实施方式
现将更完全地参照附图描述示例实施例。
提供示例实施例，从而本发明将是透彻的，并且将充分将范围传达给本领域技术人员。阐述大量具体细节(诸如特定组件、设备和方法的示例)，以提供本发明实施例的透彻理解。本领域技术人员应理解，无需采用特定细节，示例实施例可以通过很多不同形式实施，并且也不应解释为限制本发明的范围。在一些示例实施例中，不详细描述公知处理、公知设备结构以及公知技术。
在此所使用的术语目的仅在于描述特定示例实施例，而并非是要限制。如在此所使用的那样，单数形式的“一个”、“所述”可以还旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。词语“包括”和“具有”是包括性的，并且因此指定所描述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。在此描述的方法步骤、处理和操作不应理解为一定需要按讨论或示出的特定顺序执行，除非具体地标识为执行的顺序。还应理解，可以采用附加或替换步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“结合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，其可以直接在所述另一元件或层上，结合、连接或者耦合到所述另一元件或层，或者可以存在中间的元件或层。与之对照，当元件指代为“直接在另一元件或层上”、“直接结合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可以不存在中间的元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语(例如“之间”相对于“直接之间”、“邻近”相对于“直接邻近”等)应以相同方式解释。如在此所使用的那样，术语“和/或”包括相关联的所列出的项中的一个或更多个的任意和全部组合。
虽然术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各个元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语可以仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。诸如“第一”、“第二”和其它数字词语等的词语当在此使用时不暗指序列或顺序，除非根据上下文清楚地指示。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
根据本发明一方面，公开控制包括多个子变流器的多相电力变流器的方法，由图1中标号100总体指示。方法100包括：在102，对子变流器中的每一个，估计由该子变流器提供的电流。在104，方法100包括：选择子变流器中的导通的并被确定为具有最大电流的一个作为要关断的下一子变流器。方法100还包括：在106，选择子变流器中的关断的并被确定为具有最小电流的一个作为要导通的下一子变流器。以此方式，可以实现多相电力变流器的子变流器之间的电流平衡。
方法100也可以允许多相电力变流器在子变流器之间执行电流平衡，而没有对输出电力流的任何改变。当期望在不改变输出电力的情况下的电流平衡时，在导通具有最小电流的子变流器的同时，可以关断具有最大电流的子变流器。以此方式，在执行电流平衡的同时，电力变流器的电压传递函数可以保持不变。
估计由每一个子变流器提供的电流可以被直接或间接地执行。例如，可以监控或测量由子变流器提供的电流。使用任何合适的技术(例如，包括通过使用电流变压器、感测电阻器等)可以测量实际电流。可以附加地、或者替代地间接估计电流。通过计算、查找表、通过监控与电流有关(例如与电流成正比)的事物等，可以间接估计电流。
通过使用一个或更多个模拟和/或数字电路来比较(然而，获取的)电流可以确定每一个子变流器相对于其它子变流器提供的电流。例如，模拟比较器序列可以用于比较用于每一个子变流器的电流，微控制器可以数字地执行比较等。
方法100可以还包括：基于在定义的间隔期间子变流器中的每一个已经导通和/或关断的时间的净长度，来估计所述子变流器的电流。在定义的间隔期间子变流器已经导通和/或关断的时间的净长度可以被用作在定义的间隔期间由该子变流器提供的电流的估计。
定义的间隔可以是时间的固定间隔和/或时间的可变间隔。例如，定义的间隔可以是固定(并且特定)时间间隔，可以是与某个触发事件(比如子变流器的导通)有关的固定时间间隔，可以是与目前时刻(例如最后一秒)有关的固定时间量，可以基于子变流器的切换周期(其可以是固定的定义的时间间隔或可变的定义的时间间隔)的数量等。定义的间隔可以根据任何合适的准则或标准来变化。例如，定义的时间间隔可以根据由多相电力变流器提供的总电流(比如，如果多相电力变流器提供更多电流，则缩短时间间隔)、子变流器的切换周期的数量等来变化。
方法100可以包括：根据最大到最小被估计出的电流在第一队列(在此也称为导通队列)中排列当前导通的子变流器，并且根据最小到最大被估计出的电流在第二队列(在此也称为关断队列)中排列当前关断的子变流器。导通队列和关断队列可以是分离的队列，或者可以是同一队列的部分。如果导通队列和关断队列是同一队列的部分，则导通队列和关断队列可以在队列内彼此分离/偏离。
方法100可以还包括：通过从导通队列依次选择子变流器来选择要关断的一个子变流器，以及通过从关断队列依次选择子变流器来选择要导通的一个子变流器。
通过在导通队列和关断队列中排列子变流器并且从导通队列和关断队列依次选择要导通和/或关断的子变流器，多相电力变流器无需在每一个导通/关断事件之前估计由每一个子变流器提供的电流和/或确定哪个变流器具有最小/最大的电流。结果，多相电力变流器可以导通和/或关断一个或更多个子变流器，而无需等待电流估计和/或确定。多相电力变流器仅需从适当的队列按顺序选择下一子变流器作为要导通/关断的下一子变流器。结果，多相电力变流器可以以比如果在每次导通和/或关断事件之前需要电流估计和/或确定更高的频率来使子变流器导通和/或关断。
可以周期性地重复估计电流、在导通队列中排列当前导通的子变流器和/或在关断队列中排列当前关断的子变流器。此外，多相电力变流器可以比执行估计和排列的情况更频繁地使一个或更多个子变流器导通和/或关断。
参照图2，根据本发明另一方面，公开方法200，方法200用于平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流。所述控制器被配置为：使可变数量的子变流器导通和/或关断，以产生来自电力变流器的期望的输出。方法200包括：在202，在具有头部和尾部的第一顺序队列(在此也称为导通队列)中排列当前导通的子变流器。按电流的降序从头部到尾部排列所述导通队列。在204，该方法还包括：当子变流器中的一个要被关断时，关断在导通队列的头部处的子变流器。
通过按电流的降序在导通队列中排列子变流器并且选择导通队列的头部处的子变流器来关断，多相电力变流器可以容易地关断具有最大电流的子变流器。多相电力变流器无需在每一个关断事件之前对每一个子变流器提供的电流进行估计、确定、计算等。结果，多相电力变流器可以关断一个或更多个子变流器，无需等待估计、确定等。多相电力变流器仅需从第一顺序队列依次选择下一子变流器作为要关断的下一子变流器。结果，多相电力变流器可以以较高频率关断子变流器。
附加地或替代地，多相电力变流器也可以同时关断多个子变流器。这通过同时关断从导通队列的头部开始依次选择的多个子变流器来完成。例如，当/如果多相电力变流器需要关断三个子变流器时，同时关断(从队列的头部开始计数)导通队列中的第一、第二和第三子变流器。
方法200可以还包括：周期性地重排导通队列。随时间流逝，由于导通队列中的子变流器关断并且其它子变流器导通，所以导通队列的排列可以或者可以不变得不精确、不完全、陈旧等。周期性地重排导通队列有助于根据导通的子变流器的电流的降序来保持顺序排列。重排可以比多相电力变流器关断子变流器的频率发生得更不频繁。
方法200可以包括：在具有头部和尾部的第二顺序队列(在此也称为关断队列)中排列当前关断的子变流器，所述第二顺序队列根据电流的升序从头到尾排列，当子变流器中的一个要导通时，导通在第二顺序队列的头部处的子变流器。方法200可以包括：周期性地重排第二顺序队列。
通过按电流的升序在关断队列中排列子变流器并且选择关断队列的头部处的子变流器来导通，多相电力变流器可以容易地使具有最小电流的子变流器导通。多相电力变流器无需在每一个关断事件之前对每一个子变流器提供的电流进行估计、确定、计算等。结果，多相电力变流器可以导通一个或更多个子变流器，而无需等待估计、确定等。多相电力变流器仅需从关断队列依次选择下一子变流器作为要导通的下一子变流器。结果，多相电力变流器可以以较高频率使子变流器导通。
附加地或替代地，多相电力变流器也可以同时使多个子变流器导通。这通过同时导通从关断队列的头部开始依次选择的多个子变流器完成。例如，当/如果多相电力变流器需要导通三个子变流器时，同时导通(从队列的头部开始计数)关断队列中的第一、第二和第三子变流器。
方法200也可以允许多相电力变流器在子变流器之间执行电流平衡，而没有对输出电力流的任何改变。当期望在不改变输出电力的情况下的电流平衡时，在关断队列的头部处的子变流器导通的同时，可以关断导通队列的头部处的子变流器。以此方式，在执行电流平衡的同时，电力变流器的电压传递函数可以保持不变。
方法200可以包括：对于每一个子变流器，在特定间隔期间基于每一个子变流器的导通时间的积分来估计电流。
方法200可以包括：对于每一个子变流器，在特定间隔期间基于每一个子变流器的净累计导通时间来估计电流。如上关于方法100所述，子变流器在给定时间段上的导通时间可以与子变流器提供的电流成正比。
可以直接地或者间接地确定每一个子变流器的导通时间。例如，每一个子变流器的导通时间可以通过用于多相电力变流器的控制器(将信号发送到每一个子变流器以导通/关断的控制器)简单地计算总量并且存储来直接确定。
每一个子变流器的导通时间可以通过其它数字或模拟电路来间接确定(或者估计)。例如，多相电力变流器可以包括多个计数器，每一个计数器可以与子变流器中的不同一个相关联。方法200可以包括：周期性地增加与导通队列中的子变流器关联的计数器的计数值。相应地，当子变流器导通时，周期性地增加其关联计数器。当子变流器关断时，不增加其关联计数器。因此，处于导通并且具有最高计数的关联计数器的子变流器是具有最大净导通时间的子变流器。相应地，方法200可以包括：对于每一个子变流器，基于与子变流器关联的计数器的计数值来估计电流。
图3示出根据本发明另一方面平衡多相电力变流器中的电流的方法300。多相电力变流器包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器。控制器被配置为：使可变数量的子变流器导通和/或关断，以产生来自电力变流器的期望的输出。方法300包括：在302，随时间计算每一个子变流器的导通时间的总量。在304，方法300包括：当子变流器中的一个要被关断时，关断具有最大总导通时间并处于导通的子变流器。当子变流器中的一个要导通时，在306，方法300包括：使具有最小导通时间并处于关断的子变流器导通。
方法300可以包括：通过使总导通时间降序排列来依次排列导通队列中的导通的子变流器，并且通过使总导通时间升序排列来依次排列关断队列中的关断的子变流器。
方法300可以还包括：周期性地重排导通队列，并且周期性地重排关断队列。导通和/或关断子变流器可以以比重排导通队列和关断队列的频率更高的频率产生。
在方法300的一个示例实施例中，通过选择导通队列中的第一子变流器来选择要关断的子变流器，以及通过选择关断队列中的第一副控制器来选择要导通的子变流器。当仅期望电流平衡(即期望输出电力中没有改变)时，可以关断导通队列中的一个或更多个子变流器，同时导通与关断队列中的子变流器相同数量的子变流器。
上述方面以及被配置为根据上述方面中的一个或更多个操作的多相电力变流器可以用在任何合适的多相电力变流器应用中。例如，可以用于射频(RF)放大器的多相电力变流器、用于具有快速改变电流需求的系统的多相电力变流器等。一个或更多个控制器可以执行上述方面。每一个控制器可以是模拟和/或数字的，可以是集成电路或一组组件和/或集成电路，可以是微控制器、微处理器等，可以是前述中的一个或更多个的组合等。
现将参照图4至图7描述实现上述方面的多相电力变流器400的一个示例实施例。然而，应该理解，本发明的教导不限于所示的特定示例，并且在不脱离本发明范围的情况下，上述方面中的一个或更多个可以单独地或者在各种组合中实现为多种其它多相电力变流器。
如图4所示，电力变流器400包括多个子变流器402A至402N(总体上，子变流器402)。虽然示出仅三个子变流器402，但可以采用任何适当数量的子变流器402。标号402N中的“N”仅表示N个子变流器中的第N子变流器，其中，N是正整数。
子变流器402N示出作为同步降压转换器(buck converter)的一个示例子变流器。然而，子变流器402可以是任何合适的子变流器拓扑，例如，包括使用二极管替代开关S2的降压转换器。
在图4的示例中，子变流器402并行耦合，以将输出提供给负载404。子变流器402中的每一个包括至少一个电力开关，例如子变流器402N中的开关S1。在该实施例中，控制器406对于子变流器402中的每一个估计在定义的间隔中传送的总电流。控制器406被配置为：选择子变流器402中的导通的并被确定为具有最大电流的一个作为要关断的下一子变流器402。相似地，控制器406被配置为：选择子变流器402中的关断的并被确定为具有最小电流的一个作为要导通的下一子变流器402。
在两个队列中排列子变流器402。以从最大电流到最小电流(队列中从头到尾)的依次顺序将当前导通(如果有的话)的子变流器402分配给导通队列。相似地，以从最小电流到最大电流(队列中从头到尾)的依次顺序将当前关断(如果任何)的子变流器402分配给关断队列。当要关断子变流器时，控制器406关断在导通队列的头部处的子变流器402。当要导通子变流器402时，控制器406导通在关断队列的头部处的转换器。相应地，通过导通/关断在适当的队列的头部处的子变流器402来自动完成选择具有最大电流的子变流器402来关断以及选择具有最小电流的子变流器来导通。
导通队列和关断队列可以是分离的队列，或者可以是在导通的子变流器402与关断的子变流器402之间具有或没有某种分离的单个队列。在单个队列实施例中，导通队列和关断队列可以看作单个队列内的第一组和第二组。例如，导通队列可以是包括单个队列的位置1至15的第一组，关断队列可以是包括单个队列中的位置16至30的第二组。导通队列和/或关断队列中的所有位置不一定全被子变流器占用。例如，可以存在导通队列中的十五个位置和关断队列中的十五个位置，但仅有十个子变流器。在这样的示例中，无论多少子变流器导通和/或关断，在队列中将总是存在未占用的位置。
导通队列和关断队列可以以任何合适的方式实现。图5示出用于导通队列和关断队列的一个示例实施方式的控制器406的部分。控制器406包括多个计数器508A至508N(总体上，计数器508)。计数器508中的每一个具有可控制的状态，即计数。计数通常表示为整数值。每一个计数器可以递增以向上或者向下使其计数改变(或增加)特定值(通常为1)。
计数器508中的每一个与子变流器402中的不同一个关联。例如，计数器508A可以与变流器402A关联，计数器508B可以与变流器402B关联，计数器508N可以与变流器402N关联。
计数器508形成虚拟队列。每一个计数器508的计数指示其关联的子变流器402在队列中的位置。由计数器508形成的虚拟队列可以是导通队列、关断队列或包括导通队列和关断队列的单个队列。子变流器402在队列中的位置确定子变流器402将被导通和/或关断的顺序。队列的顺序可被相顺序控制器510设置。相顺序控制器510能够将负载值输出到计数器508中的每一个，以将每一个计数器强制到特定计数，由此将每一个子变流器402强制到队列中的特定位置。这在可能期望任意排列子变流器402(因为，例如，子变流器402未承载电流，电流未知等)时(例如在多相电力变流器400的启动时)可以是有益的。
在该示例实施例中，通过在任何给定时间改变子变流器402的数量来调节多相电力变流器400的输出电压。通过增加导通的子变流器402的数量来实现来自电力变流器400的电力流的增加，通过减少导通的子变流器402的数量来实现电力流的减少。关断的每一个子变流器402进入子变流器402的关断队列的末尾。当控制器406增加导通的子变流器402的数量时，关断队列的头部的子变流器402导通并且放置在导通队列的尾部，关断队列中的其它子变流器402朝向关断队列的头部前进。对于导通的子变流器402，导通队列相似地操作。当子变流器402导通时，其放置在导通队列的末尾/尾部。当子变流器关断时，其离开导通队列(要放置在关断队列中)，并且其余子变流器402朝向导通队列的头部前进。
可以根据需要来周期性地重新评估并且校正导通队列和关断队列中的子变流器402的顺序。这可以产生在每一个开关转换之后、每一个时钟周期、在固定时间段之后，等。例如，在一个实施例中，仅在导通的子变流器的数量的任何改变之前重排队列。以此方式，电流平衡与电力流的调节同时执行，因此限制任何附加的电力开关转换。当不需要激活的子变流器的数量的改变达到延长的时间段时，可以连同适当的队列重排一起命令从两个队列同时关断和导通子变流器。在没有导通的子变流器的数量的改变的预定时间之后，或者通过超过指定的电流限制，或者通过超过指定的导通时间不平衡等，可以触发该情况。在另一示例中，可以比在导通的子变流器的数量的每一个改变之前重排的情况更不频繁地重排队列。例如，导通的子变流器的数量每改变几次可以重排一次队列。在这样的实施例中，电流平衡的精度将减少，但对于一些应用可以仍然是可接受的。
替代在导通队列和/或关断队列中具有固定顺序，还可以修改队列中的子变流器402的顺序，以在子变流器402之间提供电流平衡。根据每一个子变流器的电流相对于其它子变流器402中的电流，通过改变导通队列和/或关断队列中的子变流器402的顺序可以实现这种电流平衡。例如，具有相对较高电流的子变流器402如果其当前导通则前进到导通队列的开始(或头部)，或者如果其当前关断则将被推向关断队列的末尾(尾部)。相似地，具有相对较低电流的子变流器402(如果其当前导通)将被推向导通队列的末尾/尾部，或者(如果其当前关断)前进到第二队列的开始/头部。子变流器402的这种重排延长经历较低电流的子变流器402的导通状态的持续时间，并且减少经历较高电流的子变流器402的导通状态的持续时间。相应地，在有限数量的开关周期上(可能地，甚至在单个周期上)，可以平衡由子变流器402提供的电流。
任一队列中的子变流器402中的一个的位置的改变自动地由该队列中的其它子变流器402的位置的相反改变补偿。特定子变流器402前进到任一队列中自动伴随有该队列中的前面放置了前进的子变流器402的那些子变流器402的延迟。例如，对于导通队列，前进的子变流器402将很快关断(例如其将是被关断的下一子变流器402)，前面放置了前进的子变流器的子变流器402将稍后(例如在前进的子变流器之后的开关周期)导通。
可以单独地或者作为群组来重排(重新定位)导通队列和关断队列中的子变流器402。在一个示例实施例中，控制器406可以简单地确定具有最高电流的子变流器402，并且根据情况使其前进到导通队列的头部或关断队列的尾部。在另一实施例中，控制器406可以比较所有子变流器402中的电流，并且根据情况重排整个导通队列和/或关断队列，以保持从最大到最小电流(在导通队列中)和/或从最小到最大电流(在关断队列中)的顺序。
以此方式，可以实现子变流器402之间的电流平衡。在少到一个开关周期中，每一个子变流器402恢复为与其它子变流器402一起接近电流平衡。具有较高电流的子变流器402将经历“加速的”关断，然后可以“限制”在关断状态(即将经历延迟的序列)，直到其电流衰减到具有关断队列中的所有子变流器402的最低电流的较低级别。在达到该最低(相对于其它子变流器402)级别之后，将允许其导通并移动到导通队列。相似地，具有最低电流的子变流器402将朝向导通“加速”(通过移动到关断队列的头部)，然后保持在该导通状态下(即其将经历延迟的序列)，直到不存在具有比该子变流器402更高的电流的其它子变流器402。仅在此之后，将允许其关断并且移动到关断队列。
子变流器402的经由导通队列和关断队列的这种变化的排列不另外影响多相电力变流器400的控制。导通状态下的子变流器402的数量和关断状态下的子变流器402的数量将不受影响，并且等同于由控制器406控制的数量。仅仅变化子变流器402导通/关断的顺序。结果，电流平衡对来自多相电力变流器400的电力流产生很少影响，或者没有影响。
通常，在此描述的电流平衡的处理不产生附加的开关转变(即导通/关断子变流器402中的一个中的开关)。子变流器402的电流的测量/估计和队列中的子变流器402的排列/重排都不使得任何子变流器402关断和/或导通。无论每一个子变流器402的测得/估计的电流如何，控制器406根据需要产生开关转变用于输出电力调节。经排列的导通队列和关断队列的使用向控制器406提供经排列的子变流器402，使得控制器406导通/关断的下一子变流器将提供用于多相电力变流器400的电流平衡优点。相应地，这种电流平衡产生相同数量的开关转变，但具有可变的排列，从而提供近似相等地分布在各个子变流器402之间的平均导通时间(其导致在子变流器402之间的近似相等的电流分布)。
在某些特别不正常的情况下，控制器406可以使用测得的/估计的电流来产生附加开关转变。特别地，如果特定子变流器402中的电流达到阈值(即大于电流限制)，则控制器可以直接关断过度高电流的子变流器402，并且将其移动到关断队列，而不移动其在导通队列中的顺序，并且等待下一期望的关断时间。在此情况下，关断队列的头部处的子变流器402可以同时导通(并且移动到导通队列)，以避免改变多相电力变流器400的输出。
排列导通队列和关断队列中的子变流器402可以通过很多方式完成。图6示出用于相顺序控制器510的一个适当的电路。在该示例实施例中，无论特定子变流器是在导通队列还是关断队列中，排列子变流器402基于所有子变流器402的直接电流电平比较。可以在模拟或数字域执行比较。多相电力变流器400所需的比较的总数量等于1/2n(n+1)，其中，n是子变流器402的数量。
因为比较所有子变流器402，而无论它们导通还是关断，所以所有比较的结果被改变，以避免子变流器402在导通队列与关断队列之间的转移。在该实施例中这是通过把在相反状态(导通和关断)下子变流器402之间的所有比较结果强制为任意结果而无论实际电流电平如何来实现的。例如，可以将导通队列和关断队列中子变流器402之间的比较强制为总是指示关断队列中的子变流器402具有更高电流。可以将固定的较大偏移添加到所有关断队列子变流器402的电流信号，以实现该结果。数量应大于最大实际电流信号。以此方式，导通队列或关断队列内的所有比较(队列内部比较)将是正确的，而导通队列和第二队列的成员之间的比较(队列间比较)将是固定的，从而保持导通队列与关断队列之间的区分。
用于每一个子变流器402的所有比较的结果被添加，从而产生与子变流器402的排列对应的数量。该数量然后用于排列子变流器402，如上所述。
上述比较可通过模拟或数字组件、分立式组件或集成电路执行，可通过微处理器中的适当的软件/指令等实现。
在现代数字电路中通过非常高的带宽可以实现在此描述的电流平衡。数字信号处理的简单性允许可以在仅少数时钟周期中执行的实施方式。执行所有比较所需的数字资源的量是较低的，尤其是考虑可能不需要高精度并且三至五比特比较器可能是足够的。
每一个子变流器中的电流可以是测得(例如使用霍尔传感器、感测电阻器、电流变压器等测得)的电流，或者可以是(例如通过查找表，基于子变流器的一些其它特性/值等)估计的。
在该特定实施例中，用从子变流器402的导通时间的观测推导出的信号代替每一个子变流器402的实际电流。子变流器402中的功率电感器(例如402N中的L1)的交流(AC)电流与对电感器进行的伏特-秒的积分成正比。因为所有子变流器402的电感器连接到相同输出电压，并且在相同输入电压(Vin和接地/回路)之间开关，所以它们的交流电流和相关联的电流不平衡仅取决于它们的各个导通时间之间的差异/不平衡。关于所有子变流器402的导通时间的信息足以调节子变流器402电流不平衡的快速改变分量。
相应地，相顺序控制器510的输入信号可以是AC电流估计信号。每一个AC电流估计信号与用于特定子变流器402的导通时间的积分成正比。该信号可以在模拟或数字域、控制器406的内部或外部获得。
图7示出用于估计子变流器402的电流的一个合适的估计器700。一个估计器700用于每一个子变流器402。在该示例实施例中，在控制器内确定电流估计。(把导通信号提供给子变流器402中的一个的)控制器406的每一个PWM输出具有其自身的计数器702。相应地，每一个计数器702与子变流器402中的一个关联。在与其关联的子变流器导通的同时，每一个计数器702起作用(即，以恒定速率前进)。每一个计数器702每时钟周期增加值1。反之，当相关联的子变流器关断时，每一个计数器702不起作用(即停止，不前进)。此外，与关断的子变流器关联的每一个计数器702的输出增加128。这产生输出移位，以将关断的所有子变流器放置在队列的顶部，并且在导通的子变流器与关断的子变流器之间产生分隔(创建一个实际队列中的两个虚拟队列)。这种分隔有助于避免可能产生错误结果、额外开关转变(这是由于子变流器在队列中的位置的改变无意地将其从例如导通队列移动到关断队列)等的导通队列和关断队列交叠。通过上述方式，计数器702的输出用作相关联的子变流器402的电流估计。计数器702可以在反向上周期性地移动(图7中的信号“减少”)，或者同时重置以防止可能导致错误比较结果的溢出(例如防止计数器达到其最大计数，和/或将自身重置为零的计数)。所示估计器700可以是分离的组件，可以是集成电路，可以实现在微控制器中，可以通过软件实现等。
例如，在输出需求非常快速地改变的应用中，包括上述方面中的一个或更多个的电力变流器可以是尤其有用的。特别地，在电力变流器输出可能需要以比构成电力变流器的子变流器的典型开关频率高得多的频率改变的应用中，这种电力变流器可以是有用的。
根据本发明的用于多相电力变流器的控制器可以是模拟控制器和/或数字控制器。控制器可以包括一个或更多个分立式组件、一个或更多个集成电路、微控制器、数字信号处理器等。此外，可以经由硬件和/或软件实现在此描述的方法和实施例。例如，以上讨论的计数器可以是微处理器中的软件执行的操作。
根据以上公开内容的多相电力变流器中使用的子变流器可以是任何合适的电力变流器。例如，子变流器可以是隔离的变流器或非隔离的变流器。变流器可以是降压(buck)变流器、前向变流器、从降压变流器得到的变流器、从前向变流器得到的变流器等。
在一个示例实施例中，包括上述一个或更多个方面的多相电力变流器被设计用于将电力传递到射频功率放大器。示例变流器包括十六个子变流器和数字控制器。在该示例实施例中，开关频率是可变的，并且可以在每一个子变流器中是不同的，这是由无线电传输的随机内容驱动的快速变化功率需求控制的。对于每一个子变流器，平均开关频率典型地是1至5MHz的范围。在每一个开关转变之前，或者每当没有命令开关转变达到15ns时，重排队列。最大平均输出功率是150瓦特，瞬时峰值功率是500瓦特。从0到16V调节输出电压。
为了说明和描述，已经提供对实施例的前面描述。不是要穷尽或者限制本发明。特定实施例的单独元件或特点通常不限于该特定实施例，而是，在可应用的情况下，即使未具体地示出或者描述，也是可互换的，并且可以用在选择的实施例中。特定实施例也可以按很多方式变化。这些变化不认为脱离本发明，并且所有这些改变旨在被包括在本发明的范围内。

Claims (42)

1.一种控制包括多个子变流器的多相电力变流器的方法，所述方法包括：
针对所述子变流器中的每一个估计由所述子变流器提供的电流；
选择所述子变流器中导通的并被确定为具有最大电流的一个作为要关断的下一子变流器；以及
选择所述子变流器中关断的并被确定为具有最小电流的一个作为要导通的下一子变流器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，基于在定义的间隔期间所述子变流器已经导通和/或关断的时间的净长度针对所述子变流器中的每一个估计所述电流。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：把当前导通的所述子变流器排列为从最大到最小估计电流的第一队列，把当前关断的所述子变流器排列为从最小到最大估计电流的第二队列。
4.如权利要求3所述的方法，其中，选择所述子变流器中的要关断的一个包括从所述第一队列依次选择子变流器，选择所述子变流器中的要导通的一个包括从所述第二队列依次选择子变流器。
5.如权利要求3所述的方法，其中，周期性地重复估计所述电流、把当前导通的所述子变流器排列为所述第一队列以及把当前关断的子变流器排列为所述第二队列。
6.如权利要求1所述的方法，其中，周期性地重复估计所述子变流器中的每一个中的所述电流。
7.一种用于多相电力变流器的控制器，所述控制器被配置为执行如权利要求1所述的方法。
8.一种多相电力变流器，包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和如权利要求7所述的控制器。
9.一种平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法，所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和/或关断以使所述电力变流器产生期望的输出，所述方法包括：
将当前导通的所述子变流器排列为具有头部和尾部的第一顺序队列，所述第一顺序队列从头部到尾部按电流的降序排列；以及
当要关断所述子变流器中的一个时，关断所述第一顺序队列的头部处的子变流器。
10.如权利要求9所述的方法，还包括周期性地重排所述第一顺序队列。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：把当前关断的所述子变流器排列为具有头部和尾部的第二顺序队列，所述第二顺序队列从头部到尾部按电流的升序排列，当要导通所述子变流器中的一个时，导通所述第二顺序队列的头部处的子变流器。
12.如权利要求11所述的方法，还包括周期性地重排所述第二顺序队列。
13.如权利要求12所述的方法，还包括针对每一个子变流器基于在特定间隔期间每一个子变流器的净累计导通时间来估计所述电流。
14.如权利要求12所述的方法，还包括针对每一个子变流器基于所述子变流器的导通时间的积分来估计在特定间隔期间的电流。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述多相电力变流器包括多个计数器，每一个计数器与所述子变流器中的不同子变流器相关联，所述方法还包括周期性地增加与所述第一顺序队列中的子变流器相关联的计数器的计数值。
16.如权利要求15所述的方法，还包括针对每一个子变流器基于与所述子变流器相关联的所述计数器的计数值来估计所述电流。
17.一种用于多相电力变流器的控制器，所述控制器被配置为执行如权利要求9所述的方法。
18.一种多相电力变流器，包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和如权利要求17所述的控制器。
19.一种平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法，所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和关断以使所述电力变流器产生期望的输出，所述方法包括：
随时间计算每一个子变流器的导通时间的总量；
当要关断所述子变流器中的一个时，关断具有最大总导通时间并处于导通状态的子变流器。
20.如权利要求19所述的方法，还包括通过降序排列总导通时间来将导通的子变流器排列为顺序队列。
21.如权利要求20所述的方法，还包括周期性地重排所述顺序队列。
22.如权利要求21所述的方法，其中，导通所述子变流器以比重排所述顺序队列更高的频率发生。
23.如权利要求20所述的方法，其中，通过关断所述顺序队列中的第一个子变流器来选择要关断的子变流器。
24.一种用于多相电力变流器的控制器，所述控制器被配置为执行如权利要求19所述的方法。
25.一种多相电力变流器，包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和如权利要求24所述的控制器。
26.如权利要求19所述的方法，还包括当要导通所述子变流器中的一个时，导通具有最小导通时间并处于关断状态的子变流器。
27.如权利要求26所述的方法，还包括：通过降序排列总导通时间将导通的子变流器排列为第一顺序队列，通过升序排列总导通时间来将关断的子变流器排列为第二顺序队列。
28.如权利要求27所述的方法，还包括周期性地重排所述第一顺序队列，以及周期性地重排所述第二顺序队列。
29.如权利要求28所述的方法，其中，导通和/或关断所述子变流器以比重排所述第一顺序队列和所述第二顺序队列更高的频率发生。
30.如权利要求27所述的方法，其中，通过关断所述第一顺序队列中的第一个子变流器来选择要关断的子变流器，以及通过导通所述第二顺序队列中的第一个子变流器来选择要导通的子变流器。
31.一种用于多相电力变流器的控制器，所述控制器被配置为执行如权利要求26所述的方法。
32.一种多相电力变流器，包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和如权利要求31所述的控制器。
33.一种平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法，所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和/或关断以使所述电力变流器产生期望的输出，所述方法包括：
将当前关断的子变流器排列为具有头部和尾部的顺序队列，所述顺序队列从头部到尾部按电流的升序排列；以及
当要导通所述子变流器中的一个时，导通所述顺序队列的头部处的子变流器。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述多相电力变流器包括多个计数器，每一个计数器与所述子变流器中的不同子变流器相关联，所述方法还包括周期性地增加与所述顺序队列中的子变流器相关联的所述计数器的计数值。
35.如权利要求34所述的方法，还包括针对每一个子变流器基于与所述子变流器相关联的所述计数器的计数值来估计所述电流。
36.一种平衡包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和控制器的多相电力变流器中的电流的方法，所述控制器被配置为使得可变数量的子变流器导通和关断以使所述电力变流器产生期望的输出，所述方法包括：
随时间计算每一个子变流器的导通时间的总量；以及
当要导通所述子变流器中的一个时，导通具有最小导通时间并处于关断状态的子变流器。
37.如权利要求36所述的方法，还包括通过升序排列总导通时间来将关断的子变流器排列为顺序队列。
38.如权利要求37所述的方法，还包括周期性地重排所述顺序队列。
39.如权利要求38所述的方法，其中，导通所述子变流器以比重排所述顺序队列更高的频率发生。
40.如权利要求37所述的方法，其中，通过导通所述顺序队列中的第一个子控制器来选择要导通的子变流器。
41.一种用于多相电力变流器的控制器，所述控制器被配置为执行如权利要求36所述的方法。
42.一种多相电力变流器，包括被耦合以将电力提供给负载的多个子变流器和如权利要求41所述的控制器。
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