CN102428636A - 用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的开关的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制由串联连接的多个桥接器件构成的升压转换器的开关的方法，每个桥接器件由电容器和多个开关构成。所述方法包括以下步骤：-在第一时间段期间，根据给定的周期性模式，控制所述多个桥接器件的至少一部分中的每个桥接器件的开关；-在所述第一时间段之后的第二时间段期间，根据先前用于在所述第一时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的另一桥接器件的开关的周期性模式，控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

Description

用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的开关的方法和设备

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开关的方法和设备。

传统DC/DC转换器使用电感器以便将直流电从第一电压转换为可能大于或小于第一电压的第二电压。

电感器被用于存储磁场（电流）形式的能量，并且电感器具有许多缺点。电感器重，它们的成本相对较大，这是因为它们主要是由铜材料构成的。

已经提出了开关和电容器的组合以便替代电感器。

例如，电荷泵（也称作无电感器的升压转换器或由多个桥接器件构成的升压转换器）将电容器用作能量存储元件。当与还将电感器用作能量存储元件的电感性开关DC/DC转换器相比时，电荷泵提供了使其对于特定终端用户应用来说有吸引力的独特特征。

在操作于连续电流模式（CCM）时，升压转换器按照比r=V_out/V_in=1/(1-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）。

电解电容器一般是具有有限寿命的组件。

由多个桥接器件构成的升压转换器中使用的电容器传统上是电解电容器。它们可以负责多于50%的转换器故障。

典型地，电容器寿命与经过电容器的RMS（均方根）电流相关。

而且，使用具有周期性切换模式的开关电容器的DC/DC转换器拓扑对切换模式定时的时间不确定性的影响是敏感的。结果，对电容器施加的电压可能经受电压漂移，并且该漂移还可能导致电容器老化，尤其是在该漂移超出电容器的额定电压时。

本发明旨在在电容器操作期间减小电容器所遭受的压力，以便延长电容器的寿命并且还改进由多个桥接器件构成的升压转换器的可靠性。

为此，本发明涉及一种用于控制由串联连接的多个桥接器件构成的升压转换器的开关的方法，每个桥接器件由电容器和多个开关构成，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

- 在第一时间段期间，根据给定的周期性模式，控制所述多个桥接器件的至少一部分中的每个桥接器件的开关；

- 在所述第一时间段之后的第二时间段期间，根据先前用于在所述第一时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的另一桥接器件的开关的周期性模式，控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

本发明还涉及一种用于控制由串联连接的多个桥接器件构成的升压转换器的开关的设备，每个桥接器件由电容器和多个开关构成，其特征在于，所述设备包括：

- 用于在第一时间段期间，根据给定的周期性模式，控制所述多个桥接器件的至少一部分中的每个桥接器件的开关的装置；

- 用于在所述第一时间段之后的第二时间段期间，根据先前用于在所述第一时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的另一桥接器件的开关的周期性模式，控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的装置。

因此，在第一周期性模式控制桥接器件时桥接器件的电容器所遭受的压力能够被以下压力替代，即当在所述第一时间段中控制另一桥接器件的开关的周期性模式在所述第二时间段中控制桥接器件的开关时桥接器件的电容器所遭受的压力。

而且，对在电容器操作期间电容器所遭受的压力进行适配，并且引入注意的是能够在电容器上使该压力平均。平均地延长电容器的寿命，并改进由多个桥接器件构成的升压转换器的可靠性。

在相同特性的桥接器件的子集中能够实现在所述多个桥接器件的所述至少一部分中的桥接器件上对周期性模式的排列。导致桥接电容器的高压值的桥接器件的其他周期性模式不被所述部分桥接器件中的桥接器件使用，这是因为所述部分桥接器件中的桥接器件的电容器可能不支持这种高额定电压。

而且，即使未及时牢固地控制用于桥接器件的周期性模式，只要多个桥接器件的所述至少一部分包含相同电容器电压电平的桥接器件，就能够实现具有相同电压电平的每个桥接器件的电容器电压的稳定性。不发生电压漂移，这是因为电荷不平衡能够被平滑地散布在多个桥接器件的所述至少一部分中的桥接器件上。

根据一个特定特征，在第一给定组连续时间段中，根据用于在第一组连续时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的每个周期性模式，连续地控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

因此，由每多个桥接器件在每个连续时间段中实现的功能由一个且仅一个桥接器件在每个时间段中实现。结果，由多个桥接器件构成的升压转换器的基本行为不受模式在桥接器件上的排列影响。

根据一个特定特征，对于所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件，利用用于在第二时间段中控制桥接器件的周期性模式而在第一时间段中控制的另一桥接器件在任何连续时间段内是相同的。

因此，切换模式在桥接器件上的排列规则是简单的，并且能够是预定义的。在每个持续时间处，不需要计算来确定在第一时间段中控制另一个桥的哪个周期性模式应当在第二时间段期间控制桥接器件。假定恒定的输入电流电平，那么能够平衡多个桥接器件的至少一部分内的电容器的老化。

根据一个特定特征，所述方法还包括以下步骤：

- 在所述第一给定组连续时间段之后的第二组连续时间段内，选择用于在所述第二组连续时间段的时间段中控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的其他周期性模式；

- 根据用于在所述第一组连续时间段之后的所述第二组连续时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的每个周期性模式，连续地控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

因此，排列过程与将哪个周期性模式应用于由多个桥接器件构成的升压转换器无关。相同的排列规则能够被应用于可利用各种周期性模式实现的各种升压转换比。假定恒定的输入电流电平，那么能够平衡桥接器件的第一子集内的电容器的老化。

根据一个特定特征，所述方法还包含以下步骤：在每个时间段处并且针对每个桥接器件，选择由用于在第二时间段中控制桥接器件的周期性模式控制的另一桥接器件。

因此，当输入电流的电平在连续时间段内变化时，有可能更好地平衡电容器的老化。

根据一个特定特征，所述另一桥接器件是通过以下操作来选择的：

- 针对每个周期性模式，估计在一个桥接器件的开关由所述周期性模式控制时经过该桥接器件的电流；

- 针对所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件，估计已经经过该桥接器件的随时间累积的电流，

以及，所述另一桥接器件是随时间累积的估计电流高于所述桥接器件的随时间累积的估计电流的桥接器件，并且，所述另一桥接器件是利用以下周期性模式在第一时间段中控制的桥接器件，该周期性模式的估计电流高于在第一时间段中控制桥接器件的开关的周期性模式的估计电流，

或者，所述另一桥接器件是随时间累积的估计电流低于所述桥接器件的随时间累积的估计电流的桥接器件，并且，所述另一桥接器件是利用以下周期性模式在第一时间段中控制的桥接器件，该周期性模式的估计电流低于在第一时间段中控制桥接器件的开关的周期性模式的估计电流，

或者，所述另一桥接器件是所述桥接器件。

因此，能够控制桥的电容器的老化以便跟随另一个桥的电容器的老化。能够实现对电容器老化的有效且精确的平衡。

根据一个特定特征，经过由一个周期性模式控制其开关的桥接器件的估计电流等于在持续时间内求平均的由多个桥接器件构成的升压转换器的输入电流与1减去桥接器件的输入和输出之间的电压为零值的时间间隔的数目除以周期性模式的时间间隔的数目相乘。

因此，对通过将每个周期性模式应用于电容器桥接器件而引起的每个电容器额外老化的评估能够被容易地实现为桥接器件的输入和输出之间的电压为零值的时间间隔的数目除以周期性模式的时间间隔的数目，这是针对每个周期性模式而能够预先计算的值。

 根据一个特定特征，按照经过由周期性模式控制其开关的桥接器件的估计电流乘以时间段的持续时间来递增已经经过每个桥接器件的估计累积电流。

因此，能够在由多个桥接器件构成的升压转换器的寿命期间精确地实现对每个桥接器件的电容器老化的估计。

根据一个特定特征，升压转换器由4个桥接器件构成，所述多个桥接器件的所述至少一部分包括第一、第二和第三桥接器件，每个周期性模式被分解为时间间隔，并且，在用于控制第一、第二和第三桥接器件的开关的周期性模式的每个时间间隔中，第一、第二和第三桥接器件的输入和输出之间的电压等于正值或负的第一正值或零值，第四桥接器件的输入和输出之间的电压等于所述正值的4倍或所述正值的-4倍或零值，并且，所述多个桥接器件的所述至少一部分由第一、第二和第三桥接器件构成。

因此，能够在第一、第二和第三桥接器件上实现高效的老化平衡，同时避免第一、第二和第三桥接器件的电容器的电压达到第四桥接器件的电压。

此外，即使周期性模式不是满秩的，也能够实现在第一、第二和第三桥接器件上平衡电容器电压。能够在第一、第二和第三桥接器件的电容器的额定电压内维持第一、第二和第三桥接器件的电容器电压。

根据一个特定特征，所述正值是输出电压的期望值除以周期性模式的时间间隔的数目的结果。

因此，所述第一正值能够容易地根据期望输出电压电平而确定。然后，能够容易地从所述第一正值选择适当的输入电压电平，并且能够选择周期性模式。

根据一个特定特征，在一个周期性模式的所述数目的时间间隔上桥接器件的输入和输出之间的电压总和等于零值。

因此，在一个周期性模式上，由恒定电流源（例如光伏模块）递送的电流均等地对桥接器件的电容器进行充电和放电，并且，假定恒定的电流源，那么电容器的电压是稳定的并且不进行放电。

根据一个特定特征，一个桥接器件被连接至由多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，由多个桥接器件构成的所述升压转换器还包括至少另一开关，所述至少另一开关被连接至由多个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的电源的另一端子。

因此，由输入电源提供的电流能够交替地对由多个桥接器件构成的所述升压转换器的每个桥接器件的电容器进行充电和放电。

根据一个特定特征，在周期性模式的时间间隔的第一子集中的任何时间间隔内，与由多个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的电源的所述另一端子相连接的开关在所述第一子集的时间间隔期间导通，并且，在所述第一子集的时间间隔期间桥接器件的输入和输出之间的电压总和等于整数Kp乘以所述第一正值。

因此，输入电压Vin能够在主开关导通时取值Vout乘以Kp且除以N。

根据一个特定特征，在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内，与由多个桥接器件构成的所述升压转换器所升压的电源的所述另一端子相连接的开关在所述第二子集的时间间隔期间不导通，并且，在所述第二子集的时间间隔期间桥接器件的输入和输出之间的电压总和等于负的非零整数P乘以所述第一正值。

因此，输入电压Vin能够在主开关不导通时取值Vout乘以（N-P）且除以N。

根据一个特定特征，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，以及数目Kp等于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能够在模式的所有时间间隔处取值Vout乘以N-P且除以N，并且，由多个桥接器件构成的所述升压转换器能够执行等于N除以N-P的升压比，其中能够灵活地选择N和P以便实现期望的升压比。结果，可利用由多个桥接器件构成的所述升压转换器实现的升压比的数目增大很多。于是随着升压比的数目增大，更容易实现对输出电压的调节。

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，在附图中：

图1是由多个桥接器件构成的升压转换器的实例；

图2表示包括由多个桥接器件构成的升压转换器的设备的实例；

图3表示一个表，该表表示为了获得由多个桥接器件构成的升压转换器的桥上的不同电压的、由多个桥接器件构成的升压转换器的开关的切换状态；

图4表示一个表，该表表示为了获得一个周期性模式的不同排列的不同升压比的周期性模式；

图5a至5c是根据本发明的为了获得第一升压比的、由多个桥接器件构成的升压转换器的桥上的电压值的实例；

图6a至6c是根据本发明的为了获得第二升压比的、由多个桥接器件构成的升压转换器的桥上的电压值的实例；

图7是用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的开关的算法的实例。

图1是由多个桥接器件构成的升压转换器的实例。

由多个桥接器件构成的升压转换器还被称为无电抗器升压转换器，在这里称为RLBC转换器。

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1中所示，每个桥接器件由四个开关以及电容器构成。这里必须注意，两个开关可以在充当开关的二极管的形式下。该单独桥结构也被称为“比特”。由多个桥接器件构成的升压转换器还包含输出级，该输出级包括二极管D4和开关S4。

在图1中，4个比特或桥接器件B1、B2、B3和B4被示出并且被串联连接；第四比特B4被连接至输出级。

比特B1由2个二极管D11和D12、2个开关S11和S12以及1个电容器C1构成。

比特B2由2个二极管D21和D22、2个开关S21和S22以及1个电容器C2构成。

比特B3由2个二极管D31和D32、2个开关S31和S32以及1个电容器C3构成。

比特B4由2个二极管D41和D42、2个开关S41和S42以及1个电容器C4构成。

输出级还被连接至电容器CL。

对于每个比特Bi，其中i=1、2、3或4，二极管Di1的阳极被链接至开关Si1的第一端子。Di1的阴极被链接至开关Si2的第一端子和电容器Ci的正端子。开关Si1的第二端子被链接至电容器Ci的负端子和二极管Di2的阳极。二极管Di2的阴极被链接至开关Si2的第二端子。

像光伏元件PV之类的电DC提供装置提供输入电压Vin。电DC提供装置的正端子被连接至二极管D11的阳极。

二极管D12的阴极被连接至二极管D21的阳极。

二极管D22的阴极被连接至二极管D31的阳极。

二极管D32的阴极被连接至二极管D41的阳极。

二极管D42的阴极被链接至开关S4的第一端子和二极管D4的阳极。D4的阴极被链接至电容器CL的正端子。开关S4的第二端子被链接至电容器CL的负端子和电DC提供装置PV的负端子。

电容器CL上的电压等于Vout。

B1的输入和输出之间的电压差被称为Vb1，B2的输入和输出之间的电压差被称为Vb2，B3的输入和输出之间的电压差被称为Vb3，以及B4的输入和输出之间的电压差被称为Vb4。

C1中的电压差被称为Vc1，C2中的电压差被称为Vc2，C3中的电压差被称为Vc3，以及C4中的电压差被称为Vc4。

常规升压转换器与RLBC之间的主要区别在于以下事实：后者仅能得到电压升压比的一些离散值（以及因而得到占空比D的值，其中比=1/(1-D)），这些离散值取决于可用“比特”的数目。

给定整数的向量K =[k₁:k₂:k₃:k₄]，则能够找到由至少4个比特B1、B2、B3和B4构成的、并且其中[Vc1:Vc2:Vc3:Vc4]=Vout/N的RLBC的开关控制模式，以便实现各种占空比D=P/N。

现在定义RLBC电路的切换命令法则。基本上，每个比特电压Vb1…Vb4按照下式被表示为时间的函数：

其中

表示时间间隔宽度

的阶跃函数，

表示开关S4的切换周期的持续时间。对于开关Si1的控制命令法则，Si2能够取{0; 1}中的值，电压Vbij根据以下法则在第j个时间间隔T_j处取{-Vc_i, 0; Vc_i}中的值：

当开关Si1j和Si2在第j个时间间隔T_j处处于接通状态或导通状态时，Si1_j和Si2_j等于1，而当开关Si1j和Si2在第j个时间间隔T_j处处于关断状态或非导通状态时，Si1_j和Si2_j等于0值。

进一步假定Vbi被定义为参考电压数目V_ref的整数，则得到以下等式：

如果现在应用处于导通模式（S4=1）的RLBC电路的电压平衡条件，则在开关S4的切换周期的前P个时间间隔期间，得到：

如果现在应用处于非连续模式（S4=0）的RLBC电路的电压平衡条件，则在开关S4的切换周期的最后N-P个时间间隔期间，得到：

在稳态分析下，应当验证每个电容器电荷的平衡，这能够由下式表示：

在满足上述条件的情况下，如果计算以下各项则能够验证升压行为：

其中n等于比特数目。

这证明了只要满足条件

、和

就能够实现比为D=N/N-P的升压转换。

其中k_i=1、1、1或4。

现在引入以下项：

根据(a)和(b)，可以获得：

应当注意，由于能够任意设置V_ref，因此能够决定令α等于1，找到切换规则集合就够了

应当注意，V_ref还能够被表示为：

对于给定的整数对{N, P}和给定的整数向量K，找到具有n个比特的RLBC的切换模式的解在于找到大小为（Nxn）并且元素处于{-1; 0; 1}中的矩阵（

），使得

(i)  矩阵（

）验证

 ，以及

(ii)  

具有值为N-P的P个元素和值为-P的N-P个元素。

在本发明中，图4中公开的每个矩阵针对示例向量K=[1 1 1 4]验证条件(i)和(ii)。根据上述原理，能够针对其他P/N比和其他向量K找到其他矩阵。

因为每个RLBC切换模式必须严格验证条件(i)和(ii)，因此对于给定的占空比，每个电容器的充电和放电模式是固定的，并且有时在电容器上不同，从而导致经过每个比特的RMS电流电平不平衡。高RMS电流电平通常缩短电容器的寿命。

而且，实际上不可能严格保证对开关应用的切换模式的N个时间间隔的持续时间严格相等。小的持续时间差异能够导致比特电压的不稳定，这是因为一个切换模式的应用能够导致对应电容器的非常缓慢的充电或放电。

结果，如果在利用切换模式激活的所使用的比特上给定矩阵eij不是满秩的，则能够利用该给定矩阵eij实现的向量可能平滑漂移，这是因为许多向量K能够验证后一种情况下的条件(ii)。它可能导致电容器比特电压漂移至可超过对应比特桥接器件的额定电压的某个电平，从而使电容器和开关的寿命缩短。

图2表示包括由多个桥接器件构成的升压转换器的设备的实例。

设备20例如具有基于由总线201以及受与如图7中公开的算法相关的程序控制的处理器200连接在一起的组件的架构。

这里必须注意，设备20在变型中是在执行与以下公开的由处理器200执行的操作相同的操作的一个或几个专用集成电路的形式下实施的。

总线201将处理器200链接至只读存储器ROM 202、随机存取存储器RAM 203、模数转换器ADC 206和如图1中公开的RLBC模块。

只读存储器ROM 202包含与如图7中公开的算法相关的程序的指令，当对器件20通电时将这些指令传送至随机存取存储器RAM 203。

只读存储器202存储图3、4、5和6中所示的表。

RAM存储器203包含用来接收变量以及与如图7中公开的算法相关的程序的指令的寄存器。

模数转换器206被连接至RLBC，并将表示输入电压Vin和/或输出电压Vout的电压转换为二进制信息。

图3表示一个表，该表表示为了获得由多个桥接器件构成的升压转换器的桥上的不同电压的、图1中所示的升压转换器的开关的切换状态。

列300至302与比特B1相关，列303至305与比特B2相关，列306至308与比特B3相关，以及列309至311与比特B4相关。

行321示出：对于等于Vc1的电压Vb1，开关S11处于非导通状态，以及开关S12处于非导通状态；对于等于Vc2的电压Vb2，开关S21处于非导通状态，以及开关S22处于非导通状态；对于等于Vc3的电压Vb3，开关S31处于非导通状态，以及开关S32处于非导通状态；以及对于等于Vc4的电压Vb4，开关S41处于非导通状态，以及开关S42处于非导通状态。

行322示出：对于等于零值的电压Vb1，开关S11处于非导通状态，以及开关S12处于导通状态；对于等于零值的电压Vb2，开关S21处于非导通状态，以及开关S22处于导通状态；对于等于零值的电压Vb3，开关S31处于非导通状态，以及开关S32处于导通状态；以及对于等于零值的电压Vb4，当开关S42处于导通状态时，S41处于非导通状态，或者当开关S42处于导通状态时，开关S41处于导通状态。

行323示出：对于等于-Vc1的电压Vb1，开关S11处于导通状态，以及开关S12处于导通状态；对于等于-Vc2的电压Vb2，开关S21处于导通状态，以及开关S22处于导通状态；对于等于-Vc3的电压Vb3，开关S31处于导通状态，以及开关S32处于导通状态；以及对于等于-Vc4的电压Vb4，开关S41处于导通状态，以及开关S42处于导通状态。

图4表示一个表，该表表示为了获得一个周期性模式的不同排列的不同升压比的周期性模式。

图4的表包括记为400至402的3个列。列400示出在使用比特的第一排列P1时要根据所选占空比D选择的图。列401示出在使用比特的第二排列P2时要根据所选占空比D选择的图。列402示出在使用第三排列P3时要根据所选占空比D选择的图。

在行411中，列400的向量[B1, B2, B3, B4]指示排列P1并不排列任何比特。列401的向量[B3, B1, B2, B4]指示将排列P1的比特B3、B1、B2和B4的切换模式应用于排列P2的相应比特B1、B2、B3和B4。列402的向量[B2, B3, B1, B4]指示将排列P1的比特B2、B3、B1和B4的切换模式应用于排列P3的相应比特B1、B2、B3和B4。

行412示出在占空比等于5/7时要选择的图。如果排列是P1，则选择图5a；如果排列是P2，则选择图5b；如果排列是P3，则选择图5c。

行413示出在占空比等于6/7时要选择的图。如果排列是P1，则选择图6a；如果排列是P2，则选择图6b；如果排列是P3，则选择图6c。

图5a至5c是根据本发明的为了获得第一升压比的、由多个桥接器件构成的升压转换器的桥上的电压值的实例。

在行501、511和521中，等于1的值意味着Vb1=V_ref，等于-1的值意味着Vb1=-V_ref，以及等于0的值意味着Vb1=0。

在行502、512和522中，等于1的值意味着Vb2=V_ref，等于-1的值意味着Vb2=-V_ref，以及等于0的值意味着Vb2=0。

在行503、513和523中，等于1的值意味着Vb3=V_ref，等于-1的值意味着Vb3=-V_ref，以及等于0的值意味着Vb3=0。

在行504、514和524中，等于1的值意味着Vb4=4V_ref，等于-1的值意味着Vb4=-4V_ref，以及等于0的值意味着Vb4=0。

每个时间间隔T1至T7的持续时间是△T=T/N（N=7），其中T是图1的开关S4操作的周期的持续时间。

开关S4在时间间隔T1至T5（P=5）期间处于导通状态并在时间间隔T6和T7（N=7）处处于非导通状态。

图5a包括为了具有比Vout/Vin=N/(N-P)=3.5 (D=0.714)的、RLBC的桥上的电压值。

需要7个时间间隔以便获得比Vout/Vin= 3.5。

在时间间隔T1处，Vb1=-V_ref，Vb2=-V_ref，Vb3=0以及Vb4=4V_ref。在时间间隔T2处，Vb1=-V_ref，Vb2=0，Vb3=-V_ref以及Vb4=4V_ref。在时间间隔T3和T4处，Vb1=V_ref，Vb2=V_ref，Vb3=0以及Vb4=0。在时间间隔T5处，Vb1=V_ref，Vb2=0，Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T6处，Vb1=0，Vb2=-V_ref，Vb3=0以及Vb4=-4V_ref。在时间间隔T7处，Vb1=-V_ref，Vb2=0，Vb3=0以及Vb4=-4V_ref。

当考虑图5a的表时，能够推断出比特B1、B2和B3的电容器C1、C2和C3中的RMS电流如下：

其中，Ipv是由电DC提供装置产生的电流，7表示图5a中所示的周期性模式的时间间隔的数目，6是Vb1=V_ref或-V_ref的时间间隔的数目，4是Vb2=V_ref或-V_ref的时间间隔的数目，以及2是Vb3=V_ref或-V_ref的时间间隔的数目。

能够清楚地看到，I_C1>I_C2>I_C3，因此，针对每切换模式在电容器C1电容器中充电和放电越多能量，则与电容器C2和C3相比电容器C1的寿命缩短得越多。

比特B1的电容器将非正常地老化并很可能在电容器C2和C3之前失效，从而使RLBC的寿命与电容器C1的寿命相联系。

根据本发明，为了平衡所有电容器的老化，本发明对3个比特B1、B2和B3中的每一个的切换模式进行排列。

通过这样做，将对电容器C1、C2和C3进行充电的电流将具有相同的平均值。

在本发明的第一实现中，在大小为7个时间间隔的每个周期性模式处执行对比特的切换模式的排列，并且，每3个连续模式循环地重复持续时间7个时间间隔的每个周期性模式。

所得到的等效周期性切换模式现在已变为大小为21的时间间隔。不是将周期性模式划分为7个时间间隔，而是现在将其划分为21个时间间隔。每个电容器C1、C2和C3将耐受RMS电流Ic如下：

。

在本发明的第二实现中，基于更大的时间段（典型地为天或周）来实现对切换模式的排列。在一个优选实施例中，然后将老化得最多的模式分配给老化得较少的电容器比特。在另一实施例中，然后将老化得较少的模式分配给老化得最多的电容器比特。

图5b包括以下RLBC的桥上的电压值，在该RLBC中，将B1、B2和B3的开关的切换模式分别设置为图5a的B3、B1和B2的开关的切换模式。图5b所述的切换模式是图5a的切换模式的排列P2的结果。

在时间间隔T1处，Vb1=0，Vb2=-V_ref，Vb3=-V_ref以及Vb4=4V_ref。在时间间隔T2处，Vb1=-V_ref，Vb2=-V_ref，Vb3=0以及Vb4=4V_ref。在时间间隔T3和T4处，Vb1=0，Vb2=V_ref，Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T5处，Vb1=V_ref，Vb2=V_ref，Vb3=0以及Vb4=0。在时间间隔T6处，Vb1=0，Vb2=0，Vb3=-V_ref以及Vb4=-4V_ref。在时间间隔T7处，Vb1=0，Vb2=-V_ref，Vb3=0以及Vb4=-4V_ref。

图5c包括以下RLBC的桥上的电压值，在该RLBC中，将B1、B2和B3的开关的切换模式分别设置为图5a的B2、B3和B1开关的切换模式。图5c所述的切换模式是图5a的切换模式的排列P3的结果。

在时间间隔T1处，Vb1=-V_ref，Vb2=0，Vb3=-V_ref以及Vb4=4V_ref。在时间间隔T2处，Vb1=0，Vb2=-V_ref，Vb3=-V_ref以及Vb4=4V_ref。在时间间隔T3和T4处，Vb1=V_ref，Vb2=0，Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T5处，Vb1=0，Vb2=V_ref，Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T6处，Vb1=-V_ref，Vb2=0，Vb3=0以及Vb4=-4V_ref。在时间间隔T7处，Vb1=0，Vb2=0，Vb3=-V_ref以及Vb4=-4V_ref。

图6a至6c是根据本发明的为了获得第二升压比的、由多个桥接器件构成的升压转换器的桥上的电压值的实例。

在行601、611和621中，等于1的值意味着Vb1=V_ref，等于-1的值意味着Vb1=-V_ref，以及等于0的值意味着Vb1=0。

在行602、612和622中，等于1的值意味着Vb2=V_ref，等于-1的值意味着Vb2=-V_ref，以及等于0的值意味着Vb2=0。

在行603、613和623中，等于1的值意味着Vb3=V_ref，等于-1的值意味着Vb3=-V_ref，以及等于0的值意味着Vb3=0。

在行604、614和624中，等于1的值意味着Vb4=4V_ref，等于-1的值意味着Vb4=-4V_ref，以及等于0的值意味着Vb4=0。

每个时间间隔T1至T7的持续时间是△T=T/N（N=7），其中T是图1的开关S4操作的周期的持续时间。

开关S4在时间间隔T1至T6（P=6）期间处于导通状态并在时间间隔T7（N=7）处处于非导通状态。

图6a包括为了具有第二比Vout/Vin=N/(N-P)=7 (D=0.857)的、RLBC的桥上的电压值。

需要7个时间间隔以便获得比Vout/Vin= 7。

在时间间隔T1和T2处，Vb1=V_ref，Vb2=Vb3=Vb4=0。在时间间隔T3处，Vb1=Vb2=V_ref，Vb3=-V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T4处，Vb1=-V_ref，Vb2=Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T5处，Vb1=Vb2=Vb3=-V_ref，Vb4=4V_ref。在时间间隔T6处，Vb1=Vb2=-V_ref，Vb3=0以及Vb4=-4V_ref。在时间间隔T7处，Vb3=V_ref以及Vb1=Vb2=Vb4=0。

图6b包括以下RLBC的桥上的电压值，在该RLBC中，将B1、B2和B3的开关的切换模式分别设置为图6a的B3、B1和B2的开关的切换模式。图6b所述的切换模式是图6a的切换模式的排列P2的结果。

在时间间隔T1和T2处，Vb2=V_ref，Vb1=Vb3=Vb4=0。在时间间隔T3处，Vb3=Vb2=V_ref，Vb1=-V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T4处，Vb2=-V_ref，Vb1=Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T5处，Vb1=Vb2=Vb3=-V_ref，Vb4=4V_ref。在时间间隔T6处，Vb3=Vb2=-V_ref，Vb1=0以及Vb4=-4V_ref。在时间间隔T7处，Vb1=V_ref以及Vb3=Vb2=Vb4=0。

图6c包括以下RLBC的桥上的电压值，在该RLBC中，将B1、B2和B3的开关的切换模式分别设置为图6a的B2、B3和B1的开关的切换模式。图6c所述的切换模式是图6a的切换模式的排列P3的结果。

在时间间隔T1和T2处，Vb3=V_ref，Vb1=Vb2=Vb4=0。在时间间隔T3处，Vb3=Vb1=V_ref，Vb2=-V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T4处，Vb3=-V_ref，Vb2=Vb3=V_ref以及Vb4=0。在时间间隔T5处，Vb1=Vb2=Vb3=-V_ref，Vb4=4V_ref。在时间间隔T6处，Vb3=Vb1=-V_ref，Vb2=0以及Vb4=-4V_ref。在时间间隔T7处，Vb2=V_ref以及Vb3=Vb1=Vb4=0。

图7是用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的开关的算法的实例。

更确切地说，本算法由设备20的处理器200执行。

在步骤S700，处理器200激活定时器。定时器持续时间等于整数个周期性模式。

定时器持续时间可以等于一个周期性模式，或者可以具有分钟或小时或天或周的大小量级。

在下一步骤S701处，处理器200从排列P1、P2和P3当中选择排列。例如，处理器200选择排列P2。

在下一步骤S702处，处理器200在ROM存储器202中选择使输出电压能够达到给定输出电压范围的第一周期性切换模式。例如，处理器200选择图5a或图6a所述的切换模式，并对所选切换模式应用在步骤S701或S706处选择的排列。例如，处理器200选择提供给定输出电压范围内的输出电压的切换模式，例如根据将在稍后公开的步骤S705处确定的占空比。

在同一步骤处，处理器200将工作切换模式设置为排列后的切换模式。例如，如果处理器200已选择图5a所述的切换模式并且如果在步骤S701处选择了排列P2，则处理器200根据图4中所述的表将工作切换模式设置为图5b所述的排列后的切换模式。

在下一步骤S703处，处理器200根据在步骤S702处设置的切换模式来命令RLBC的开关。

在下一步骤S704处，处理器200检查在步骤S700或S707处激活的定时器是否到期（elapsed）。

如果在步骤S704处激活的定时器到期，则处理器200移动至步骤S706。否则，处理器200移动至步骤S705。

在步骤S705处，处理器200检查是否必须应用另一占空比D。例如，如果由所设置的切换模式提供的输出电压变为处于给定输出电压范围之外，则必须应用另一占空比。

如果必须应用另一占空比，则处理器200将图4中列出的占空比集合内的新占空比确定为提供给定输出电压范围内的输出电压的新占空比。

如果必须应用另一占空比，则处理器200返回至步骤S702。否则，处理器200返回至步骤S704。

在步骤S706处，处理器200选择要应用于在步骤S702处设置的切换模式的排列。例如，如果处理器200先前在前述步骤S702处应用了排列Pi，其中i=1至3，则处理器200将排列设置为P(i+1)模3。

作为另一实例，处理器200根据自最后的排列决定起求平均的电流计来确定每个比特电容器的额外老化，并选择将使老化得最多的电容器老化得较少的排列。

作为又一实例，处理器200根据自最后的排列决定起求平均的电流计来确定每个比特电容器的额外老化，并选择将使老化得最少的电容器老化得最多的排列。

作为又一实例，处理器200根据自最后的排列决定起求平均的电流计来确定每个比特电容器的额外老化，并选择将最小化电容器之间的老化差异的排列。

作为又一实例，处理器200进行以下操作：

- 针对每个周期性模式，估计在一个桥接器件的开关由所述周期性模式控制时经过该桥接器件的电流；

- 针对所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件，估计已经经过该桥接器件的随时间累积的电流。

处理器针对每个桥接器件Bi选择：对以下桥接器件B(i+1)或B(i+2)模3应用的周期性模式，该桥接器件B(i+1)或B(i+2)模3的随时间累积的估计电流高于桥接器件Bi的随时间累积的估计电流；以及以下对桥接器件B(i+1)或B(i+2)模3应用的周期性模式，该周期性模式的估计电流高于对桥接器件Bi的开关进行控制的周期性模式的估计电流。

处理器针对每个桥接器件Bi选择：对以下桥接器件B(i+1)或B(i+2)模3应用的周期性模式，该桥接器件B(i+1)或B(i+2)模3的随时间累积的估计电流低于桥接器件Bi的随时间累积的估计电流；以及以下对桥接器件B(i+1)或B(i+2)模3应用的周期性模式，该周期性模式的估计电流低于对桥接器件Bi的开关进行控制的周期性模式的估计电流。

在下一步骤S707处，处理器200如在步骤S700处公开的那样激活定时器并移动至步骤S702。

当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明实施例进行许多修改。

Claims (16)

1.用于控制由串联连接的多个桥接器件构成的升压转换器的开关的方法，每个桥接器件由电容器和多个开关构成，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

- 在第一时间段期间，根据给定的周期性模式，控制所述多个桥接器件的至少一部分中的每个桥接器件的开关；

- 在所述第一时间段之后的第二时间段期间，根据先前用于在所述第一时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的另一桥接器件的开关的周期性模式，控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一给定组连续时间段中，根据用于在第一组连续时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的每个周期性模式，连续地控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，对于所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件，利用用于在所述第二时间段中控制所述桥接器件的所述周期性模式而在所述第一时间段中控制的所述另一桥接器件在任何连续时间段内是相同的。

4.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

- 在所述第一给定组连续时间段之后的第二组连续时间段内，选择用于在所述第二组连续时间段的时间段中控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的其他周期性模式；

- 根据用于在所述第一组连续时间段之后的所述第二组连续时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的每个周期性模式，连续地控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关。

5.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：在每个时间段处并且针对每个桥接器件，选择由用于在所述第二时间段中控制所述桥接器件的所述周期性模式控制的所述另一桥接器件。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每个另一桥接器件是通过以下操作来选择的：

- 针对每个周期性模式，估计在一个桥接器件的开关由所述周期性模式控制时经过该桥接器件的电流；

- 针对所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件，估计已经经过该桥接器件的随时间累积的电流，

以及，所述另一桥接器件是随时间累积的估计电流高于所述桥接器件的随时间累积的估计电流的桥接器件，并且，所述另一选择的桥接器件是利用以下周期性模式在所述第一时间段中控制的桥接器件，该周期性模式的估计电流高于在所述第一时间段中控制所述桥接器件的开关的周期性模式的估计电流，

或者，所述另一桥接器件是随时间累积的估计电流低于所述桥接器件的随时间累积的估计电流的桥接器件，并且，所述另一桥接器件是利用以下周期性模式在所述第一时间段中控制的桥接器件，该周期性模式的估计电流低于在所述第一时间段中控制所述桥接器件的开关的周期性模式的估计电流，

或者，所述另一桥接器件是所述桥接器件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，经过由一个周期性模式控制其开关的桥接器件的估计电流等于：在持续时间内求平均的由多个桥接器件构成的所述升压转换器的输入电流与1减去所述桥接器件的输入和输出之间的电压为零值的时间间隔的数目除以周期性模式的时间间隔的数目相乘。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，按照经过由周期性模式控制其开关的桥接器件的估计电流乘以时间段的持续时间来递增已经经过每个桥接器件的估计累积电流。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述升压转换器由4个桥接器件构成，所述多个桥接器件的所述至少一部分包括第一、第二和第三桥接器件，每个周期性模式被分解为时间间隔，并且，在用于控制所述第一、第二和第三桥接器件的开关的周期性模式的每个时间间隔中，所述第一、第二和第三桥接器件的输入和输出之间的电压等于正值或负的第一正值或零值，第四桥接器件的输入和输出之间的电压等于所述正值的4倍或所述正值的-4倍或零值，并且，所述多个桥接器件的所述至少一部分由第一、第二和第三桥接器件构成。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述正值是输出电压的期望值除以周期性模式的时间间隔的数目的结果。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在一个周期性模式的所述数目的时间间隔上桥接器件的输入和输出之间的电压总和等于零值。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，一个桥接器件被连接至由多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，由多个桥接器件构成的所述升压转换器还包括至少另一开关，所述至少另一开关被连接至由多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。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在周期性模式的时间间隔的第一子集中的任何时间间隔内，与由多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相连接的开关在所述第一子集的时间间隔期间导通，并且，在所述第一子集的时间间隔期间桥接器件的输入和输出之间的电压总和等于整数Kp乘以所述第一正值。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在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内，与由多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相连接的开关在所述第二子集的时间间隔期间不导通，并且，在所述第二子集的时间间隔期间桥接器件的输入和输出之间的电压总和等于负的非零整数P乘以所述第一正值。

15.根据权利要求14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，以及数目Kp等于周期性模式的时间间隔的数目减去数目P。

16.用于控制由串联连接的多个桥接器件构成的升压转换器的开关的设备，每个桥接器件由电容器和多个开关构成，其特征在于，所述设备包括：

- 用于在第一时间段期间，根据给定的周期性模式，控制所述多个桥接器件的至少一部分中的每个桥接器件的开关的装置；

- 用于在所述第一时间段之后的第二时间段期间，根据先前用于在所述第一时间段期间控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的另一桥接器件的开关的周期性模式，控制所述多个桥接器件的所述至少一部分中的每个桥接器件的开关的装置。

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