CN102428650A - 用于控制缓冲电路的操作的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制系统中的缓冲电路的操作的设备，在所述系统中至少使用利用至少一个周期性模式控制的开关来处理输入电压。当启用所述缓冲电路的操作时，将所述输入电压施加至所述缓冲电路。所述设备包括：-用于确定将要用于控制所述开关的周期性模式的装置，所述周期性模式修改所述输入电压；-用于禁用所述缓冲电路的操作的装置；-用于利用所确定的周期性模式控制所述开关的装置；-用于检查所述输入电压是否与给定值相容的装置；-用于在所述输入电压与所述给定值相容时启用所述缓冲电路的操作的装置。

Description

用于控制缓冲电路的操作的方法和设备

本发明总体上涉及用于控制缓冲电路（snubber circuit）的操作的方法和设备。

缓冲电路被频繁地用在具有电感性负载的电气系统中，在该电气系统中，电流的突然中断通常导致在产生中断的器件上的电压急剧升高。电压的这种急剧升高是瞬变过程，并且能够损坏半导体器件并导致半导体器件的故障。很可能产生火花（形成电弧），并且该火花很可能导致电磁干扰。缓冲电路通过在器件周围传导瞬变电流来防止这种不期望的电压。通常使用包括与小电容器C_S串联的小电阻器R_S的简单缓冲器。因此，缓冲电路保护功率器件免受电压击穿，并且还避免电磁干扰以便符合一些规则和标准。

缓冲电路通常被用在DC/DC转换器中。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DC/DC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。

基本上，常规DC/DC升压转换器的电感器被串联连接的“k”个桥接器件替代，每个桥接器件由四个开关以及电容器构成。

根据开关的控制，每个桥上的电压可以为正、零或负。需要在每个桥接支路的高侧和低侧开关的切换之间应用死区时间，以便避免桥接电容器可能短路。

然而，死区时间可能导致一些缺点，例如出现在开关上的高压过冲。这些过冲还将在单个切换周期内数次出现在由多个桥接器件构成的升压转换器的输入处，其通常高达2^k次，其中k是桥接器件的数目。在与由多个桥接器件构成的升压转换器相连接的作为电源的光伏模块的情况下，甚至更不期望输入电压变化，这是因为可能表示由于光伏模块的最大功率点（MPP）周围的振荡而引起的发电损耗。

缓冲电路避免电压过冲并保护开关。

在与由多个桥接器件构成的升压转换器相连接的光伏模块的特殊情况下，缓冲电路避免电压过冲以及随之发生的MPP周围的发电损耗。

由多个桥接器件构成的升压转换器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桥的数目。

对周期性切换模式进行选择以便提供不同的升压比。当输入电压发生变化时，有时必须选择提供另一升压比的另一切换模式。

通过改变升压比，光伏模块的输入电压可以在特定时间期间改变对于每种占空比情况在均衡条件下存在于每个桥接电容器上的电压电平，所述均衡条件可以在不同升压比之间不同。

在该瞬变时间期间，由多个桥接器件构成的升压转换器的缓冲电路必须应对这种输入电压变化，并且，如果在输入处由多个桥接器件构成的升压转换器所施加的电压小于缓冲电容器上的电压电平，则能够产生大的电流峰值。

然后需要确定缓冲电路的组件的大小以便应对大的电流峰值。

由多个桥接器件构成的升压转换器的总成本于是被增大。

附加功率损耗被添加至无电感器升压的转换器，并且其组件可能被较大的电流峰值损坏。

本发明旨在提供一种方法和设备，它们提供对于给定占空比在正常操作条件下缓冲电路的优点，而无需能够承受高电流的缓冲电路。

为此，本发明涉及一种用于控制系统中的缓冲电路的操作的设备，在所述系统中至少使用利用至少一个周期性模式控制的开关来处理输入电压，其特征在于，当启用所述缓冲电路的操作时，将所述输入电压施加至所述缓冲电路，以及，所述设备包括：

- 用于确定将要用于控制所述开关的周期性模式的装置，所述周期性模式修改所述输入电压；

- 用于禁用所述缓冲电路的操作的装置；

- 用于利用所确定的周期性模式控制所述开关的装置；

- 用于检查所述输入电压是否与给定值相容的装置；

- 用于在所述输入电压与所述给定值相容时启用所述缓冲电路的操作的装置。

本发明还涉及一种用于控制系统中的缓冲电路的操作的方法，在所述系统中至少使用利用了至少一个周期性模式的开关来处理输入电压，其特征在于，当启用所述缓冲电路的操作时，将所述输入电压施加至所述缓冲电路，以及，所述方法包括以下步骤：

- 确定将要用于控制所述开关的周期性模式，所述周期性模式修改所述输入电压；

- 禁用所述缓冲电路的操作；

- 利用所确定的周期性模式控制所述开关；

- 检查所述输入电压是否与给定值相容；

- 在所述输入电压与所述给定值相容时启用所述缓冲电路的操作。

因此，不必具有能够在高电流下操作的缓冲电路。

根据一个特定特征，用于处理所述输入电压的开关是由多个桥接器件构成的升压转换器的开关。

因此，有可能通过利用相关联的切换模式改变由多个桥接器件构成的升压转换器的占空比来获得恒定输出电压。

根据一个特定特征，用于启用/禁用所述缓冲电路的操作的所述装置由开关构成。

因此，所述缓冲电路能够被持续地连接至由多个桥接器件构成的升压转换器，除了由于其的存在（例如在转换器启动期间以及还在占空比改变期间）而会产生高电流的时刻以外。

根据一个特定特征，用于启用/禁用所述缓冲电路的操作的所述装置由串联连接且处于相对位置的两个N-MOSFET晶体管及其相应的体二极管构成。

因此，根本上避免了可流经N-MOSFET体二极管的不期望电流，仅在两个N-MOSFET均被启用（接通状态）的情况下才允许流经这两个N-MOSFET的电流。

根据一个特定特征，第一二极管的阳极被连接至第一N-MOSFET晶体管S_WS1的源极，第一二极管的阴极被连接至第一N-MOSFET晶体管的漏极，第二二极管的阳极被连接至第二N-MOSFET晶体管的源极，以及第二二极管的阴极被连接至第二N-MOSFET晶体管S_WS的漏极，以及第一N-MOSFET晶体管S_WS1的漏极被连接至第二N-MOSFET晶体管的漏极。

根据一个特定特征，所述缓冲电路由与子电路串联连接的电容器构成，所述子电路由并联连接的电阻器和二极管构成。

因此，有可能控制给定持续时间所需的电压上升，从而避免平均电压值（例如光伏模块的MPP）周围的不期望的大的电压变化。

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是其中实施本发明的由3个桥接器件构成的升压转换器的实例；

图2表示用于断开或不断开缓冲电路的开关的实例；

图3表示包括由多个桥接器件构成的升压转换器的器件的实例；

图4是为了具有在将周期性模式分解为8个时间间隔时的第一升压比而处于由3个桥构成的升压转换器的桥上的电压值的实例；

图5是为了具有在将周期性模式分解为7个时间间隔时的第二升压比而处于由3个桥构成的升压转换器的桥上的电压值的实例；

图6是根据本发明的用于控制缓冲电路连接至或不连接至由多个桥接器件构成的升压转换器的算法的实例。

图1是其中实施本发明的由3个桥接器件构成的升压转换器的实例。

升压转换器还被称为无电抗器升压转换器或无电感器升压转换器，在这里称为RLBC。

本发明是在与光伏模块相连接的RLBC中描述的。本发明还适用于其中输入电压可以发生变化并且其中使用了开关和电感器的任何系统。

基本上，常规DC/DC升压转换器的电感器被串联连接的“k”个桥接器件替代。如图1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，2个开关可以在充当开关的二极管的形式下。该单独桥结构还被称为“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Do和电容器Co。

在图1中，3个比特或桥接器件B1、B2和B3被示出并且被串联连接；第3比特B3被连接至输出级。

通过需要多少比特B1就复制多少比特B1能够获得包括更大数目的桥接器件的升压转换器。

比特B1由4个开关S₁₁、S₁₂、S₁₃和S₁₄和1个电容器C₁构成。

开关S₁₁和S₁₄是比特B1的高侧的开关，以及开关S₁₂和S₁₃是比特B1的低侧的开关。

开关S₁₁和S₁₂是比特B1的一个支路的开关，以及开关S₁₄和S₁₃是比特B1的另一支路的开关。

比特B2由4个开关S₂₁、S₂₂、S₂₃和S₂₄和1个电容器C₂构成。

开关S₂₁和S₂₄是比特B2的高侧的开关，以及开关S₂₂和S₂₃是比特B2的低侧的开关。

开关S₂₁和S₂₂是比特B2的一个支路的开关，以及开关S₂₄和S₂₃是比特B2的另一支路的开关。

比特B3由3个开关S₃₁、S₃₂和S₃₃和1个电容器C₃构成。

对于每个比特Bi，其中i=1或2，开关S_i1的第一端子被连接至开关S_i2的第二端子。开关S_i1的第二端子被连接至开关S_i4的第二端子和电容器C_i的正端子。开关S_i2的第一端子被连接至电容器C_i的负端子和开关S_i3的第一端子。开关S_i4的第一端子被连接至开关S_i3的第二端子。

像光伏模块之类的电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开关S₁₁的第一端子。

对于比特B3，开关S₃₁的第一端子被连接至开关S₃₂的第二端子。开关S₃₁的第二端子被连接至二极管D_O的阳极和电容器C₃的正端子。开关S₃₂的第一端子被连接至电容器C₃的负端子和开关S₃₃的第二端子。开关S₃₃的第一端子被连接至电DC提供装置的负端子。

二极管D_O的阴极被连接至电容器C_O的正端子。电容器C_O的负端子被连接至电DC提供装置的负端子。

开关S₁₄的第一端子被连接至开关S₂₁的第一端子。

开关S₂₄的第一端子被连接至开关S₃₁的第一端子。

电容器C_O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，以及B3的输入和输出之间的电压差被称为Vb3。当开关S₃₃接通时，Vb3等于Vb3*，以及当开关S₃₃关断时，Vb3等于Vb3**。

C₁中的电压差被称为V_C1，C₂中的电压差被称为V_C2，以及C₃中的电压差被称为V_C3。

RLBC还包括缓冲电路。

缓冲电路由二极管D_S、电阻器R_S和电容器C_S构成。

电DC提供装置的正端子被连接至二极管D_S的阳极和电阻器R_S的第一端子。二极管D_S的阴极被连接至电阻器R_S的第二端子和电容器C_S的第一端子。

根据本发明，在本发明中提供开关以用于启用或禁用缓冲电路的操作。

电容器C_S的第二端子被连接至开关S_WS的第一端子。开关S_WS的第二端子被连接至电DC提供装置的负端子。

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。

在操作中，RLBC提供取决于可用“比特”的数目的、电压升压比的离散值。升压比的离散值的该数目可以遵守以下法则：

n_ratios=2^k

其中，“n_ratios”是可能的升压比（或占空比）的总数，以及“k”是串联连接的比特的数目。

在每个比特中施加的电压值可以遵守以下法则：

[Vc1: Vc2: …: Vcn]=[1: 2: … : 2^(k-1)] V_CO/2^k

其中，V_CO是经升压的输出电压。

为了获得恒定的输出电压，有可能具有“n_ratios”个不同的输入电压，所述输入电压将遵守以下法则：

Vin=V_CO/ratio_i，i=1,2,…,n_ratios

对于图1的情况n=3个比特，[Vc1:Vc2:Vc3]=[1:2:4]Vref。

定义每个桥Bi的开关的切换模式，以便在桥的连接器处提供电压Vbi，其等于+Vci、-Vci或0，其中Vci是电容器C_i的电压。而且，将每个比特Bi的切换模式按时间方式定义为主切换周期T = 1/f的一连串2^k个相等子周期                                                T。

将参照图4或5来描述由3个桥接器件构成的升压转换器的桥上的电压值的实例。

这里必须注意，可以使用其他配置，像[Vc1:Vc2:Vc3]=[2:3:4]或[Vc1:Vc2:Vc3:Vc3]=[1:1:1:4]。此外，n_ratios最终可以高于2^k。

在开关S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄、S₃₁、S₃₂和S₃₃上应用切换模式。

对以下系统中的缓冲电路的操作进行控制：在该系统中至少使用利用至少一个周期性模式控制的开关来处理输入电压。当启用缓冲电路的操作时，将输入电压施加至缓冲电路。

根据本发明，确定将要用于控制开关的周期性模式，该周期性模式升高输入电压并且将在瞬变状态期间对输入电压值造成某一修改。在瞬变状态期间，禁用缓冲电路的操作，利用所确定的周期性模式控制开关，并检查瞬变状态是否结束以及输入电压是否稳定。如果输入电压与给定值相容，则启用缓冲电路的操作。

图2表示用于断开或不断开缓冲电路的开关的实例。

开关S_WS例如由两个N-MOSFET晶体管及其相应的体二极管构成。体二极管D_S1的阳极被连接至N-MOSFET晶体管S_WS1的源极，以及体二极管D_S1的阴极被连接至N-MOSFET晶体管S_WS1的漏极。

体二极管D_S2的阳极被连接至N-MOSFET晶体管S_WS2的源极，以及体二极管D_S2的阴极被连接至N-MOSFET晶体管S_WS2的漏极。

N-MOSFET晶体管S_WS1的漏极被连接至N-MOSFET晶体管S_WS2的漏极。N-MOSFET晶体管S_WS2的源极被连接至电DC提供装置的负端子。

图3表示包括由多个桥接器件构成的升压转换器的器件的实例。

器件30例如具有基于由总线301以及受与如图6中公开的算法相关的程序控制的处理器300连接在一起的组件的架构。

这里必须注意，器件30在变型中是在执行与如下公开的由处理器300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301将处理器300链接至只读存储器ROM 302、随机存取存储器RAM 303、模数转换器ADC 306和如图1中公开的RLBC模块。

只读存储器ROM 302包含与如图6中公开的算法相关的程序的指令，当对器件30通电时将这些指令传送至随机存取存储器RAM 303。

只读存储器302存储图4和5中所示的表。

RAM存储器303包含用来接收变量以及与如图6中公开的算法相关的程序的指令的寄存器。

模数转换器306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4是为了具有在将周期性模式分解为8个时间间隔时的第一升压比而处于由3个桥构成的升压转换器的桥上的电压值的实例。

图4包括为了具有比Vout/Vin=1.14而处于RLBC的桥上的电压值。

在行401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402中，等于1的值意味着Vb2=2V_ref，等于-1的值意味着Vb2=-2V_ref，以及等于0的值意味着Vb2=0。

在行403中，等于1的值意味着Vb3=4V_ref，等于-1的值意味着Vb3=-4V_ref，以及等于0的值意味着Vb3=0。

每个时间间隔t₁至t₈的持续时间是

T=T/N（N=8），其中T是由图1的开关S₃₃操作的切换周期的持续时间。

需要8个时间间隔以便获得比Vout/Vin=1.14。

在时间间隔t₁处，Vb1=V_ref，Vb2=2V_ref，以及Vb3=4V_ref。在时间间隔t₂、t₃、t₄和t₅处，Vb1=-V_ref，以及Vb2=Vb3=0。在时间间隔t₆和t₇处，Vb1=V_ref，Vb2=-2V_ref，以及Vb3=0。在时间间隔t₈处，Vb1=V_ref，Vb2=2V_ref，以及Vb3=-4V_ref。

图5是为了具有在将周期性模式分解为7个时间间隔时的第二升压比而处于由3个桥构成的升压转换器的桥上的电压值的实例。

图5包括为了具有比Vout/Vin=1.16而处于RLBC的桥上的电压值。

在行501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中，等于1的值意味着Vb2=2V_ref，等于-1的值意味着Vb2=-2V_ref，以及等于0的值意味着Vb2=0。

在行503中，等于1的值意味着Vb3=4V_ref，等于-1的值意味着Vb3=-4V_ref，以及等于0的值意味着Vb3=0。

每个时间间隔t₁至t₇的持续时间是

T=T/N（N=7），其中T是由图1的开关S₃₃操作的切换周期的持续时间。

需要7个时间间隔以便获得比Vout/Vin=1.16。

在时间间隔t₁处，Vb1=0，Vb2=2V_ref，以及Vb3=4V_ref。在时间间隔t₂、t₃和t₄处，Vb1=-V_ref，Vb2=0，以及Vb3=0。在时间间隔t₅和t₆处，Vb1=V_ref，Vb2=-2V_ref，以及Vb3=0。在时间间隔t₇处，Vb1=V_ref，Vb2=2V_ref，以及Vb3=-4V_ref。

图6是根据本发明的用于控制缓冲电路的算法的实例。

更确切地说，本算法由器件30的处理器300执行。

在步骤S600，处理器200获得由多个桥接器件构成的升压转换器必须升高的输入电压Vin。例如，Vin可以是由数字转换器306针对对由多个桥接器件构成的升压转换器施加的输入电压进行的测量的结果。作为另一实例，Vin可以是通过由处理器300根据由数字转换器306针对其他信号（例如比特电压、输出电压、输入或输出电流）进行的另外其他测量而进行的计算来确定的，以便实现特定调节函数。在本发明的特殊实施例中，确定该调节函数以便最大化经过由多个桥接器件构成的升压转换器的电功率。

在下一步骤S601，处理器300检查使用给定的占空比D（例如，由与图4的表相对应的周期性模式提供的占空比）由RLBC升高的输入电压Vin。

如果输入电压Vin提供在期望输出电压范围内所包括的输出电压值，则处理器300返回至步骤S600。否则，处理器300移动至步骤S602。

在步骤S602，处理器300将变量 Vprev的值设置为Vin的值。

在下一步骤S603，处理器300通过向RLBC传送将开关S-_WS设置在非导通状态（关断状态）的命令来禁用RLBC的缓冲电路的操作。

在下一步骤S604，处理器300选择另一占空比D，该另一占空比D实现输入电压至在期望输出电压范围内所包括的输出电压值的升高。例如，处理器300选择由与图5的表相对应的周期性模式提供的占空比D。

在下一步骤S605，处理器300根据与在步骤S604选择的占空比相对应的、存储器302中存储的模式，命令RLBC 305的开关。

每当必须改变占空比时以及还在转换器的启动期间，不同电路组件上的电压电平就尚未处于均衡状态下。因此，如果开关S_WS未处于非导通状态（关断），则在缓冲电阻器上将出现不期望的电压，并且缓冲电容器上的电压将高于由RLBC转换器施加的输入电压。这将导致经过缓冲电路的电阻器和电容器的电流峰值，并且因而导致经过RLBC电路的电流峰值，这是由于缓冲电流将添加至来自像光伏模块之类的电功率提供装置的电流。

对于这里根据图1、4和5描述的该特定情况，在实现第二周期性模式的均衡之前，在电阻器R_S中可能存在等于Vout/(8*R_S)的最大峰值电流。

由于本发明，所以不产生该电流。

在下一步骤S606，如在步骤S600所公开的那样，处理器300获得由多个桥接器件构成的升压转换器必须升高的输入电压。

在下一步骤S607，处理器300检查电压Vin是否与给定值相容。

如果Vin是稳定的并且如果由于占空比改变而引起的瞬态变化结束，则电压Vin与给定值相容。

当电压Vin的平均值周围的变化为正或负百分之五时，电压Vin是稳定的。通过使用在每个单个切换周期期间可用的所有点的移动平均值计算来检查Vin的稳定性。当两个连续的平均值计算之间的差小于百分之五时，达到稳定性。

如果电压Vin与给定值不相容，则处理器300返回至步骤S606。

如果电压Vin是稳定的但是Vin小于所存储的值Vprev，则处理器300也返回至步骤S606。

如果电压Vin是稳定的并大于或等于Vprev，则处理器300移动至步骤S608。

在下一步骤S608，处理器300通过向RLBC传送将开关S_WS设置在导通状态（接通状态）的命令来启用RLBC的缓冲电路的操作。

此后，处理器300返回至步骤S600。

这里必须注意，当对RLBC通电时或当将RLCB重置在初始条件时，处理器300仅在如在步骤S607中所解释的那样Vin是稳定的时才启用RLBC的缓冲电路的操作。通过使用在每个单个切换周期期间可用的所有点的移动平均值计算来检查Vin的稳定性。在这样的情形下，将缓冲电容器完全或几乎完全放电。

当两个连续的平均值计算之间的差小于百分之五时，达到稳定性。此时，可以在没有任何其他顾虑的情况下启用缓冲电路（S_SW处于接通状态）。将要流经电容器C_S的电流被限制于I_SC，Vin等于V_OC，V_OC是光伏模块开路电压，其也是由RLBC电路对输入施加的相同电压。Vin大于初始Vprev=0，这是由于开关S_SW在启动期间是打开的。

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 (6)

1. 用于控制系统中的缓冲电路的操作的设备，在所述系统中至少使用利用至少一个周期性模式控制的开关来处理输入电压，其特征在于，当启用所述缓冲电路的操作时，将所述输入电压施加至所述缓冲电路，以及，所述设备包括：

- 用于确定将要用于控制所述开关的周期性模式的装置，所述周期性模式修改所述输入电压；

- 用于禁用所述缓冲电路的操作的装置；

- 用于利用所确定的周期性模式控制所述开关的装置；

- 用于检查所述输入电压是否与给定值相容的装置；

- 用于在所述输入电压与所述给定值相容时启用所述缓冲电路的操作的装置。

2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于处理所述输入电压的开关是由多个桥接器件构成的升压转换器的开关。

3. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于启用/禁用所述缓冲电路的操作的所述装置由开关构成。

4. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于启用/禁用所述缓冲电路的操作的所述装置由两个N-MOSFET晶体管及其相应的体二极管构成。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述缓冲电路由与子电路串联连接的电容器构成，所述子电路由并联连接的电阻器和二极管构成。

6. 用于控制系统中的缓冲电路的操作的方法，在所述系统中至少使用利用了至少一个周期性模式的开关来处理输入电压，其特征在于，当启用所述缓冲电路的操作时，将所述输入电压施加至所述缓冲电路，以及，所述方法包括以下步骤：

- 确定将要用于控制所述开关的周期性模式，所述周期性模式修改所述输入电压；

- 禁用所述缓冲电路的操作；

- 利用所确定的周期性模式控制所述开关；

- 检查所述输入电压是否与给定值相容；

- 在所述输入电压与所述给定值相容时启用所述缓冲电路的操作。

Images