CN104737087B - 数字电压控制器 - Google Patents

Abstract

一种电压控制设备，包括串联连接的若干个至少一个双端电压模块；在每个电压模块中串联连接于该模块两端的若干个至少一个双端电压单元，其中各电压单元的电压幅度大致相等；其中所有电压单元的电压波形以及相位大致相同；其中电压模块之间的电压单元的大小比率，电压模块間电压單元的电压幅度比值獨特地根据每个电压模块內电压單元的总数目決定；在每个电压模块中若干个可控开关將选定数目的电压单元串联连接到该电压模块的两端；所述多个开关受任何适当的逻辑来实现的控制模块控制。

Description

数字电压控制器

技术领域

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

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。

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。

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：

1.可变电压源，例如作为校准和测试用的电压基准

2.可变电流供应，例如作为校准和测试用的电流基准

3.电压调节器，例如为电器供电的电压调节器

4.电流调节器，例如LED灯具的供电

5.功率调节器，例如热控装置

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

CN201149665

CN201251718

CN201281825

CN201805273

CN201984364

CN201984365

CN201984366

GB1300229

GB2324389

US3970918

US4178539

US4716357

US4896092

US5545971

US5932997

US6137277

US6417651

US7816894

US7800349

US20110043182

US20110273149

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。

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。

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。

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。

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。

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：

电化学电池

太阳能电池

燃料电池

热电

电力变压器

发电机

此外，通过电路的二元性，本发明也可以应用到电器的电流控制，这将在更多的细节进行说明。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备和方法以控制电压源的输出，通过电压源的数字电路交换的组合，以便在预定的控制范围内作一系列电压阶梯准确且迅速的调变。以具有相等高度的所有“梯级”，作为设计目标。任何离开目标的偏差都需要被保持在一个最大值之内，使电压供给控制范围内任意的输出变化总是单调性的，即表示在数字输入值的增加下电压供给输出总是增加或保持不变，而数字输入的值减小电压供给输出总是降低或保持不变。单调性是控制系统内稳定的一个重要特征。

附图说明

承接上述，专利说明的进行对有关领域技术人员来说，本发明的其他优点将变得明显。本发明在本文中通过参照附图构成本发明的一部分，其中包括本发明的原理典型实施例的描述：

图1描绘的反馈控制系统中部署的数字电压调节器作为本发明的实施例的基本结构。

图2示出一个数字电压调节器作为本发明的实施例的基本结构。

图3示出如何连同控制模块所述数字电压调节器被配置为电压调节器作为本发明的实施例。

图4示出的交流电压调节器中部署的数字电压调节器作为本发明的实施例的电路结构。

图5示出的数字电流控制器的基本结构。

具体实施方式

名词解释：

VM 电压模块

M_VM VM的总数

T_O1，T_O2 电压模块VM的两个输出端子

VM_m 第m的VM，m＝1到M_VM

V_MO 第m个VM的额定电压输出，m＝1到M_VM

DVC 数字电压控制器

V_DVC 数字电压控制器DVC的输出电压，＝M_VM个MV电压的矢量和

δV_DVC V_DVC正常值的偏差

VC “电压单元”，一个电压源

VC_mc 在第m个VM中的第c个VC，c＝1到N_m，m＝1到M_VM

N_m 第m个VM中的VC数量，m＝1到M_VM

V_mc 在第m个VM中的第c个VC的额定电压，c＝1到N_m，m＝1到M_VM

δV_mc 从V_mc的价值偏差

V_m 在第m个VM中的一个电压单元的额定电压，m＝1到M_VM

δVa 任何MV任何VC中最大的电压偏差

S_mi 在VMm中第i个S-系列开关，i＝1到N_m+1

J_mi 在VMm中第i个J-系列开关，i＝1到N_m+1

CM 控制模块

CC 计数控制器

C_sm 第m个电压模块VM_m驱动S-系列开关的计数器

C_jm 第m个电压模块VM_m驱动J-系列开关的计数器

CS_s S-系列开关的控制信号

CS_J J-系列开关的控制信号

CS_Sm 第m个电压模块VM_m中S-系列开关的控制信号

CS_Jm 第m个电压模块VM_m中J-系列开关的控制信号

Vreg 电压调节器的输出

Vsen 感应或测量电压

DIC 数字电流转换器

IM 电流模块

IC 电流单元

本发明归属于数字电压控制的范围。图1示出一个数字电压控制器DVC如何起着一个在反馈控制系统中的作用。正如在任何控制系统中，控制的参量首先被定义。该参数可以是任何意图上要控制的电气或物理量，例如电压，电流，电力，或者能够通过电装置来控制的物理参数，例如温度，照明亮度，压力，力，速度，等等。如图所示，控制参数是通过传感器ParSen测得，诸如负载LD两端的电压，诸如通过的负载电流，诸如由负载消耗的功率，又或者诸如被控制加热效果的负载的温度。测量值被转换成一个信号，通过一般的电子装置适当地调节，并相对于所述参数设定点ParSet限定要达到的参数期望值。比较的结果表示了控制参数离开设定点有多远，从而触发适当的逻辑控制模块CM，从而提供控制信号来分别接通和断开上述数字电压控制器DVC内的多个功率开关，以便控制所述电压输出，达至减少控制参数的误差，不管电源PS的任何变化，或负载LD或任何其他的任何变化的外部干扰噪音信号DSTB，也达到该参数调节的目的。

如图2中，数字电压控制器DVC由一个或多个电压模块VM串联连接，以提供一个受控电压输出V_DVC，VM的总数目是M_VM。每个电压模块VM具有两个输出端，T_O1和T_O2。第二电压模块VM2被示出详情作为如下详述的例子。

在每个电压模块VM中，有串联的同向的一个或多个作为电压单元VC的电压源，其中电压单元在连接之前是互相电隔离的，而第m个电压模块VM电压单元VC的总数是N_m，m＝1至M_VM。

在每个电压模块VM中，所有的电压单元VC提供的电压有相同的幅度，波形和相位。换句话说，对于任何电压模块VM，电压单元VC的额定电压为V_m1＝V_m2的＝V_m3...＝V_mc其中c＝1到N_m。相同电压的值V_m被指定为在第m电压模块VM_m的额定电压。

在每个电压模块VM中，所有电压单元VC的电压被串联连接，使得每个电压单元被添加到所述电压模块VM的整体的电压。换句话说，从电压模块VM实现的最高电压是第m个电压模块VM内所有电压单元VC电压的和，亦即是V_m.N_m。

在每个电压模块VM中，分别有两组串联S-和J-系列开关，指定为S₁，S₂，S₃，...Si...，i＝1到Nm+1和J₁，J₂，J₃，......，i＝1到Nm+1，和如图并联连接至串联的电压单元VC，使得在任何时间每个电压模块VM两个输出端T_O1T_O2可以连接到的任何一项连接节点的T1，T2，T3...的Ti，其中i＝1到N_m+1。

在所有的电压模块VM的所有电压单元VC，即VC_mc为第m个VM中第c个VC，c＝1至N_m，m＝1到M_VM，额定电压V_mc的波形和相位皆相同，但电压模块VM之间电压V_m幅度却不同，且维持了某一个比例，此比例由本发明提出，根据电压模块VM和电压单元VC的总数目，独特地规定为V₁：V_m＝1：Π(N_i+1)，其中i＝1到m-1，m＝1到M_VM(Π是数学乘积运算符)。

进一步通过接通S-系列和J-系列的适当的开关，在第m个电压模块VM_m输出电压，即V_mo，可以单调性地以固定“梯级”从-V_m.N_m至+V_m.N_m调变。.

通过组合所有的电压模块VM，并通过打开相应的开关，所述数字电压控制器V_DVC的输出可以单调性地以固定“梯级”从-ΣV_m.N_m至+ΣV_m.N_m调变。

通过适当的设计有可能将所有的电压单元是同向串联，以使所得的电流总是驱向同一个方向流动。然而，通过在S-系列和J-系列的组合开关切换动作，从一个电压模块的输出亦可以作相反极性之间变化。因此在与其它电压模块VM可能也有任一极性的组合，可以预期，一些电压单元需要处理流向任一方向的电流。在这种情况下，就需要这些电压单元制成允许双向电流流动，从而亦可以双向功率流动。

存在着另一个要考虑的实际问题。由于各种原因，例如在电压单元VC的物理实现的误差，部分是由于在电压测量的不确定性，每当负载电流从数字电压控制器DVC流经电压单元的负载效应，开关的电压降等，都有可能使V_mc从额定值偏离。

指定该偏离为δV_mc，并假设δV_a为所有电压模块VM中任何电压单元VC最大的电压偏离，即所有δV_mc中最大值，c＝1到N_m，m＝1到M_VM；并指定δV_mo为第m个电压模块VM_m输出电压V_mo的最大偏离，则δV_mo＝δV_a.N_m。

因此，相对于数字电压控制器DVC的输出额定电压值V_DVC，设偏离值为δV_DVC，则δV_DVC最大值＝ΣδV_mo＝ΣδV_a.N_m＝δV_a.ΣN_m，其中m＝1到M_VM。

需要注意的是δV_mc，δV_a，δV_mo和δV_DVC可以是正值或负值。然而，对于它们的最大可能值的估计值，我们应采取从它们的绝对值，即幅度。

如果“梯级”被控制，使任何电压模块VM中每次一个且只有一个电压单元VC添加或删除，即每次电压模块VM的变化只一个电压单元VC变动，则每个电压“梯级”中，电压模块VM偏离值为是δV_a，而整体数字电压控制器的电压偏差总的变化是δV_DVC＝|δV_a|.M_VM。

为了确保在控制之下的电压变化是单调性的，则要求

|δV_DVC|<V₁即|δVa|.M_VM<V1，亦即|δV_a|<V₁/M_VM。

换言之，任一电压的单元的VC电压的偏差将需要小于最小(最少显着)电压单元额定电压除以电压模块VM的总数目。

因此，为了保持单调性，在实践中电压模块VM之间的电压单元VC的电压可允许的比值为为V₁：V_m＝1：[Π(N_i+1)]±|δV_a|/V₁＝1：[Π(N_i+1)]±1/M_VM，其中i＝1到m-1，m＝1到M_VM。

示于图2亦包括以任何合适的逻辑来实现的控制模块CM，依据电压设定点Vset并通过提供数字控制信号CS_S和CS_J到电压模块VM，以分别打开和关闭S-系列和J-系列开关来控制所述电压模块VM。

图3描绘了连同控制模块CM与数字电压控制器DVC实施的电压调节器，有一般以任何合适的逻辑来实现用于数字电压控制器DVC提供控制信号的电路结构。示出的电压调节器Vreg，亦是该数字电压控制器DVC输出，即V_DVC，被测量为Vsen，作为代表其输出电压大小的检测信号。控制模块CM中的计数控制器CC将Vsen与一个调节电压Vreg设定点VregSet作比较，其输出被耦合到一系列级联模-M的可逆计数器，C_S1，C_S2和C_S3，其中M等于由每个计数器对应下控制开关的数目。需要注意的是通过连接级联计数器C_S1，C_S2，C_S3，计数状态的总数等于S系列开关在分别电压模块VM₁，VM₂和VM₃电压单元VC数目的乘积。来自计数器C_S1数字控制信号CS_S1被耦合到在所述电压模块VM₁的S-系列开关，C_S1计数器控制了电压VM₁模块内S-系列开关的切换，任何一个时间计数器C_S1的计数状态之一只能激活其中相应的CS_S1的信号线。同样地，来自计数器C_{S 2}数字控制信号CS_S2被耦合到在所述电压模块VM₂的S-系列开关，而从计数器C_S3数字控制信号的CS_S3耦合到S-系列开关在电压VM₃模块。

另一方面，为设计所需，J-系列开关在电压模块VM₁，VM₂和VM₃中分别通过CS_J1，CS_J2和CS_J3控制信号线，并根据信号OffS将电压模块VM₁，VM₂和VM₃的输出电压作移位设定。在该J-系列开关被永久地设置的情况下，这些开关可以通过硬布线，即短路代替闭合的开关，和开口代替打开的开关。作为本发明的实施示例，上述电压模块VM内的操作将通过接下来的参照图4进行说明。

在操作上，当输出电压Vreg比设定点低一个预定量时计数控制器CC将触发级联的计数器向上计数，以便V_DVC或Vreg的上升。相反，当Vreg比设定点高一个预定量时，计数控制器CC将触发级联的计数器计数下降，使得V_DVC或Vreg的降低。从而无论在电压调节器的输入端电压或电压调整器的输出负载的任何变化，Vreg也被控制到一个接近设定点的数值。

参照图4，其示出了一个本发明实施方式的交流电压调节器的电路结构的实现。

数字电压控制器DVC基本上包合一个多线圈的多抽头变压器T₁。如图所示，分别为电压模块VM指定的VM₁，VM₂和VM₃变压器线圈。因此这里电压模块VM的总数MVM为3，VM₁有相应的变压器线圈分为2段，因此是2个电压单元VC，同样VM₂有3个电压单元VC，而VM₃有4个电压单元VC。每个电压单元对应于一个区段的变压器线圈，每个线圈内分段绕组的数量相同。电压模块VM₁，VM₂和VM₃之间电压单元承受的电压比1：3±0.33：12±0.33。变压器抽头的接通和断开S-系列开关在控制模块CM的数字控制信号控制下进行。

线圈VM₁的3个抽头通过S₁₁，S₁₂和S₁₃分别连接到开关。线圈VM₂的4个抽头线圈分别连接到开关S₂₁，S₂₂和S₂₃和S₂₄。线圈VM₃的5个抽头线圈分别连接到开关S₃₁，S₃₂和S₃₃，S₃₄和S₃₅。

如图4所述数字电压控制器DVC的输出被连接到变压器T2充当补偿变压器，通过其它的次级侧连接在交流电源线ACSL与交流电压调节器的输出端之间，即负载线LDL的初级侧。图中ACSL为交流电源回线，LDR为负载回线。

可以很容易地计算出，从DVC输出相对电压列表如下：

如表示，通过控制3套电压模块VM中的S-系列开关，共有60个开关状态，使DVC输出的电压，可以从-30“梯级”步进到29，每个“梯级”是1/48的调节器的额定输出电压。

返回参考图4，

该S-系列开关是由被指定为计数器驱动

VM₁的C_S1：三进(模-3)可逆计数器

VM₂的C_S2：四进(模-4)可逆计数器

VM₃的C_S3：五进(模-5)可逆计数器

这三个计数器通过级联共为5x 4x 3＝60计数状态计数。

补偿变压器T₂的极性被选择使得当输出电压Vreg比设定点低于预定量时，计数控制器CC将触发级联的计数器向上计数，导至较高的V_DVC被产生并通过补偿变压器T2的次级使输出电压Vreg上升。类似地，当输出电压Vreg比设定点高于预定量时，计数控制器CC将触发级联的计数器CC计数下降，导至较低的V_DVC被产生并通过补偿变压器T₂的次级使输出电压Vreg下降。从而无论在交流电压调节器的输入端电压或该调节器的输出负载的任何变化，Vreg也被控制到一个接近设定点的数值。

补偿的规模依赖于补偿变压器T₂主次级比例K，较大的K均值导至规模较小的补偿，反之较小的K值导至规模较大的补偿。作为一个例子，对于额定输出电压Vreg为220伏时，K＝6，理论上电源电压变化±20％，交流电压调节器将能够维持±0.34％的输出精度。同样的，对于K＝3，理论上电源电压变化±40％，交流电压调节器将能够维持±0.68％的输出精度。

需要注意的是J-系列开关并未有部署在上述实施中。如图4，每个电压模块VM的一个输出端是硬连线的，而不是通过J-系列切换到对应的变压器抽头之一连接，而另一输出端选择性地连接到变压器抽头由S-系列开关。在一个修改后用于控制的精度增加实施例中，J-系列开关可以部署到提高的数字电压控制器DVC的控制“梯级”的数量。当J-系列开关部署如图3所描绘，开关状态的总数可达到将119，从而从DVC输出的电压可以从-59中的“梯级”之一的被踩踏到59，每一个“梯级”是1/48的稳压器的输出电压。

还需要注意的是本发明的实施方式可有更多的变化空间。电压模块VM的数量和每个电压模块VM中电压单元VC的数量可以被选择，以满足个别的设计考虑因素，例如控制精度，控制范围，变压器线圈(等同电压单元VC和电压模块VM)的数目及所需的开关，控制电路的复杂性，系统的稳定性，总操作成本等。本发明可灵活地选择的电路拓扑结构提供了大量的设计变化空间。

通过电路的二元性，在本申请中描述的用于电压控制所有的电路原理也可以应用到电流控制。作为示例性本发明实施例的数字电流转换器DIC的基本结构示于图5。数字电流控制器DIC提供电流I_DIC，由四个电流模块IM₁，IM₂，IM₃和IM₄并联连接而成，异于数字电压控制器由电压模块VM的串联连接。为了便于说明，第二电流模块的IM₂被示为有细节的一个例子。电流模块的IM₂包括三个电流单元IC₂₁，IC₂₂和IC₂₃，以相同的极性连接在一起，其中每个电流单元输出恒定幅度I₂电流。由开关S₁至S₄和J₁到J₄的动作，电流模块IM₂可被控制以提供从-3I₂至+3I₂幅度的电流。遵循数字电压控制器相同的原则和考虑电压电流的二元性，可以推断出，能够提供单调性变化的阶梯状电流的高效率数字电流控制器得于实现。

尽管本发明及其优点已经详细描述，但应当理解，在本发明的精神和范围内，各种变化，替换，和变更可以实施。即是说，在本申请中包括的讨论只是旨在用作基本描述。应当理解的是，具体的讨论不可能完全明确地描述所有可能的实施方案；很多替代方案是隐含的。它也可能无法完全地解释本发明的通用性质，可能没有明确说明如何每个特征或元素可以实际上代表多种多样的备选或等效组件的更广泛的功能。再次，这些都隐含地包括在本公开内容。其中，当本发明以装置术语作描述时，该装置的组件含有隐式执行的功能。描述和术语皆不会限制本发明的范围。

Claims (9)

1.一种电压控制设备，包括：

串联连接的至少一个双端电压模块；

在每个电压模块中串联连接于该模块两端的至少一个双端电压单元，其中各电压单元的电压幅度相等；

其中电压模块之间的电压单元的大小比率

V₁：V₂：V₃：....V_m：......由小至大排序，

V₁：V_m= 1：Π（N_i+ 1），其中i= 1到m-1， V_m是第m个电压模块的单一电压单元的电压幅度，N_i是第i个电压模块中电压单元的总数目，Π是数学乘积运算符；

在每个电压模块中若干个可控开关將选定数目的电压单元串联连接到该电压模块的两端；

用于控制所述可控开关的控制装置。

2.根据权利要求1的电压控制设备，其中各电压单元的电压波形以及相位相同。

3.根据权利要求1的电压控制设备，其中在每个电压模块中各电压单元以相同的极性方向串联连接。

4.根据权利要求1的电压控制设备，其中每个电压模块中所述开关由可控M状态驱动装置控制，其中M是该电压模块內电压单元的总数目加一。

5.根据权利要求4的电压控制设备，其中驱动装置是一个模-M的可逆计数器。

6.根据权利要求5的电压控制设备，其中所述计数器被级联连接。

7.一种电压控制方法，包括：

串联连接至少一个双端电压模块；

在每个电压模块中串联连接至少一个双端电压单元于该模块两端，其中各电压单元的电压幅度相等；所有电压模块的电压单元的电压波形以及相位相同；

其中电压模块之间的电压单元的大小比率

V₁：V₂：V₃：....V_m：......由小至大排序，

V₁：V_m= 1：Π（N_i+ 1），其中i= 1到m-1， V_m是第m个电压模块的单一电压单元的电压幅度，N_i是第i个电压模块中电压单元的总数目，Π是数学乘积运算符；

在每个电压模块中若干个可控开关將选定数目的电压单元串联连接到该电压模块的两端；

由控制装置控制所述可控开关。

8.根据权利要求7所述的方法，包括在每个电压模块中各电压单元以相同的极性方向串联连接。

9.根据权利要求8所述的方法，其中每个电压模块中所述开关由级联连接的模-M的可逆计数器控制，其中M是该电压模块內电压单元的总数目加一。