CN110999065B - 用于电压调制器的多电平滞后电压控制器及其控制的方法 - Google Patents

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Abstract

促进用于级联的多电平电压调制器的多电平滞后电压控制方法的系统和方法，该调制器具有多个串联连接的功率单元，并具有任何正整数数量的输出电压电平，以控制电压调制器的负载上的任何单极性电压，以及经由AC/DC转换器从输电网或者直接从功率单元的能量存储元件向该负载传输电功率。一种多电平电压调制器的功率单元的操作旋转的方法，其确保功率单元之间的相等功率共享以及调制器的功率单元的能量存储元件的电压平衡。

Description

用于电压调制器的多电平滞后电压控制器及其控制的方法
技术领域
本公开涉及功率电子电路，并且更特别地涉及用于电压调制器的多电平滞后电压控制器以及其用于控制的方法。
背景技术
电压调制器已经广泛用于广播、医疗、工业和研究应用。最常见的电压调制技术包括脉冲步进调制、粗步进调制、脉冲宽度调制以及其混合修改。
这些常见的调制技术具有若干缺点。例如，这些常见的调制技术是线性方法，其需要控制系统中具有附加前馈环路的比例积分（PI）控制器来估计离散化的每一个步骤处的调制指数或占空比。另外，由于DC链路电压的不平衡、无源元件的参数的变化以及串联连接模块的占空比的偏差，在这些常见的调制技术中通常出现输出电压的低频率脉动。最后，在这些常见的调制技术中，Pi控制器的参数与负载参数之间存在强相关性。因此，如果负载特性迅速并且在宽范围内改变，则Pi控制器不能够足以高效且快速地操作以最小化瞬态周期中的控制误差。
滞后是一种现象，在其中物理系统对外部影响的响应不仅取决于该影响的目前幅值，而且还取决于系统的先前历史。数学地表达，对外部影响的响应是双值函数；当影响增加时一个值适用，而当影响减小时另一个值适用。
在现有的控制技术之中，非线性滞后带电压控制仍然是最简单且最快速的方法。除电压控制环路的快速响应以外，非线性滞后带电压控制方法不需要对负载参数的变化的任何了解。然而，在串联连接的功率单元的增加数量的情况下，用于电压调制器的滞后电压控制技术变得越来越复杂。
鉴于前述限制，合意的是提供一种用于具有任何数量的串联连接的功率单元的电压调制器的多电平滞后电压控制器（MHVC），同时在宽范围的负载参数波动中提供非常准确的电压调节。
发明内容
本公开的实施例针对促进用于级联的多电平电压调制器的简单和有效的多电平滞后电压控制方法的系统和方法。在实施例中，级联的多电平调制器包括串联连接的多个功率单元，并且具有任何正整数数量的输出电压电平，以迅速地、有效地且精确地控制电压调制器的负载上的任何单极性电压，以及经由AC/DC转换器从输电网或者直接从功率单元的能量存储元件向该负载传输电功率。实施例还针对一种多电平电压调制器的功率单元的操作旋转的方法，其确保功率单元之间的相等功率共享以及调制器的功率单元的能量存储元件的电压平衡。
本文中呈现的实施例可以有利地用于在其中采用电压调节调制器的多种应用中。这样的应用的示例可以包括但不限于功率电子电路，其包括：用于Tokamak和FRC等离子体反应器的电极偏置电源；用于中性束注入器的电源；磁控管调制器；速调管调制器；电子枪调制器；高功率X射线电源；中波和长波发射器；以及短波固态发射器。
依据对以下附图和详细描述的研究，示例实施例的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员而言将是或将变得显而易见。
附图说明
可以通过对附图的研究来部分地搜集示例实施例的细节，包括结构和操作，在所述附图中，相似的参考标号指代相似的部分。附图中的部件不一定是按比例的，而是将重点放在图示本公开的原理上。而且，所有图示旨在传达概念，其中相对尺寸、形状和其它详细属性可以示意性地而不是字面上地或精确地图示。
图1图示了根据本公开的实施例的多电平电压调制器的略图。
图2图示了根据本公开的实施例的示例性多电平滞后电压控制器。
图3图示了根据本公开的实施例的示例性电压电平估计器。
图4A、4B、4C和4D图示了根据本公开的实施例的示例性电压电平估计器的示例性操作。
图5图示了根据本公开的实施例的示例性切换模式发生器。
图6A图示了根据本公开的实施例的示例性1VDC旋转块。
图6B图示了根据本公开的实施例的示例性2VDC旋转块。
图6C图示了根据本公开的实施例的示例性3VDC旋转块。
图6D图示了根据本公开的实施例的示例性4VDC旋转块。
图6E图示了根据本公开的实施例的示例性（N-1）VDC旋转块。
图7A、7B、7C和7D图示了根据本公开的实施例的示例性切换模式发生器的示例性操作。
图8图示了根据本公开的实施例的示例性七（7）电平电压调制器的示例性切换和电平信号。
图9A、9B和9C图示了根据本公开的实施例的示例性七（7）电平电压调制器的操作的仿真结果。
图10A、10B和10C图示了根据本公开的实施例的示例性七（7）电平电压调制器的操作的仿真结果（图像放大的迹线）。
图11A、11B和11C图示了根据本公开的实施例的以及利用FRC反应器的分流器的有源电极操作的示例性七（7）电平电压调制器的操作的示例性实验结果。
图12A、12B和12C图示了根据本公开的实施例的以及利用FRC反应器的分流器的有源电极操作的示例性七（7）电平电压调制器的操作的示例性实验结果。
应当注意的是，出于贯穿附图的说明性目的，类似结构的元件或功能通常由相似的参考标号表示。还应当注意的是，附图仅旨在促进优选实施例的描述。
具体实施方式
详细描述以下实施例以使本领域技术人员能够作出和使用本公开的各种实施例。理解的是，基于本公开，其它实施例会是显然的，并且可以在不脱离本实施例的范围的情况下作出系统、过程或改变。
在以下描述中，给出了许多特定细节以提供对本实施例的透彻理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本实施例。为了增加清楚性，可能不详细描述一些熟知的电路、系统配置和过程步骤。
示出本公开的实施例的附图是半图式的并且部按比例，并且特别地，尺度中的一些是为了呈现的清楚性并且在附图中被放大地示出。
本公开的实施例针对促进用于级联的多电平电压调制器的简单和有效的多电平滞后电压控制方法的系统和方法。在实施例中，级联的多电平调制器包括串联连接的多个功率单元，并且具有任何正整数数量的输出电压电平，以迅速、有效和精确地控制电压调制器的负载上的任何单极性电压，并经由AC/DC转换器从输电网或者直接地从功率单元的能量存储元件向该负载传输电功率。实施例还针对一种多电平电压调制器的功率单元的操作旋转的方法，其确保功率单元之间的相等功率共享以及调制器的功率单元的能量存储元件的电压平衡。
在实施例中，示例性多电平滞后电压控制器（MHVC）具有鲁棒的结构，其没有上述缺点，并且除了电压滞后环路之外不具有任何附加调节环路。由MHVC动态地并且以自动化方式调整电压调制器的所有功率单元的输出电压，以维持输出电压调节误差的最小预设值，从而除去无源部件的参数的变化和控制信号的传播延迟对输出电压振荡的影响。由MHVC执行三个主要并且互连的任务：1）在调节误差的预设边界内的电压调制器的输出电压的维持；2）在任何时间对适当的输出电压电平的识别；以及3）功率单元的旋转。
实施例针对快速MHVC设计，其可以在任何FPGA或类似设计部件上实现并且可以以高时钟速率（数十兆赫兹）操作。设计包括滞后块、如本文中所描述的电压电平估计器和如本文中所描述的切换模式发生器。
图1图示了根据本公开的实施例的多电平电压调制器（电压调制器）100的示意图。多电平电压调制器100连接到较低电压侧上的三相网101以及连接到较高电压侧上的负载102，以及具有MHVC的控制系统105。可以使用包括软件例程、硬件部件或其组合的软件或硬件处理器来实现控制系统105的功能。
示例性多电平电压调制器100包括N个串联连接的单元103A-103N，其中每个单元103A-103N包括连接到三相二极管桥（DBN）107A-107N的隔离变压器（VSECN）106A-106N的次级绕组、在DBN 107A-107N的DC侧（DC链路）上的电容性存储元件（CDCN）108A-108N、以及具有有源双向开关（SN）109A-109N的标准降压转换器（例如，对于高电压调制器，SN可以包括具有飞轮二极管的IGBT，而对于较低电压调制器，SN可以包括低电压MOSFET）以及二极管（DN）110A-110N。将领会的是，N是正整数。每个单元103A-103N还可以在其输出处配备有可选的LCR滤波器（LFN、CFN、RFN）11A-11N，并且电压调制器100还可以在其输出处配备有可选的CR滤波器（CFO、RFO）113。通过三相多绕组变压器（VSECN）106A-106N，所有功率单元103A-103N的DC链路在最大负载电压电平处彼此隔离。
假定电压调制器100工作在连续模式中，将能量从三相网101传输到负载102。如果存储元件108A-108N上的电压在操作时间期间不显著降低以便在负载102上维持期望的输出电压，则也可能使用单元103A-103N的存储元件（例如，电容器、超级电容器、电池组）108A-108N中累积的能量与网101完全断开地来操作电压调制器100达某个的时间段。
可以将电压调制器100的电压调制器的100功率单元103A-103N中的每个DC链路电压认为是固定幅值的DC电压源（VCDCN），根据某些实施例，该电压源在实践中可以为大约12到1200伏特。跨串联连接的功率单元103A-103N（即，端子OUT+104A和OUT-104B之间）的总电压取决于通过闭合相关联的开关Si至SN 109A-109N而已经接通的单元的数量。例如，如果所有开关Si至SN 109A-109N同时闭合，则具有电压VDCI-N的所有DC链路存储元件（例如，电容器）串联连接在一起并相加在一起（即，求和）以提供等于电压VDCI-N的N倍的输出电压。如果每个DC链路电压源VDCI-N具有大约800伏特的值并且N大约为20，则电压调制器100的总输出电压可以为大约16,000伏特。
如果功率单元103N中的开关SN 109N断开（即，不处于导通模式），则该特别单元被“旁路”并且其输出电压为零。因此，电压调制器100的输出电压可以通过接通和断开的单元的数量来合成以及调制。
参考图1来对比，在标准脉冲步进调制（PSM）技术中，如果电压调制器中有N个串联的功率单元，并且每个单元具有换向周期T（s），则单元1的开关SI将在时间t1处接通，但是单元2的开关S2比第一个晚T/n（s）接通，第三个（S3）比第二个（S2）晚2T/n（s）接通，依此类推。PSM的此旋转方法确保在电压调制器的输出处的非常低的纹波，因为其幅度与电压调制器的输出电压的AC分量f3/4.c的频率成反比。所有功率单元以相同的固定切换频率fsw进行切换，则fAC=N*fsw。
使用PSM对输出电压的调节经由以下来执行：通过计算必须被接通的功率单元的所需数量的线性调节概念（PI、前馈或它们的组合）（粗步进调制）和/或占空比D的调节（脉冲宽度调制），所述调节在所有功率单元的无源部件（CDC、LF、RF、CF）完全相同、杂散电容相同以及控制信号的传播延迟相同的情况下对于所有功率单元必须是相同的。然而，在现实中，所有无源部件总是具有轻微的参数变化，并且用于功率单元的控制信号的传播延迟不总是相同的。因此，每个功率单元必须以不同的所需占空比DN接通，这必须在基于PSM的控制系统中通过使用DC链路电压反馈信号的附加调节环路来校正。而且，可能必要对接通时间t1、t2……tN进行附加调整，以消除电压调制器的输出电压的低频率振荡。
如上所讨论的，本文中的实施例针对具有鲁棒结构的多电平滞后电压控制器（MHVC），其没有上述缺点并且除了单个电压滞后环路之外不具有任何附加调节环路。由MHVC动态地并且以自动化方式调整电压调制器100的所有功率单元103A-103N的输出电压，以维持输出电压调节误差的最小预设值，从而除去无源部件的参数的变化和控制信号的传播延迟对输出电压振荡的影响。
图2图示了根据本公开的实施例的控制系统105（参见图1）的示例性多电平滞后电压控制器200。示例性多电平滞后电压控制器200包括低通滤波器（LP滤波器）滤波器1 201、求和块求和1 202、滞后块滞后1 203、电压电平估计器204和切换模式发生器205。来自电压传感器VS 112（参见图1）的真实反馈电压信号VREAL经过低通滤波器滤波器1 201到求和块求和1 202的负输入，其中将所述负输入从参考电压VREF减去以（作为它们的差）生成电压误差信号∆V。电压误差信号∆V被输入到具有高边界（HB）和低边界（LB）阈值的设置的滞后块滞后1 203中。当∆V达到滞后块滞后1 203的高边界（HB）时，滞后块滞后1 203的输出值被设置为“1”，并保持在该电平，直到∆V跨过滞后块滞后1 203的其低边界（LB）。当∆V跨过滞后块滞后1 203的其低边界（LB）时，滞后块滞后1 203的输出值被设置为“0”，并且输出被维持在该电平，直到∆V再次达到HB。
图3图示了根据本公开的实施例的示例性电压电平估计器204。图4A-4D图示了根据本公开的实施例的示例性电压电平估计器204的示例性操作。
电压电平估计器204与滞后块滞后1 203并行地操作。电压电平估计器204接收相同的HB和LB设置信号连同来自求和块求和1 202的输出的∆V。示例性电压电平估计器204包括由时钟发生器时钟 210、逻辑开关开关1 211和可复位计数器计数器1 212形成的时钟计数电路。示例性电压电平估计器204还包括：包括逻辑元件“与”1 221、上升沿检测器上升沿2 222和自由运行计数器计数器2 223的电平递减电路220。示例性电压电平估计器204还包括具有逻辑元件“与”2 231、上升沿检测器上升沿3 232和自由运行计数器计数器3 233的电平递增电路230。示例性电压电平估计器204还包括用于计数器1 212的启用和复位电路240，其包括逻辑元件“异或”1 241、上升沿检测器上升沿1 242和逻辑元件“或”1 243。示例性电压电平估计器204还包括求和块求和1 250。
当时钟信号经过开关l 211的上输入通道时则启用时钟计数器1 212（在其中间输入通道上为真信号的情况下），并且开始计数在以下任何情况下由时钟210生成的时钟循环的数量：比较器1 213的输出为真（即信号∆V低于低边界滞后阈值LB（∆V<LB））的情况。这种情况在图4A-4D中图示，其中在点C2处，信号∆V变得低于LB，并且计数器1 212开始递增计数，直到∆V返回到点D2处的滞后边界并且比较器1 213的输出信号变为假；比较器2 214的输出为真（即信号∆V高于高边界滞后阈值HB（∆V>HB））的情况。这种情况在图4A-4D中图示，其中在点B1处，信号∆V变得高于HB，并且计数器1 212开始递增计数，直到∆V返回到点C1处的滞后边界并且比较器2 21 4的输出信号变为假。
如果以下两种情况同时为真，则块计数器2 223递增其输出计数信号，该信号被施加到求和块求和1 250的负输入，从而在电压电平估计器204的输出处递减多个电平：比较器1 213的输出为真（即信号∆V低于低边界滞后阈值LB（∆V<LB））的情况；计数器1 212的输出计数信号的值高于时间常数的预设值（以循环为单位）的情况。
如果满足上述两个条件，则“与”1 221的输出变为真，并且该事实被块上升沿2222检测，该块生成一个时钟循环持续时间的脉冲，并且块计数器2 223递增并保持其输出计数递减求和1 250的输出处的值（电压电平估计器204的输出处的信号电平）。
如果以下两种情况同时为真，则块计数器3 233递增其输出计数信号，该信号被施加到求和块求和1 250的正输入，从而在电压电平估计器204的输出处递增多个电平：比较器2 214的输出为真（即信号∆V高于高边界滞后阈值HB（∆V>HB））的情况；计数器1 212的输出计数信号的值高于时间常数的预设值（以循环为单位）的情况。
如果满足上述两个条件，则“与”2 231的输出变为真，并且该事实被块上升沿3232检测，该块生成一个时钟循环持续时间的脉冲，并且块计数器3 233递增并保持其输出计数递增求和1 250的输出处的值（电压电平估计器204的输出处的信号电平）。
电平信号的递增（计数器3 233的递增）的这种情况在图4A-4D中图示，其中当计数器1 212的输出计数信号高于预设在500个时钟循环的时间常数的值时，点A2满足以上呈现的两个条件中的第一个，而点B2对应于第二个条件。
如从图3可以看到的，存在三个条件为真以复位计数器1 212。如果块上升沿1242、上升沿2 222和上升沿3 232的输出信号之一为真，则块“或”1 243的输出也为真，这实际上复位了计数器1。
图5图示了根据本公开的实施例的示例性切换模式发生器205。示例性切换模式发生器实现电压调制器100的功率单元103A-103N的操作负荷（duty）的旋转的独特方法，其确保了功率单元103A-103N之间的自动功率共享以及每个功率单元103A-103N的换向的相移和占空比的调整。
在实施例中，示例性切换模式发生器205包括具有复位信号的可复位计数器4260，该复位信号形成基于比较器块比较器4 262的电路。示例性切换模式发生器205还包括具有从1到N的恒定值的N个输入信号的多路复用器开关1 263，其中N是电压调制器100的功率单元的数量。示例性切换模式发生器205还包括具有N+1个输入信号的多路复用器开关1263，其中每个输入信号被表示为切换状态的阵列，并且它们中的N-1个（1VDC旋转、2VDC旋转…（N-1）VDC旋转）是动态阵列，并且只有两个阵列OVDC和NVDC是静态的并且具有恒定值。示例性切换模式发生器205从电压电平估计器204接收信号电平，并且信号状态形成滞后块滞后1 203。切换模式发生器205的输出信号是对电压调制器100的所有N个切换元件（所述IGBT）的N个切换命令。
图7A-7D图示了根据本公开的实施例的示例性切换模式发生器205的示例性操作。示例性切换模式发生器（在图7A-7D中描绘了其操作）在由七个功率单元组成的七电平电压调制器中实现。
计数器4 260在信号状态的每一个上升沿处（参见图7A-7D）递增其输出值直到值N，其将比较器4 261的输出设置为真并复位计数器4 260。计数器4 260的该输出信号在每一个计数处在多路复用器开关1 262的对应输入处选择恒定值，并将其重定向到形成信号Cell_rot的多路复用器开关1 262的输出，这在图7A-7D中呈现。因此，信号Cell_rot在信号状态的每一个上升沿处以为1的递减重复地从N到1改变。
来自电压电平估计器204的信号电平经过求和块求和2 263，其中所述电压电平估计器204递增1，然后去到多路复用器块开关2 264的控制输入。该多路复用器将当所有切换信号为假（电压调制器100的输出处为零伏）时与输出电压电平对应的、当所有切换信号为真时与电压调制器100的最大输出电压对应的N+1个切换状态阵列从OVDC换向到NVDC电平。这两个电压电平（最小和最大输出电压电平）由电压调制器100的切换状态（信号）的静态阵列（OVDC和NVDC，参见图5）创建，并且不需要功率单元的旋转。
从IVDC旋转到（N-1）DC旋转的动态阵列的N-1个块的功能图在图6A-6E中呈现。
图6A图示了根据本公开的实施例的示例性IVDC旋转块265A。图6B图示了根据本公开的实施例的示例性2VDC旋转块265B。图6C图示了根据本公开的实施例的示例性3VDC旋转块265C。图6D图示了根据本公开的实施例的示例性4VDC旋转块265D。图6E图示了根据本公开的实施例的示例性（N-1）VDC旋转块265E。
在图6A-6E中描绘的块265A-265E中的每个包括具有控制输入的多路复用器，该多路复用器从块开关2 264接收信号Cell_rot，并且具有N个换向输入。在图6A-6E中描绘的块265A-265E中的每个还包括N个静态阵列，其包含用于电压调制器100的功率单元103A-103N的正确旋转的特定切换状态。
如果信号电平仅取值为0和1，从而在OVDC和IVDC电平之间执行电压调制器100的输出电压的调节，则IVDC旋转块265A涉及连同静态阵列OVDC的操作。如从图6A可以看到的，块IVDC旋转的从1VDC1到IVDCN的N个静态阵列中的每个仅具有一个高（真）切换状态，其在阵列中的位置取决于信号Cell_rot的值。例如，如果Cell_rot=1，则仅第一功率单元103A被操作，从而经由打开的切换元件Si 109A（例如，IGBT）将其存储元件的电压提供给电压调制器100的输出，而所有其它功率单元103B-103N被旁路。由信号Cell_rot确保了提供1VDC电平的输出电压中涉及的功率单元的旋转，该信号在信号状态的每一个上升沿处以为1的递减重复地从N到1改变。
如果信号电平仅取值1和2，从而在1VDC和2VDC电平之间执行电压调制器100的输出电压的调节，则1VDC旋转块265A和2VDC旋转块265B一起涉及操作。如从图6B可以看到的，从2VDC旋转块265B的2VDC1到2VDCN的N个静态阵列中的每个具有两个高（真）切换状态，其在阵列中的位置取决于信号Cell_rot的值。例如，如果电平=2且Cell_rot=1，则第一功率单元103A和第二功率单元103B被操作，从而经由打开的切换元件Si和S2（109A和109B）将它们的存储元件的电压的加和提供给电压调制器100的电压输出，而所有其它功率单元103C-103N被旁路。当信号电平在信号状态的每个上升沿处改变为1时，则仅一个功率单元保持连接到输出，并且其数量将递减1，因为信号Cell_rot也随信号状态的上升沿而改变。在这种情况下，不仅由信号Cell_rot（该信号在信号状态的每个上升沿处以为1的递减重复地从N到1改变），而且由在1VDC和2VDC旋转块265A和265B两者的动态阵列中的高（所述真）的切换状态的分布来确保提供1VDC和2VDC电平的输出电压中涉及的功率单元的旋转。
图8图示了根据本公开的实施例的示例性七（7）电平电压调制器的示例性切换信号。图8提供了在包括七个串联连接的功率单元的七电平电压调制器的情况下的切换模式发生器205的操作的示例。如从图8可以看到的，当电压调制器100提供5VDC和6VDC电平之间的输出电压时，电平信号首先从5改变到6，然后当电压调制器100将其输出电压在6VDC和7VDC电平之间调节时，电平信号在6和7之间切换。在两种情况下，切换信号Si-S7（109A-109G）彼此移位，从而确保功率单元的旋转具有相等的消耗功率分布，并提供是每个单独功率单元的切换频率的七倍的输出电压的输出频率。
图9A-9C图示了根据本公开的实施例的示例性七（7）电平电压调制器的操作的仿真结果。图10图示了根据本公开的实施例的示例性七（7）电平电压调制器的操作的仿真结果（图像放大的迹线）。七电平电压调制器包括串联连接的七个功率单元。参考输出电压VREF是100Hz的具有3kV的幅度以及3.5kV的DC偏移的正弦波形，因此最大输出电压为6.5kV，并且最小值为0.5kV（图9A-9C）。提出的多电平滞后电压控制器以这样的方式操作，以在HB和LB（分别为30V和-30V，参见图9A-9C和图10A-10C）的预设值的边界中维持调节误差∆V。电平转变区中∆V的过调取决于时间常数值，并且可以通过调整时间常数的值进一步减小到某电平。图9A-9C和图10A-10C中呈现的信号电平跟随参考电压动态而增加和减小。真实输出电压VREAL维持在具有调节误差∆V的VREF附近。
图11A-11C和图12A-12C示出了单相七（7）电平调制器的实验结果，该单相七（7）电平调制器包括与如图1中所描绘的DC链路侧上的电容性存储元件串联连接的七（7）个单元。七（7）电平调制器利用安装在基于碰撞束FRC的反应器的分流器中的有源电极进行操作。有源电极与等离子体接触，并且PSU以高达5kV的输出电压向等离子体提供高达5kA的电流。在等离子体放电期间的等离子体参数显著且迅速地改变，以及因此必须将所需的偏置电压调节并稳定在期望的参考值。
参考电压VREF和PSU的真实输出电压Vour在图1IB中示出为时间的函数。如可以看到的，利用图11A中呈现的电压控制误差信号调节VOUT并将其稳定在VREF周围，但不超过+/-100A的预设值。由电压电平估计器块（204，参见图2）计算的输出电压的所需电平的数量在图11B中示出。当功率单元的DC链路中的电容器库放电时，它需要设立较多电平的输出电压以维持3.5kV的恒定输出电压，并且提出的方法相应地对其进行计算。在脉冲结束时，所有电容器库被放电到一电压，在该电压下所有8个电平的设置都不足以调节Vour，这引起输出电压误差信号的增加。
图12示出了具有三角参考电压VREF的相同有源电极PSU的操作的实验结果，证实提出的电压滞后控制器用于调节和稳定具有快速改变的dV/dt值的电压的高动态能力。
本公开的实施例针对可连接到负载的多电平级联电压调制器。在实施例中，多电平级联电压调制器包括串联连接的多个功率单元，其中多个单元中的每个单元包括双向开关和存储元件；以及控制系统，其耦合到多个单元并且具有多电平滞后电压控制器。在实施例中，控制系统被配置成使得多个单元在负载上输出N个电压电平，其中N是与多个功率单元中的功率单元的数量对应的正整数。
在实施例中，多个单元中的每个单元包括次级绕组隔离变压器、耦合到变压器和存储元件的三相二极管桥以及二极管。
在实施例中，双向开关是IGBT或MOSFET中的一个。
在实施例中，多个单元中的每个单元还包括在其输出处的LCR滤波器。
在实施例中，调制器还包括在多个单元的输出处的CR滤波器。
在实施例中，控制系统还被配置成引起电功率从功率单元的能量存储元件到负载的传输。
在实施例中，控制系统还被配置成平衡存储元件上的电压。
在实施例中，存储元件是电容器。
在实施例中，控制系统包括耦合到非瞬态存储器的一个或多个处理器，该非瞬态存储器包括多个指令，这些指令在被执行时使得一个或多个处理器控制负载上的电压电平。
在实施例中，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器根据负载上的电压电平、参考电压和等于负载上的电压电平与参考电压之间的差的电压误差来控制调制器的输出电压电平。
在实施例中，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器从参考电压信号VREF减去从电压传感器接收的真实反馈电压信号VREAL，由电压电平估计器使用滞后块的高边界（HB）阈值、滞后块的低边界（LB）阈值和电压差信号∆V产生估计的电压电平信号，电平，以及由切换模式发生器基于估计的电压电平，电平，和滞后块的状态生成多个切换信号。
在实施例中，要从参考电压信号VREF减去真实反馈电压信号VREAL，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器将真实反馈电压信号VREAL馈送到低通滤波器输入、将低通滤波器输出信号馈送到第一求和块的负输入、将参考电压信号VREF馈送到第一求和块的正输入，以及在第一求和块的输出处产生电压差信号∆V。
在实施例中，当∆V达到滞后块的高边界（HB）阈值时，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器将滞后块的状态设置为“1”。
在实施例中，当∆V达到滞后块的低边界（LB）阈值时，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器将滞后块的状态设置为“0”。
在实施例中，为了产生估计的电压电平电平，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器将时钟信号施加到时钟发生器；当以下条件中的一个或多个为真时，由可复位计数器对由时钟发生器生成的时钟信号的数量进行计数：∆V低于滞后块的低边界（LB）阈值；或∆V高于滞后块的高边界（HB）阈值。
在实施例中，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器还由自由运行计数器递增自由运行计数器输出信号、将自由运行计数器输出信号施加到第二求和块，以及当以下两种情况同时为真时，递减电压电平估计器的输出处的电平的数量：信号∆V低于低边界滞后阈值LB；以及可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值。
在实施例中，当不但信号∆V低于低边界滞后阈值LB而且可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值时，多个指令在被执行时使得一个或多个处理器将电平递减电路的逻辑元件的输出设置为真；利用上升沿检测器检测逻辑元件的输出；以及递增自由运行计数器，并且由此在求和块处递减输出电平。
在实施例中，多电平滞后电压控制器包括：低通滤波器，其具有低通滤波器输入和低通滤波器输出；第一求和块，其具有正输入和负输入；滞后块，其具有高边界（HB）阈值和低边界（LB）阈值；电压电平估计器，其具有多个电压电平估计器输入和电压电平输出信号电平；以及切换模式发生器，其具有多个切换模式发生器输入和多个切换模式发生器输出。
在实施例中，切换模式发生器包括比较器块、可复位计数器、具有第一多个输入信号的第一多路复用器以及具有第二多个输入信号的第二多路复用器。
在实施例中，第二多个输入信号中的每个输入信号表示各自对应于电压调制器的多个输出电平中的一个的切换状态的阵列。
在实施例中，多个输出电平的范围从当所有切换信号为假时的0VDC到当所有切换信号为真时的最大输出电压。
在实施例中，电压电平估计器包括：时钟计数电路、电平递减电路、用于可复位计数器的启用和复位电路以及第二求和块。
在实施例中，时钟计数电路包括时钟发生器、逻辑开关和可复位计数器。
在实施例中，电平递减电路包括第一逻辑元件、上升沿检测器和自由运行计数器。
在实施例中，启用和复位电路包括第二逻辑元件、上升沿检测器和第三逻辑元件。
在实施例中，第一逻辑元件是“与”门，第二逻辑元件是“异或”门，以及第三逻辑元件是“或”门。
在实施例中，当∆V达到滞后块的高边界（HB）阈值时，滞后块的状态被设置为“1”。
在实施例中，当∆V达到滞后块的低边界（LB）阈值时，滞后块的状态被设置为“0”。
在实施例中，负载在以下中的一个或多个中的功率电子电路中：用于Tokamak等离子体反应器的电极偏置电源、用于FRC等离子体反应器的电极偏置电源、用于中性束注入器的电源、磁控管调制器、速调管调制器、电子枪调制器、高功率X射线电源、中波发射器、长波发射器和短波固态发射器。
本公开的实施例针对可连接到负载的多电平滞后电压控制器。在实施例中，多电平滞后电压控制器（MHVC）包括：低通滤波器，其具有低通滤波器输入和低通滤波器输出；第一求和块，其具有正输入和负输入；滞后块，其具有高边界（HB）阈值和低边界（LB）阈值；电压电平估计器，其具有多个电压电平估计器输入和电压电平输出信号电平；以及切换模式发生器，其具有多个切换模式发生器输入和多个切换模式发生器输出。
在实施例中，切换模式发生器包括比较器块、可复位计数器、具有第一多个输入信号的第一多路复用器以及具有第二多个输入信号的第二多路复用器。
在实施例中，第二多个输入信号中的每个输入信号表示各自对应于电压调制器的多个输出电平中的一个的切换状态的阵列。
在实施例中，多个输出电平的范围从当所有切换信号为假时的0VDC到当所有切换信号为真时的最大输出电压。
在实施例中，电压电平估计器包括时钟计数电路；电平递减电路包括；用于可复位计数器的启用和复位电路；以及第二求和块。
在实施例中，时钟计数电路包括时钟发生器、逻辑开关和可复位计数器。
在实施例中，电平递减电路包括第一逻辑元件、上升沿检测器和自由运行计数器。
在实施例中，启用和复位电路包括第二逻辑元件、上升沿检测器和第三逻辑元件。
在实施例中，第一逻辑元件是“与”门，第二逻辑元件是“异或”门，以及第三逻辑元件是“或”门。
在实施例中，当∆V达到滞后块的高边界（HB）阈值时，滞后块的状态被设置为“1”。
在实施例中，当∆V达到滞后块的低边界（LB）阈值时，滞后块的状态设置为“0”。
在实施例中，负载在以下中的一个或多个中的功率电子电路中：用于Tokamak等离子体反应器的电极偏置电源、用于FRC等离子体反应器的电极偏置电源、用于中性束注入器的电源、磁控管调制器、速调管调制器、电子枪调制器、高功率X射线电源、中波发射器、长波发射器和短波固态发射器。
本公开的实施例针对一种使用多电平滞后电压控制器来控制施加到负载的电压的方法。在实施例中，方法包括：从电压传感器接收真实反馈电压信号VREAL。在实施例中，方法还包括：通过以下步骤从参考电压信号VREF减去真实反馈电压信号VREAL：将真实反馈电压信号VREAL馈送到低通滤波器输入；将低通滤波器输出信号馈送到第一求和块的负输入；将参考电压信号VREF馈送到求和块的正输入；以及在第一求和块的输出处产生电压差信号∆V。
在实施例中，方法还包括：由电压电平估计器使用滞后块的高边界（HB）阈值、滞后块的低边界（LB）阈值和电压差信号∆V来产生估计的电压电平信号电平。在实施例中，方法还包括：由切换模式发生器基于估计的电压电平，电平，和滞后块的状态生成多个切换信号。
在实施例中，当∆V达到滞后块的高边界（HB）阈值时，滞后块的状态被设置为“1”。
在实施例中，当∆V达到滞后块的低边界（LB）阈值时，滞后块的状态被设置为“0”。
在实施例中，电压电平估计器通过以下方式产生估计的电压电平电平：将时钟信号施加到时钟发生器；当以下条件中的一个或多个为真时，由可复位计数器对由时钟发生器生成的时钟信号的数量进行计数：∆V低于滞后块的低边界（LB）阈值；或者∆V高于滞后块的高边界（HB）阈值；由自由运行计数器递增自由运行计数器输出信号；将自由运行计数器输出信号施加到求和块；以及当以下两种情况同时为真时，递减电压电平估计器的输出处的多个电平：信号∆V低于低边界滞后阈值LB；以及可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值。
在实施例中，当不但信号∆V低于低边界滞后阈值LB而且可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值时，电平递减电路的第一逻辑元件输出变为真；上升沿检测器检测第一逻辑元件输出；以及自由运行计数器递增，由此递减求和块处的输出电平。
本公开的控制系统和控制器的处理器可以被配置成执行本公开中描述的计算和分析，并且可以包括或通信地耦合到包括非暂时性计算机可读介质的一个或多个存储器。其可以包括基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器、精简指令集计算机（RISC）、专用集成电路（ASIC）、逻辑电路以及能够执行本文中描述的功能的任何其它电路或处理器的系统。以上示例仅是示例性的，并且因此不旨在以任何方式限制术语“处理器”或“计算机”的定义和/或含义。
可以使用软件例程、硬件部件或其组合来实现处理器的功能。可以使用包括例如集成电路或分立电子部件的多种技术来实现硬件部件。处理器单元典型地包括可读/可写的存储器存储设备，并且典型地还包括用于写和/或读存储器存储设备的硬件和/或软件。
处理器可以包括例如用于访问因特网的计算设备、输入设备、显示单元和接口。计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可以连接到通信总线。计算机或处理器还可以包括存储器。存储器可以包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。计算机或处理器还可以包括存储设备，其可以是硬盘驱动器或可移动存储驱动器，诸如例如光盘驱动器等。存储设备还可以是用于将计算机程序或其它指令加载到计算机或处理器中的其它类似装置。
处理器执行存储在一个或多个存储元件中的指令的集合，以便处理输入数据。存储元件还可以如期望或需要的那样存储数据或其它信息。存储元件可以具有处理机器内的信息源或物理存储元件的形式。
指令的集合可以包括指示作为处理机器的处理器执行诸如本文中描述的主题的各种实施例的方法和过程之类的特定操作的各种命令。指令的集合可以具有软件程序的形式。软件可以具有各种形式，诸如系统软件或应用软件。此外，软件可以具有分离程序或模块的集合、较大程序内的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件还可以包括具有面向对象编程形式的模块化编程。由处理机器对输入数据的处理可以响应于用户命令，或者响应于先前处理的结果，或者响应于由另一处理机器做出的请求。
如本文中所使用的，术语“软件”和“固件”可以是可互换的，并且包括存储在存储器中以供由计算机执行的任何计算机程序，所述存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM（NVRAM）存储器。上面的存储器类型仅是示例性的，并且因此不限制关于可用于计算机程序的存储的存储器的类型。
关于本文中提供的任何实施例描述的所有特征、元件、部件、功能和步骤旨在与来自任何其它实施例的那些是自由地可组合和可替代的。如果仅关于一个实施例描述了某个特征、元件、部件、功能或步骤，则应当理解的是，除非明确地以其它方式说明，否则该特征、元件、部件、功能或步骤可以与本文中描述的每个其它实施例一起使用。因此，此段落在任何时间充当权利要求的引入的前提基础和书面支持，权利要求组合了来自不同实施例的特征、元件、部件、功能和步骤，或者用一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤替代另一个的特征、元件、部件、功能和步骤，即使在特别情况下以下描述不明确地说明这种组合或替代是可能的。对每一个可能的组合和替代的明确叙述是非常繁重的，尤其是在本领域普通技术人员在阅读本说明书时将容易认识到每个和每一个这种组合和替代的允许性的情况下。
在许多情况下，实体在本文中被描述为耦合到其它实体。应当理解的是，术语“耦合”和“连接”或其任何形式在本文中可互换地使用，并且在两种情况下，通用于不具有任何不可忽略的，例如，寄生居中实体的两个实体的直接耦合以及具有一个或多个不可忽略的居中实体的两个实体的间接耦合。在实体被示出为直接耦合在一起、或者描述为在没有任何居中实体的描述的情况下耦合在一起的情况下，应当理解的是，除非上下文另外明确指出，否则那些实体也可以被间接耦合在一起。
尽管实施例可容许各种修改和替代形式，但是其特定示例已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解的是，这些实施例不限于所公开的特别形式，而是相反，这些实施例是要覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同物和替代。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元件（以及通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元件对权利要求的发明范围进行限定的负面限制）可以在权利要求中记载或添加到权利要求。

Claims (48)

1.一种可连接到负载的多电平级联电压调制器，包括：
多个串联连接的功率单元，其中所述多个功率单元中的每个功率单元包括双向开关和存储元件；以及
控制系统，其耦合到所述多个功率单元并且具有多电平滞后电压控制器，其中所述控制系统被配置成使得所述多个功率单元在所述负载上输出N个电压电平，其中N是与所述多个功率单元中的功率单元的数量对应的正整数；
其中所述控制系统被配置成：
从参考电压信号VREF减去从电压传感器接收的真实反馈电压信号VREAL；
由电压电平估计器使用滞后块的高边界（HB）阈值、所述滞后块的低边界（LB）阈值和电压差信号∆V来产生估计的电压电平信号，电平；以及
由切换模式发生器基于所述估计的电压电平，电平，和所述滞后块的状态生成多个切换信号。
2.根据权利要求1所述的调制器，其中所述多个功率单元中的每个功率单元包括
次级绕组隔离变压器；
三相二极管桥，其耦合到所述次级绕组隔离变压器和所述存储元件；以及
二极管。
3.根据权利要求2所述的调制器，其中所述多个功率单元中的每个功率单元还包括在其输出处的LCR滤波器。
4.根据权利要求2所述的调制器，还包括在所述多个功率单元的所述输出处的CR滤波器。
5.根据权利要求2所述的调制器，其中所述控制系统还被配置成引起电功率从所述功率单元的所述存储元件到所述负载的传输。
6.根据权利要求2所述的调制器，其中所述控制系统还被配置成平衡所述多个功率单元的所述存储元件上的电压。
7.根据权利要求2所述的调制器，其中所述存储元件是电容器。
8.根据权利要求1所述的调制器，其中要从参考电压信号VREF减去真实反馈电压信号VREAL，所述调制器：
将所述真实反馈电压信号VREAL馈送到低通滤波器输入；
将低通滤波器输出信号馈送到第一求和块的负输入；
将所述参考电压信号VREF馈送到所述第一求和块的正输入；以及
在所述第一求和块的输出处产生电压差信号∆V。
9.根据权利要求1所述的调制器，其中：
当电压差信号∆V达到所述滞后块的所述高边界（HB）阈值时，多个指令在被执行时使得所述调制器将所述滞后块的所述状态设置为“1”。
10.根据权利要求1所述的调制器，其中要产生所述估计的电压电平电平，所述控制系统被配置成：
将时钟信号施加到时钟发生器；
当以下条件中的一个或多个为真时，由可复位计数器对由所述时钟发生器生成的时钟信号的数量进行计数：
电压差信号∆V低于所述滞后块的所述低边界（LB）阈值；或者
电压差信号∆V高于所述滞后块的所述高边界（HB）阈值；
由自由运行计数器递增自由运行计数器输出信号；
将所述自由运行计数器输出信号施加到第二求和块；以及
当以下两种情况同时为真时，递减所述电压电平估计器的输出处的多个电平：
所述电压差信号∆V低于滞后块的所述低边界（LB）阈值；以及
所述可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值。
11.根据权利要求10所述的调制器，其中当不但所述电压差信号∆V低于滞后块的所述低边界（LB）阈值而且所述可复位计数器的所述输出计数信号的所述值高于时间常数的所述预设值时，所述调制器：
将电平递减电路的逻辑元件的所述输出设置为真；
利用上升沿检测器检测所述逻辑元件的所述输出；以及
递增所述自由运行计数器，并且由此递减所述求和块处的输出电平。
12.一种可连接到负载的多电平级联电压调制器，包括：
多个串联连接的功率单元，其中所述多个功率单元中的每个功率单元包括双向开关和存储元件；以及
控制系统，其耦合到所述多个功率单元并且具有多电平滞后电压控制器，其中所述控制系统被配置成使得所述多个功率单元在所述负载上输出N个电压电平，其中N是与所述多个功率单元中的功率单元的数量对应的正整数，
其中所述多电平滞后电压控制器包括：
低通滤波器，其具有低通滤波器输入和低通滤波器输出；
第一求和块，其具有正输入和负输入；
滞后块，其具有高边界（HB）阈值和低边界（LB）阈值；
电压电平估计器，其具有多个电压电平估计器输入和电压电平输出信号电平；以及
切换模式发生器，其具有多个切换模式发生器输入和多个切换模式发生器输出。
13.根据权利要求12所述的调制器，其中所述切换模式发生器包括：
比较器块；
可复位计数器；
具有第一多个输入信号的第一多路复用器；以及
具有第二多个输入信号的第二多路复用器。
14.根据权利要求13所述的调制器，其中所述电压电平估计器包括：
时钟计数电路；
电平递减电路；
用于所述可复位计数器的启用和复位电路；以及
第二求和块。
15.根据权利要求12所述的调制器，其中当电压差信号∆V达到所述滞后块的所述高边界（HB）阈值时，所述滞后块的状态被设置为“1”。
16.根据权利要求15所述的调制器，其中当所述电压差信号∆V达到所述滞后块的所述低边界（LB）阈值时，所述滞后块的状态被设置为“0”。
17.根据权利要求12所述的调制器，其中所述负载在以下中的一个或多个中的功率电子电路中：用于Tokamak等离子体反应器的电极偏置电源、用于FRC等离子体反应器的电极偏置电源、用于中性束注入器的电源、磁控管调制器、速调管调制器、电子枪调制器、高功率X射线电源、中波发射器、长波发射器和短波固态发射器。
18.一种用于可连接到负载的多电平电压调制器的多电平滞后电压控制器，包括：
低通滤波器，其具有低通滤波器输入和低通滤波器输出；
第一求和块，其具有正输入和负输入；
滞后块，其具有高边界（HB）阈值和低边界（LB）阈值；
电压电平估计器，其具有多个电压电平估计器输入和电压电平输出信号电平；以及
切换模式发生器，其具有多个切换模式发生器输入和多个切换模式发生器输出。
19.根据权利要求18所述的多电平滞后电压控制器，其中所述切换模式发生器包括：
比较器块；
可复位计数器；
具有第一多个输入信号的第一多路复用器；以及
具有第二多个输入信号的第二多路复用器。
20.根据权利要求19所述的多电平滞后电压控制器，其中所述第二多个输入信号中的每个输入信号表示各自对应于电压调制器的多个输出电平中的一个的切换状态的阵列。
21.根据权利要求20所述的多电平滞后电压控制器，其中所述多个输出电平的范围从当所有切换信号为假时的0VDC到当所有切换信号为真时的最大输出电压。
22.根据权利要求19所述的多电平滞后电压控制器，其中所述电压电平估计器包括：
时钟计数电路；
电平递减电路；
用于所述可复位计数器的启用和复位电路；以及
第二求和块。
23.根据权利要求22所述的多电平滞后电压控制器，其中所述时钟计数电路包括时钟发生器、逻辑开关和可复位计数器。
24.根据权利要求23所述的多电平滞后电压控制器，其中所述电平递减电路包括第一逻辑元件、上升沿检测器和自由运行计数器。
25.根据权利要求24所述的多电平滞后电压控制器，其中所述启用和复位电路包括第二逻辑元件、上升沿检测器和第三逻辑元件。
26.根据权利要求25所述的多电平滞后电压控制器，其中所述第一逻辑元件是“与”门，所述第二逻辑元件是“异或”门，以及所述第三逻辑元件是“或”门。
27.根据权利要求18所述的多电平滞后电压控制器，其中当电压差信号∆V达到所述滞后块的所述高边界（HB）阈值时，所述滞后块的状态被设置为“1”。
28.根据权利要求27所述的多电平滞后电压控制器，其中当所述电压差信号∆V达到所述滞后块的所述低边界（LB）阈值时，所述滞后块的状态被设置为“0”。
29.根据权利要求18所述的多电平滞后电压控制器，其中所述负载在以下中的一个或多个中的功率电子电路中：用于Tokamak等离子体反应器的电极偏置电源、用于FRC等离子体反应器的电极偏置电源、用于中性束注入器的电源、磁控管调制器、速调管调制器、电子枪调制器、高功率X射线电源、中波发射器、长波发射器和短波固态发射器。
30.一种使用多电平滞后电压控制器来控制施加到负载的电压的方法，包括：
从电压传感器接收真实反馈电压信号VREAL；
通过以下步骤从参考电压信号VREF减去所述真实反馈电压信号VREAL：
将所述真实反馈电压信号VREAL馈送到低通滤波器输入；
将低通滤波器输出信号馈送到第一求和块的负输入；
将所述参考电压信号VREF馈送到所述第一求和块的正输入；以及
在所述第一求和块的输出处产生电压差信号∆V；
由电压电平估计器使用滞后块的高边界（HB）阈值、所述滞后块的低边界（LB）阈值和所述电压差信号∆V来产生估计的电压电平信号，电平；以及
由切换模式发生器基于所述估计的电压电平，电平，和所述滞后块的状态生成多个切换信号。
31.根据权利要求30所述的方法，其中：
当电压差信号∆V达到所述滞后块的所述高边界（HB）阈值时，所述滞后块的所述状态被设置为“1”。
32.根据权利要求30或31中的一项所述的方法，其中：
当电压差信号∆V达到所述滞后块的所述低边界（LB）阈值时，所述滞后块的所述状态被设置为“0”。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述电压电平估计器通过以下方式产生所述估计的电压电平电平：
将时钟信号施加到时钟发生器；
当以下条件中的一个或多个为真时，由可复位计数器对由所述时钟发生器生成的时钟信号的数量进行计数：
电压差信号∆V低于所述滞后块的所述低边界（LB）阈值；或者
电压差信号∆V高于所述滞后块的所述高边界（HB）阈值；
由自由运行计数器递增自由运行计数器输出信号；
将所述自由运行计数器输出信号施加到第二求和块；以及
当以下两种情况同时为真时，递减所述电压电平估计器的输出处的多个电平：
所述电压差信号∆V低于所述滞后块的所述低边界（LB）阈值；以及
所述可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值。
34.根据权利要求33所述的方法，其中当不但所述电压差信号∆V低于所述滞后块的所述低边界（LB）阈值而且所述可复位计数器的所述输出计数信号的所述值高于时间常数的所述预设值时：
电平递减电路的逻辑元件输出变为真；
上升沿检测器检测所述逻辑元件输出；以及
递增所述自由运行计数器，由此递减求和块处的输出电平。
35.一种可连接到负载的多电平级联电压调制器，包括：
多个串联连接的功率单元，其中所述多个功率单元中的每个功率单元包括双向开关和存储元件；以及
控制系统，其耦合到所述多个功率单元并且具有多电平滞后电压控制器，其中所述控制系统被配置成使得所述多个功率单元在所述负载上输出N个电压电平，其中N是与所述多个功率单元中的功率单元的数量对应的正整数；以及
其中所述控制系统被进一步配置成：
从电压传感器接收反馈电压信号VREAL；
对反馈电压信号VREAL进行低通滤波以生成低通滤波器输出信号；以及
生成与低通滤波器输出信号和参考电压信号VREF之间的差成比例的差信号ΔV。
36.根据权利要求35所述的多电平级联电压调制器，其中所述控制系统被配置成通过从参考电压信号VREF减去低通滤波器输出信号以生成差信号ΔV。
37.根据权利要求35所述的多电平级联电压调制器，其中所述控制系统被配置成基于高边界（HB）阈值、低边界（LB）阈值和电压差信号∆V来生成滞后状态信号。
38.根据权利要求37所述的多电平级联电压调制器，其中所述控制系统被配置成基于高边界（HB）阈值、低边界（LB）阈值和所述电压差信号∆V来生成估计的电压电平信号。
39.根据权利要求38所述的多电平级联电压调制器，其中所述控制系统被配置成基于估计的电压电平和状态信号选择性地开启和关闭每个功率单元。
40.根据权利要求39所述的多电平级联电压调制器，其中所述控制系统被进一步配置成选择性地开启和关闭每个功率单元以平衡所述存储元件上的电压。
41.根据权利要求40所述的多电平级联电压调制器，其中所述存储元件是电容器。
42.根据权利要求37所述的多电平级联电压调制器，其中所述控制系统被配置成：
由可复位计数器对由时钟发生器生成的时钟信号的数量进行计数：
由自由运行计数器递增自由运行计数器输出信号，该输出信号被耦合作为求和块的输入；
当以下两种情况同时为真时，递减电压电平估计器的输出处的估计的电压电平信号：
所述电压差信号∆V低于所述低边界滞后（LB）阈值；以及
所述可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值。
43.一种使用多电平滞后电压控制器来控制多个串联连接的功率单元来控制施加到负载的电压的方法，包括：
从电压传感器接收真实反馈电压信号VREAL；
对反馈电压信号VREAL进行低通滤波以生成低通滤波器输出信号；
生成与低通滤波器输出信号和参考电压信号VREF之间的差成比例的差信号ΔV；
基于高边界（HB）阈值、低边界（LB）阈值和电压差信号∆V来生成滞后状态信号；
至少部分地基于状态信号，使得多个功率单元选择性地在负载上输出多达N个电压电平，其中N是与所述多个功率单元中的功率单元的数量对应的正整数。
44.根据权利要求43所述的方法，其中：
生成与低通滤波器输出信号和参考电压信号VREF之间的差成比例的差信号ΔV包括从参考电压信号VREF减去低通滤波器输出信号。
45.根据权利要求44所述的方法，进一步包括基于高边界（HB）阈值、低边界（LB）阈值和所述电压差信号∆V来生成估计的电压电平信号。
46.根据权利要求45所述的方法，进一步包括基于估计的电压电平和状态信号选择性地开启和关闭每个功率单元。
47.根据权利要求46所述的方法，其中基于估计的电压电平和状态信号选择性地开启和关闭每个功率单元包括平衡存储元件上的电压。
48.根据权利要求47所述的方法，产生估计的电压电平信号包括：
由可复位计数器对由时钟发生器生成的时钟信号的数量进行计数：
递增自由运行计数器输出信号，该输出信号被耦合作为求和块的输入；以及
当以下两种情况同时为真时，递减所述估计的电压电平信号：
所述电压差信号∆V低于所述低边界（LB）阈值；以及
所述可复位计数器的输出计数信号的值高于时间常数的预设值。
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