CN114270684A - 用于将dc供给电压转换为多个平衡直流输出电压的开关功率转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电开关功率转换器(10)，用于将直流(DC)供给电压(Vin)转换成至少三个平衡DC输出负载电压(V1、V2、...、Vn)。功率转换器(10)包括开关网络(12)，该开关网络具有多个串联连接的可电控开关(S1、S2、...、Sn)。输出网络(11)具有多个串联连接的电容器(C1、C2、...、Cn)，用于提供所述DC输出负载电压。多个电感器(L1、L2、...、Ln‑1)和电子控制器(14)。电子控制器(14)操作开关网络(12)的开关，以用于通过形成电容器(C1、C2、...、Cn)和电感器(L1、L2、...、Ln‑1)的相应并联连接，基于输出负载电压和/或输出负载电流(Io1、Io2、...、Ion)的经测量表示，来将输出负载电压(V1、V2、...、Vn)平衡在输出负载电压的范围内。

Description

用于将DC供给电压转换为多个平衡直流输出电压的开关功率 转换器
技术领域
本公开总体上涉及电功率转换，并且更具体地，涉及一种开关功率转换器，该开关功率转换器被布置用于将直流DC供给电压转换为多个平衡DC输出电压。
背景技术
照明装置(诸如用于工业用途和家庭中的具有发光二极管LED或荧光光源的灯具)例如通常被设计和指定直接地使用电源电压(诸如220V-230V额定交流电流AC电源电压)以及220V DC电压来操作。
实际上，工业现场之类例如可以配备具有650V额定DC电源供应(诸如应急动力电池系统)的电力系统。
为了从这样的650V DC电力系统对具有为220V或230V的额定DC操作电压的电负载供电，例如需要功率转换器，来将电力系统的较高供给电压转换为电负载的额定操作电压，特别地用于为三个或更多个电负载供电。
通常称为平衡转换器的电子模块能够将DC输入或供给电压细分为两个电串联操作的DC输出电压。这种平衡转换器在用于将额定650V DC电压转换成两个DC供给电压用于操作220伏额定负载时，将产生220V DC的第一输出电压和430V DC的第二输出电压。这种平衡转换器的操作对平衡和不平衡负载的供电施加了限制。
在仅为平衡负载供电的情况下，即汲取同等或基本同等的操作电流并且具有低于给定DC供给电压的额定或标称DC操作电压的负载，需要一种功率转换器，该功率转换器能够将DC供给电压转换成至少三个平衡DC输出电压，这些平衡DC输出电压具有低于DC供给电压的电压电平。
发明内容
上述和其他目的在本公开的第一方面通过用于将直流DC供给电压转换成n个平衡DC输出负载电压的电开关功率转换器来解决，该电开关功率转换器包括第一输入端子和第二输入端子、开关网络、输出网络、多个电感器、以及电子控制器，该第一输入端子和第二输入端子用于供给DC供给电压，该输出网络提供多个输出负载电压；
开关网络包括多个串联连接的可电控开关，该串联连接具有第一开关网络端部端子和第二开关网络端部端子、以及被布置在每对邻近串联连接的开关之间的n-1个中间节点，第一开关网络端部端子连接至第一输入端子，并且第二开关网络端部端子连接至第二输入端子；
输出网络包括电容器网络，电容器网络具有多个串联连接的电容器，该串联连接具有第一电容器网络端部端子和第二电容器网络端部端子、以及被布置在每对邻近串联连接的电容器之间的n-1个中间节点，第一电容器网络端部端子连接至第一输入端子，并且第二电容器网络端部端子连接至第二输入端子；
该输出网络还包括跨电容器网络的电容器连接的多对输出端子，该多对输出端子提供多个输出负载电压；
其中电感器连接在开关网络的中间节点和电容器网络的中间节点之间，以及
电子控制器被布置用于操作开关网络的开关，以用于基于输出负载电压和输出负载电流的表示中的至少一个表示，来将多个DC输出负载电压平衡在输出电压的范围内，其中n是等于或大于3的整数。
在使用中，利用根据本公开的电开关功率转换器，通过将功率转换器的输出负载电压平衡在相应的负载可以以其操作的输出电压的范围内，来有效地容纳(accommodate)由连接至相应的一对输出端子的相应负载汲取的额定操作功率中的偏差，将功率转换器的输出负载电压平衡在相应的负载可以以其操作的输出电压的范围内是在电子控制器的控制下通过由开关网络的相应开关的适当的接通(ON)和关断(OFF)切换来建立电容器和电感器的并联电路来实现的。
在本说明书中，当开关处于电流导通状态时，开关被接通。否则，当关断时，开关处于非导通状态，即没有操作电流能够流过开关。
开关响应于输出负载电压和/或输出负载电流的表示，特别是响应于输出负载电压和/或输出负载电流的表示中的偏差或变动而操作。即，相应输出负载电压和输出负载电流之间的偏差或变动以及特定输出负载电压和/或输出负载电流中的偏差或变动。
与现有技术的转换器相比，根据本公开的开关功率转换器的额定功率相对较小，因为本功率转换器仅处理所连接负载的额定功率的差异，每个所连接负载例如由多个并联连接的LED灯具组成，这在降低整体功耗和运营成本方面具有很大的优势。
此外，本公开的开关功率转换器具有相对简单的拓扑结构，该拓扑结构包括容易获得的电子设备和部件(诸如可控开关、电容器和电感器)，这也有助于降低电路成本。
开关网络可以由具有串联连接的开关的单个支路组成。然而，在本公开的备选实施例中，开关网络包括具有串联连接的可电控开关对的多个支路，其中该支路在第一网络端部端子和第二开关网络端部端子之间并联电连接。
尽管就所需的电子控制器的开关数目和控制输出而言，具有串联连接的开关的单个支路是最具成本效益的，但是多支路开关网络提供了对电感器电流的独立控制。
输出负载电压和输出负载电流例如可以由电子控制器在功率转换器的相应输出端子对处直接地测量。
在本公开的一个实施例中，电子控制器被布置用于从在第一电容器网络端部端子和第二电容器网络端部端子之间测量的电压、以及在电容器网络的中间节点和第二电容器网络端部端子之间测量的电压中获得输出负载电压的表示。
功率转换器的相应输出负载电压可以从相对于电容器网络的特定端部端子(诸如接地端部端子)在相应输出端子处测量电压电平而容易地计算。
根据本公开的另一实施例，输出负载电流的表示由电子控制器从在多个电感器中测量的电流而获得。例如，电感器电流可以通过将精确已知的电阻与电感器串联的串联连接来测量，以创建与电流流动成比例的电压。
电子控制器被布置用于将经测量表示(即负载电压和/或负载电流的经测量表示中的波动)转换成相应控制信号，用于根据相应开关频率和占空比来操作开关网络的开关。
在实践中，根据本公开的功率转换器可以以1kHz和更高的开关频率操作，以允许以基本实时的方式平衡输出负载电压。
在本公开的一个实施例中，可电控开关包括功率半导体器件，特别地包括以下半导体器件中的至少一项：金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、可控硅整流器SCR、栅极可关断晶闸管GTO以及MOS控制晶闸管MCT。
根据本公开的一个实施例，电子控制器是以下中的至少一项：微控制器、微处理器和现场可编程门阵列FPGA。
在根据本公开的功率转换器的实施例中，电容器网络的电容器包括同等大小的电容值和/或电感器包括同等大小的电感值。
假设理想的(即无损耗的)电路部件，由具有同等电容的电容器组成的电容器网络跨相应电容器在输出端子对处提供同等的输出负载电压。在实践中，输出负载电压中会出现一些微小的差异，但是，可以通过功率转换器的开关网络的适当操作来平衡这些差异。
注意，根据本公开的电开关功率转换不限于由同等大小的电容器组成的电容器网络。
在本公开的第二方面，提供了一种操作如上所述的电开关功率转换器的方法，其中开关网络的开关由电子控制器根据多个预定义的操作模式来接通和关断。其中电子控制器基于输出负载电压和输出负载电流的经测量表示中的至少一个表示来选择相应操作模式。
应当理解，每个操作模式由开关网络的开关的特定设置或状态(即ON或OFF)来表示。禁止在开关网络的端部端子之间形成直流路径的设置或模式，因为这会导致输入电源短路。
在本公开的第三方面，提供了一种照明装置，包括多个照明模块和根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中至少一个照明模块在电开关功率转换器的每对输出端子之间连接。
应当理解，如果并联连接负载从每对输出端子汲取基本同等的电流，若干照明模块可以并联电连接至一对端部端子。
在一个实施例中，提供了一种照明装置，其中电开关功率转换器被布置用于将额定650伏直流DC供给电压转换成三个平衡DC输出负载电压，用于为220伏DC额定负载平衡照明模块供电，特别地为发光二极管LED模块供电。具有220V DC额定电压的LED照明模块通常具有186伏DC至250伏DC的输入电压范围。
在本公开的第五方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，该计算机可读介质存储指令，该指令在被加载到根据本公开第一方面和第三方面的电开关功率转换器的电子控制器的处理设备上时，使电开关功率转换器执行根据本公开的第二方面的方法。
本公开的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得明显并且参考下文中描述的(多个)实施例来阐明。
附图说明
图1在示意电路图中示出了根据本公开的电开关功率转换器的总体实施例。
图2图示了根据本公开的实施例的用于将输入DC供给电压转换成三个串联连接的DC供给电压的开关功率转换器的示意性电路图。
图3示出了根据本公开的另一个实施例的用于将输入DC供给电压转换成三个串联连接的DC供给电压的开关功率转换器的示意性电路图。
图4以流程类型图示出了操作根据本公开的开关功率转换器的方法。
图5示意性地示出了包括根据本公开的开关功率转换器的照明装置的实施例的电路图。
具体实施方式
附图和附图的详细描述如下呈现。注意，不同附图中的相似附图标记表示相同或功能其相似的部件或变体。
图1图示了根据本公开的电开关功率转换器10的示意性电路图。
图1的电开关功率转换器10被设计成将直流DC输入供给电压Vin转换成n个平衡串联连接的DC输出负载电压V1、V2、...、Vn。在说明书和权利要求书中，n表示大于2的整数。输出负载电压用于为多个平衡负载301、302、...、30n供电，例如一组灯具，即指定在低于输入供给电压的特定电压范围内操作的灯具。
电开关功率转换器10包括用于连接提供DC输入电压Vin的DC供给电压13的第一输入端子55和第二输入端子19、开关网络12、提供多个DC输出负载电压的输出网络11、多个电感器L1、L2、...、Ln-1以及电子控制器14。
输出网络11包括电容器网络，该电容器网络由多个串联连接的电容器C1、C2、...、Cn组成。电容器的串联连接具有第一电容器网络端部端子21和第二电容器网络端部端子22、以及被布置在串联连接中每个邻近或相邻电容器对之间的n-1个中间节点18。第一电容器网络端部端子21连接至第一输入端子55，并且第二电容器网络端部端子22连接至第二输入端子19。本领域技术人员可以理解，多个电容中的每个电容器可以包括作为输出网络11的相应电容器而操作的一个或多个串联连接和/或并联连接的电容器。
多个输出负载电压V1、V2、...、Vn中的每个输出负载电压被提供在输出端子201、202、...、20n、20n+1对处，即跨输出网络11的相应电容器C1、C2、...、Cn的一对输出端子。例如，输出负载电压V1是跨电容C1的电压，并且被提供在输出端201和202处。或者一般而言，输出负载电压Vn在输出端子20n和20n+1之间跨电容器Cn被提供。
开关网络12包括多个串联连接的可电控开关S1、S2、...、Sn。该串联连接具有第一开关网络端部端子15和第二开关网络端部端子，以及在串联连接中每个邻近或相邻开关对之间的n-1个中间节点17。第一开关网络端15连接至第一输入端子55，并且第二开关网络端部端子16连接至第二输入端子19。
多个电感器L1、L2、...、Ln-1中的一个电感器在开关网络12的相应中间节点17和输出网络11的相应中间节点18之间连接。本领域技术人员将理解，多个电感器中的每个电感器可以包括串联连接和/或并联连接的一个或多个线圈，并且作为在开关网络12的相应中间节点17和输出网络11的相应中间节点18之间连接的相应电感器操作。
作为示例，电感器L1将邻近串联连接的开关S1和开关S2对之间的中间节点17、与邻近串联连接的电容器C1和电容器C2对之间的中间节点18电连接。或者一般而言，电感器Ln-1将开关Sn-1和开关Sn对之间的中间节点17、与电容器Cn-1和电容器Cn对之间的中间节点18电连接。
开关网络12的单个开关S1、S2、...、Sn在控制网络14的控制下、分别地通过相应控制线G1、G2、...、Gn进行操作。经由这些控制线，单个开关被接通(即处于操作状态，在该操作状态中电流可以流过开关)，并且被关断进入非导通操作状态。
在实践中，输出负载电压V1、V2、...、Vn通过反复地切换串联连接的可控开关S1、S2、...、Sn中的一个或多个开关的接通和关断来控制，其中电感器L1、L2、...、Ln-1中的一个或多个电感器电并联至电容器C1、C2、...、Cn中的一个或多个电容器。
根据所示的一般电路图，本领域技术人员将理解，取决于特定开关的状态，单个电感器以及电感器的串联连接可以被切换为与单个电容器并联，从而在电路中创建控制以下项的附加电流路径：相应输出负载电流Io1、Io2、...、Ion和存储在电容器网络的电容器C1、C2、...、Cn中的电荷量，因此平衡输出负载电压V1、V2、...、Vn。
在电开关功率转换器10的实施例中，开关网络12的开关基于由电压测量线23、24、25、26输入到控制器14中的、相对于电路接地电平28(即第二输入端子19)在相应输出端子201、202、...、20n-1处的电压测量结果而被控制，这些电压是输出负载电压V1、V2、...、Vn的表示。用于由控制器14控制开关网络12的输出负载电流Io1、Io2、...、Ion的表示(即相应输出负载电流Io1、Io2、...、Ion之间的差异I1、I2、...、In-1)通过使用电流测量器件29(诸如与相应电感器连接的低欧姆电阻串联)测量电感器电流IL1、IL2、...、ILn-1来获得。
如此获得的电感器电流通过电流测量线iL1、iL2、...、iLn-1输入到控制器14。注意，电感器电流可以沿任一方向流动，取决于相应输出负载电流与其额定值相比是更高还是更低。
电子控制器14被布置用于响应于输出负载电压和输出负载电流表示中的偏差或变动，转换经测量输出负载电压和输出负载电流表示，以用于根据相应开关频率和占空比来操作开关网络的开关。也就是说，相应输出负载电压和输出负载电流之间的偏差或变动以及特定输出负载电压和/或输出负载电流中的偏差或变动。
在实践中，根据本公开的功率转换器可以以1kHz和更高的开关频率操作，以允许以基本实时的方式平衡输出负载电压。
根据本公开的实施例，电子控制器是和/或包括以下中的至少一项：微控制器、微处理器和现场可编程门阵列FPGA。
在本公开的一个实施例中，可电控开关可以包括功率半导体器件，特别地例如包括以下半导体器件中的至少一项：金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、可控硅整流器SCR、栅极可关断晶闸管GTO以及MOS控制晶闸管MCT。
下面将参照图2中所示的具体实施例更详细地描述上述电开关功率转换器10的操作。
图2示出了根据本公开的实施例的用于将输入DC供给电压Vin转换成通常具有同等电平的、三个串联连接的DC供给电压的开关功率转换器40的示意性电路图。
在图2的实施例中，图1的开关网络12包括三个串联连接、分别地作为开关S1、S2、S3操作的功率半导体部件Q1、Q2和Q3的网络42。功率半导体部件Q1、Q2、Q3是MOSFET类型。
电子控制器44被设置为通过相应栅极处的适当驱动信号分别地通过控制线G1、G2、G3使用约1kHz或更高的开关频率将功率半导体部件Q1、Q2和Q3切换到它们的接通和关断状态。
输出网络41包括三个串联连接的电容器C1、C2和C3的电容器网络，这些电容器分别地跨一对输出端子端子201、202；202、203；203、204供给三个DC负载输出电压V1、V2和V3。
在该实施例中，三个电容器C1、C2和C3具有同等大小的电容值，使得额定输出负载电压V1、V2和V3的大小被设计为具有同等值。
电感器L1和电感器L2同样具有同等大小的电感值。
开关功率转换器40可以称为三重电压平衡器TVB模块。TVB模块40被设计为操作三组平衡负载301、302、303。
在TVB模块40的一个实际实施例中，例如，660伏的额定DC输入电压Vin被转换成各自为220伏的三个同等地额定的平衡DC输出负载电压V1、V2和V3，用于为三个平衡负载301、302、303供电，诸如具有220伏直流额定或标称操作电压的发光二极管LED模块，并且可以在例如186伏-250伏的电压范围内操作。假设负载301、302、303分别地汲取基本同等的操作电流Io1、Io2、Io3，则每个负载可以包括多个并联连接灯具。
在这个实施例中，为了给三个平衡负载供电，例如每个300瓦，电容器C1、C2、C3每个包括2.2μF的电容值，并且电感器L1和L2各自包括300μH的电感。
在其中负载的功耗同等的理想操作条件下，三个DC输出负载电压V1、V2和V3保持同等。然而，在操作期间，负载的功耗可以单独变化，并且因此输出负载电流Io1、Io2和Io3可以单独变化。也就是说，输出负载电流可以相对于这些输出负载电流的额定值变动或偏差，这些偏差或变动可以因负载而异。
通过将功率转换器的输出负载电压V1、V2和V3平衡在相应负载在电子控制器44的控制下可以来操作的输出电压范围内，可以有效地容纳由连接至一对相应输出端子的相应负载汲取的额定操作功率的偏差。
在所示实施例中，功率半导体部件Q1、Q2和Q3基于相对于电路接地电平28(即第二输入端子19)在相应输出端子201、202和203处的电压测量结果来控制。电压测量线23测量所有输出负载电压的总和，即V1+V2+V3。电压测量线24测量输出负载电压V2+V3的总和，并且电压测量线25测量输出负载电压V3。根据这些测量结果，可以很容易地导出单个输出负载电压V1、V2和V3。
输出负载电流的表示(即输出负载电流Io1、Io2和Io3之间的差异I1、I2的表示)由电子控制器44通过使用如上所述的电流测量器件29、测量分别地流过电感器L1和L2的电感器电流IL1和IL2而获得。
基于上述经测量反馈信号，电子控制器经由控制线G1、G2和G3计算用于接通和关断相应功率半导体Q1、Q2和Q3的三个控制信号。由于每个功率半导体有接通和关断两种操作模式，因此TVB40理论上可以有23＝8种操作模式，以通过平衡三个输出负载电压V1、V2和V3来控制提供到输出负载的电能。下面描述每个操作模式的详细操作，其中在图中相应箭头指示的方向上电流流动被假定为正(即高于零)。如相应箭头所指示的相反方向上的电流流动被假定为负(即低于零)。
第一操作模式
在此模式下，所有三个功率半导体Q1、Q2和Q3都被关断，即非导通。分别地流过电感器L1和L2的电流IL1和IL2为零。三个直流输出负载电压V1、V2和V3都处于它们的目标值，即V1＝V2＝V3。归因于串联连接，三个负载电流Io1、Io2和Io3同等。
第二操作模式
在第二操作模式下，功率半导体Q1在信号G1的控制下被接通(即导通)，并且功率半导体Q2和Q3被关断。结果，电感器L1并联电连接至电容器C1。
电感器L1能级的变化取决于功率半导体Q1被接通时电流IL1的值。如果在接通Q1时IL1为零或高于零，则存储在L1中的能级被增加。如果IL1在接通Q1时低于零，则存储在L1中的能级被降低。L2中的电流为零。
因此，通过将电感器L1并联电连接至电容器C1，输出负载电压通过降低输出负载电压V1而被平衡。
第三操作模式
在该模式下，功率半导体Q2在信号G2的控制下被接通，而功率半导体Q1和Q3被关断。结果，电感器L1和L2串联连接。如此形成的L1和L2的串联连接与电容器C2并联电连接。
电感器L1能级的变化取决于功率半导体Q2被接通时电流IL1的值。如果在接通Q2时IL1为零或低于零，则存储在L1中的能级被增加。如果IL1在接通Q2时高于零，则存储在L1中的能级被降低。
电感器L2的能级变化取决于功率半导体Q2被接通时电流IL2的值。如果在接通Q2时IL2为零或高于零，则存储在L2中的能级被增加。如果在接通Q2时IL2低于零，则存储在L2中的能级被降低。
因此，通过将电感器L1和L2的串联电路电并联至电容器C2，输出负载电压通过降低输出负载电压V2而被平衡。
第四操作模式
在该操作模式下，功率半导体Q3在信号G2的控制下被接通，而功率半导体Q1和Q2被关断。结果，电感器L2并联电连接至电容器C3。
电感器L2的能级变化取决于功率半导体Q3被接通时电流IL2的值。如果在接通Q3时IL2为零或低于零，则存储在L2中的能级被增加。如果在接通Q3时IL2高于零，则存储在L2中的能级被降低。L1中的电流为零。
因此，通过将电感器L2电并联至电容器C3，输出负载电压通过降低输出负载电压V3而被平衡。
第五操作模式
在该模式下，功率半导体Q1和Q2在信号G1和G2的控制下被接通，而功率半导体Q3被关断。结果，电感器L1并联电连接至电容器C1，并且电感器L2并联电连接至电容器C2，该电容器C2与L1和C2的并联电路串联连接。
电感器L1能级的变化取决于功率半导体Q1和Q2被接通时电流IL1的值。如果在接通Q1和Q2时IL1为零或高于零，则存储在L1中的能级被增加。如果在接通Q1和Q2时IL1低于零，则存储在L1中的能级被降低。
这种连接通过降低输出负载电压V1和V2两者来平衡输出负载电压。
与第二种操作模式相比，L2中的电流在接通Q1和Q2被接通时可以不为零。
电感器L2的能级变化取决于功率半导体Q1和Q2被接通时电流IL2的值。如果在接通Q1和Q2时IL2为零或高于零，则存储在L2中的能级被增加。如果在接通Q1和Q2时IL2低于零，则存储在L2中的能级被降低。
第六操作模式
在该模式下，功率半导体Q1和Q3在信号G1和G3的控制下被接通，而功率半导体Q2被关断。结果，电感器L1和L2分别地并联电连接至电容器C2和C3。
电感器L1的能级变化取决于功率半导体Q1和Q3被接通时电流IL1的值。如果在接通Q1和Q3时IL1为零或高于零，则存储在L1中的能级被增加。如果在接通Q1和Q3时IL1低于零，则存储在L1中的能级被降低。
电感器L2的能级变化取决于功率半导体Q1和Q3被接通时电流IL2的值。如果在接通Q1和Q3时IL2为零或低于零，则存储在L2中的能级被增加。如果在Q1和Q3接通时IL2高于零，则存储在L2中的能级被降低。
因此，这种连接通过降低输出负载电压V1和V3两者来平衡输出负载电压。
第七操作模式
在该模式下，功率半导体Q2和Q3在信号G2和G3的控制下被接通，而功率半导体Q1被关断。结果，电感器L2并联电连接至电容器C3，并且电感器L1并联电连接至电容器C2，该电容器C2与L2和C3的并联电路串联连接。
电感器L1的能级变化取决于功率半导体Q2和Q3被接通时电流IL1的值。如果在接通Q2和Q3时IL1为零或低于零，则存储在L1中的能级被增加。如果在接通Q2和Q3时IL1高于零，则存储在L1中的能级被降低。
电感器L2的能级变化取决于功率半导体Q2和Q3被接通时电流IL2的值。如果在接通Q2和Q3时IL2为零或低于零，则存储在L2中的能级被增加。如果在接通Q2和Q3时IL2高于零，则L2中存储的能级被降低。
这种连接通过降低输出负载电压V2和V3两者来平衡输出负载电压。
第八操作模式
这是一种禁止的操作模式，因为使所有三个功率半导体Q1、Q2和Q3都接通将导致在开关网络端部端子15、16之间提供的输入电压短路，并且可以损坏TVB 40。
上述操作模式2至7导致两个功率电感器L1和L2中的能级增加或减少。为了避免功率电感器过载，可以组合用于平衡相应输出负载电压的不同操作模式，使得首先IL1的平均值等于输出负载电流Io2的平均电流值减去输出负载电流Io1，并且其次IL2的平均值等于负载电流Io3的平均电流值减去负载电流Io2。
如图1所示，本公开的操作原理同样适用于具有三个以上串联连接的电负载或负载组的电压平衡模块，。
图3图示了根据本公开的实施例的用于将输入供给电压Vin转换成三个平衡串联连接的、通常具有同等电平的DC输出电压的电开关功率转换器50的备选实施例的示意性电路图。
图3的开关功率转换器50与开关功率转换器40的不同之处仅在于开关网络52。具体地，如图3所示，在开关网络端部端子15和16之间，开关网络52包括两个支路，每个支路具有两个串联连接的可电控开关。即，第一支路由开关Q1和Q2组成，并且第二支路由开关Q3和Q4组成。在图3的示例中，每个支路包括两个功率半导体Q1、Q2和Q3、Q4。
例如，输出网络51的电容器网络可以包括：在具有同等电压电平的额定输出负载电压V1、V2、V3情况下的具有同等大小的电容值的电容器C1、C2、C3的串联连接、或在不同等额定输出负载电压的情况下的具有不同电容值的电容器C1、C2、C3的串联连接。
电感器L1和L2取决于额定输出负载电压的差异，可以具有同等大小的电感值，或者可以具有不同的电感值。类似的考虑可以适用于图1和图2的功率转换器。
包括功率半导体Q1、Q2的第一支路在电子控制器54的控制下与第一电感器L1一起操作，以调节第一输出负载电压V1。包括功率半导体Q3和Q4的第二支路在电子控制器54的控制下与第二电感器L2一起操作，以调节第三输出负载电压V3。输出负载电压V2根据基尔霍夫电压定律被间接地控制，即V2＝Vin-V1-V3。
图3所示的TVB模块50具有如下优点：两个电感电流IL1和IL2可以独立调节。
图4以流程类型图60示出了根据本公开的开关功率转换器10、40、50、90的操作。图中的正常操作流程从图的顶部到底部运行，除非由相应箭头另行说明。
如上所述，功率转换器10、40、50、90的开关网络12、42、52的开关根据多个预定义的操作模式、通过控制线G1、G2、...、Gn由电子控制器14、44、54来接通或关断。操作模式的数目取决于特定开关网络中的开关的数目。
在第一步骤61中，如上文所述，“电压和/或电流测量”由电子控制器测量输出负载电压和/或输出负载电流的表示，诸如通过相应电压测量线23、24、25、26和电流测量线iL1、iL2、...、iLn-1或任何其他合适的测量布置。
在步骤62“处理测量结果和选择操作模式”中，相应测量结果由电子控制器根据处理算法处理，以用于平衡输出负载电压，引起特定操作模式的选择。如由步骤63“操作开关网络”所示，开关网络的开关根据所选择的操作而被操作。
如上所述，开关网络以相应开关频率和占空比操作，提供相应电容器和电感器的并联连接。
如流程图60所示，上述步骤61、步骤62和步骤63不断重复。
图5示意性地示出了根据本公开的照明装置100的实施例的电路图。照明装置100包括控制和通信部分70、照明模块或照明器材80和电开关功率转换器90。
控制和通信部分70包括收发器Tx/Rx模块71，该模块被布置用于与例如通信互连网络节点设备(诸如网状网络)的网络中的网关和/或节点设备(包括中继节点设备)进行无线72和/或有线73消息或数据分组的交换。收发器71可以被布置为根据公知的标准化或专有数据通信技术和协议中的任何数据通信技术和协议，在广播和单播操作模式的一者或两者中操作。
控制和通信部分70还包括至少一个数据处理器或控制器75、以及至少一个数据储存库或存储装置或存储器76，该至少一个数据储存库或存储装置或存储器用于存储用于操作照明装置100的计算机程序代码指令，该计算机程序代码指令包括网络中节点设备的地址信息，包括该节点设备的MAC地址。
至少一个处理器或控制器75经由控制和通信部分70的内部数据通信总线74以及如图5所示的相应控制线77、78、79和82与照明模块或照明器材80、收发器71和至少一个储存库或存储装置76进行通信交互并且控制照明模块或照明器材80、收发器71和至少一个储存库或存储装置76。
储存库或存储装置76还可以被布置用于存储设备特定的或可设置的时间延迟、重复率和其他属性。
包括多个LED或荧光照明设备81的照明模块或照明器材80(诸如功率平衡照明模块)由如上所述的根据本公开的电开关DC/DC功率转换器90从外部功率源供电92，该外部功率源连接至电开关DC/DC功率转换器90的输入91。
开关功率转换器90被布置用于将输入91处的较高DC输入电压转换为多个平衡较低DC电压，用于为照明装置100的照明器材或照明模块80供电。
存储装置76可以包括计算机代码或指令94，该计算机代码或指令在加载到电开关功率转换器90的电子控制器14、54的处理设备上时，使电开关功率转换器90根据以上公开的方法来平衡输出电压92。
还可以设想，开关功率转换器可以被包括在照明系统中，该照明系统包括彼此并联连接多个照明器材80，该照明系统然后连接至DC供给电压，该DC供给电压具有比单个LED或荧光照明设备81的额定电压更高的电压。
代替DC输入电压，根据本公开的开关功率转换器可以包括整流器输入电路(未示出)，该整流器输入电路用于将交流电流AC输入电压转换成DC输入电压。
通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的公开时可以理解和实现对公开实施例的其他变动。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地使用。
计算机程序可以被存储/分发在合适的介质上，诸如与其他硬件一起提供或作为其一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分发，诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种电开关功率转换器(10、40、50、90)，用于将直流DC供给电压(Vin)转换成三个平衡DC输出负载电压(V1、V2、...、Vn)，所述电开关功率转换器(10、40、50、90)包括：
-第一输入端子(55)和第二输入端子(19)，用于供给所述DC供给电压；
-开关网络(12、42、52)；
-输出网络(11、41、51)，提供三个输出负载电压；
-两个电感器(L1、L2、...、Ln-1)；以及
-电子控制器(14、44、54)；
所述开关网络(12)包括三个串联连接的可电控开关(S1、S2、...、Sn)，所述串联连接具有第一开关网络端部端子(15)和第二开关网络端部端子(16)、以及被布置在每对邻近串联连接的开关之间的两个中间节点(17)，所述第一开关网络端部端子(15)连接至所述第一输入端子(55)，并且所述第二开关网络端部端子(16)连接至所述第二输入端子(19)；
所述输出网络(11、41、51)包括电容器网络，所述电容器网络具有三个串联连接的电容器(C1、C2、...、Cn)，所述串联连接具有第一电容器网络端部端子(21)和第二电容器网络端部端子(22)、以及被布置在每对邻近串联连接的电容器之间的两个中间节点(18)，所述第一电容器网络端部端子(21)连接至所述第一输入端子(55)，并且所述第二电容器网络端部端子(22)连接至所述第二输入端子(19)；
所述输出网络(11、41、51)还包括跨所述输出电容器网络的所述电容器连接的多对输出端子(201、202、...、20n+1)，所述多对输出端子提供三个输出负载电压(V1、V2、...、Vn)；
其中从所述第一输入端子(55)看，所述开关网络(12)的第一中间节点(17)通过第一电感器(L1)被耦合到所述输出网络(11)的第一中间节点(18)；
所述开关网络(12)的第二中间节点(17)通过第二电感器(L2)被耦合到所述输出网络(11)的第二中间节点(18)，以及
所述电子控制器(14)被布置用于操作所述开关网络(12、42、52)的所述开关，以用于基于所述输出负载电压和输出负载电流(Io1、Io2、...、Ion)的表示中的至少一个表示，来将所述输出负载电压(V1、V2、...、Vn)平衡在输出负载电压的范围内。
2.根据权利要求1所述的电开关功率转换器，其中所述开关网络(52)包括n-1个多支路，所述路具有串联连接的可电控开关对，所述支路在所述第一开关网络端部端子(15)和第二开关网络端部端子(16)之间并联电连接，其中n是大于3的整数。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电子控制器(14、44、54)被布置用于从以下项中获得输出负载电压的所述表示：在所述第一电容器网络端部端子和所述第二电容器网络端部端子之间测量的电压(23)、以及在所述电容器网络的中间节点(18)和所述第二电容器网络端部端子(22)之间测量的电压(24、25、26)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电子控制器(14、44、54)被布置用于从在所述多个电感器中测量(29)的电流获得输出负载电流的所述表示。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电子控制器(14、44、54)被布置用于基于输出负载电压和输出负载电流的表示之间的偏差，来操作所述开关网络的所述开关。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电子控制器(14、44、54)被布置用于根据相应的开关频率和占空比，来操作所述开关网络的所述开关。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电容器网络的所述电容器包括同等大小的电容值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电感器(L1、L2、...、Ln-1)包括同等大小的电感值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述可电控开关包括功率半导体器件，特别地包括以下半导体器件中的至少一项：金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、可控硅整流器SCR、栅极可关断晶闸管GTO以及MOS控制晶闸管MCT。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器，其中所述电子控制器包括以下中的至少一项：微控制器、微处理器以及现场可编程门阵列FPGA。
11.一种照明装置(100)，包括多个照明模块(80)和根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器(90)，其中至少一个照明模块(80)在所述电开关功率转换器(90)的每对输出端子之间连接。
12.根据权利要求11所述的照明装置，其中所述电开关功率转换器(90)被布置用于将额定650伏直流DC供给电压转换成三个平衡DC输出负载电压，用于为220伏DC额定负载平衡照明模块(80)供电，特别地为发光二极管LED模块(80)供电。
13.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的电开关功率转换器的方法(60)，其中开关网络(12、42、52)的所述开关由所述电子控制器(14、44、54)根据多个预定操作模式来接通和关断(62)，其中相应的操作模式由所述电子控制器基于输出负载电压和输出负载电流的经测量表示(61)中的至少一者而被选择(62)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述操作模式包括切换所述可电控开关中的相应可电控开关，以提供电容器(C1、C2、...、Cn)和电感器(L1、L2、...、Ln-1)的并联连接。
15.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有指令，所述指令在被加载到根据权利要求1至12中任一项所述的电开关功率转换器(10、40、50、90)的电子控制器(14、44、54)的处理设备上时，使所述电开关功率转换器执行根据权利要求13至14中任一项所述的方法。
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