关于通过数字通信总线控制功率开关的方法和装置制造方法

关于通过数字通信总线控制功率开关的方法和装置制造方法
【专利摘要】提供了可以用于控制起到电力转换器作用的一组功率开关的方法和装置。该方法包括提供一组功率开关和至少一个开关驱动器，每个功率开关可操作地将一组输入电力线中的一条输入电力线连接到输出电力线和将一组输入电力线中的一条电力线与输出电力线断开，每个开关驱动器设置相关的一个功率开关或多个功率开关的状态；通过控制器产生一组开关指令，每个指令表示所述功率开关中的相应的一个功率开关在某一时刻的期望的状态；将来自控制器的每个开关指令发送到包含与相应的功率开关相关联的开关驱动器的驱动器模块；在每个驱动器模块处接收用于其相关联的功率开关的开关指令并且引起每个开关驱动器相应地设置合适的功率开关的状态；其中，发送所述开关指令的步骤包括将关于所述开关的至少一个子集的指令复用为一连串的多位指令帧并且在串行通信信道上传输所述指令帧，并且其中，接收所述开关指令的步骤包括从所述通信信道接收所述多位指令帧并且从中提取各自的开关指令。该方法和装置可以例如在UPS系统中使用。
【专利说明】关于通过数字通信总线控制功率开关的方法和装置
[0001] 领域
[0002] 本发明大体涉及电力转换器，并且更特别地涉及用于控制例如可以在不间断电源 (UPS)系统中操作的功率开关的方法和装置。
[0003] 背景
[0004] 电力转换器通过脉冲宽度调制（PWM)电压源逆变器驱动器来向输出端提供可调 节的电压和频率。典型的电力转换器是具有两个或多于两个的例如可以简称为功率开关的 功率半导体开关的功率半导体器件的切换装置。例如，功率开关可以通过绝缘栅双极型晶 体管（IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)来实施。
[0005] 电力转换器可以在不间断电源（UPS)系统、电机等中使用。PWM信号在电力转换器 中使用，以便控制惯性电气设备的电力。当随着时间的推移被平均的时候，功率开关的占空 比（导通时间占总周期时间的比率）被改变以实现期望的平均输出电压、电流等。
[0006] 大型UPS系统可以使用集中式核心控制器。图7示出了用于在例如UPS系统的 电力转换器中使用的常规系统的示意图。例如IGBT开关指令的PWM信号通过各条导线 821-829从控制器800分配到大量的功率开关191-199。所述各条导线821-829通常被组 合成带状电缆。为了驱动电力转换器，有必要通过单根导线给驱动板发送开关指令信号。
[0007] UPS系统中的开关指令的数量可能在将来增加。PWM信号数量的增加、连同导线的 长度的增加给例如UPS系统的电力转换器的可靠性带来了挑战，这是因为电子系统的可靠 性经常与连接器引脚的数量相关联，并且UPS系统的可靠性将随着连接器引脚和导线数量 的增加而下降。开关指令是快速的和关键的信号，其对于在整个导线长度上的噪声是敏感 的。导线的数量的增加也使得电缆和连接器引脚的成本高昂并且占用UPS系统内的更多空 间。


【发明内容】

[0008] 提供了可以用于控制起到电力转换器作用的一组功率开关的方法和装置。
[0009] 根据本发明的实施例，提供了控制起到电力转换器作用的一组功率开关的方法。 该方法包括提供一组功率开关和至少一个开关驱动器，每个功率开关可操作地将一组输入 电力线中的一条与输出电力线连接和将输入电力线中的一条与输出电力线断开，每个开关 驱动器设置相关联的一个功率开关或多个功率开关的状态；通过控制器产生一组开关指 令，每个指令表示所述功率开关中的相应的一个功率开关在某个时刻的期望的状态；将来 自控制器的每个开关指令发送到包括与相应的功率开关相关联的开关驱动器的驱动器模 块；在每个驱动器模块处接收关于其相关联的功率开关的开关指令并且引起每个开关驱动 器相应地设置合适的功率开关的状态；其中，发送所述开关指令的步骤包括将关于所述开 关的至少一个子集的指令复用为一连串的多位指令帧并且在串行通信信道上传输所述指 令帧，并且其中，接收所述开关指令的步骤包括从所述通信信道接收所述多位指令帧并且 从中提取各自的开关指令。
[0010] 根据本发明的另一个实施例，提供了用于在具有一组功率开关的电力转换器中使 用的控制器。控制器被配置为：产生一组开关指令，每个开关指令表示电力转换器的所述功 率开关中的相应的一个功率开关在某个时刻的期望的状态；将关于所述功率开关的至少一 个子集的指令复用为一连串多位指令帧；在串行通信信道上向与相应的功率开关相关联的 驱动器模块发送指令帧。
[0011] 根据另外的实施例，提供了用于在具有一组功率开关的电力转换器中使用的驱动 器模块。驱动器模块被配置为：通过串行通信信道从控制器接收一连串的多位指令帧，所述 多位指令帧包括其相关联的功率开关的开关指令，每个指令表示所述功率开关中的相应的 一个功率开关在某个时刻的期望的状态；从多位指令帧中提取各自的开关指令；相应地设 置合适的功率开关的状态。
[0012] 根据本发明的又一个实施例，提供了电力转换器装置。电力转换器装置包括至少 一个以上所述的控制器和至少一个以上所述的驱动器模块。
[0013] 本发明的另外的特征和优点以及本发明的各个实施例的结构和操作在下文参考 附图进行详细描述。值得注意的是，本发明不限于本文描述的具体实施例。这些实施例在 本文呈现仅仅用于说明性的目的。基于本文包含的教导，对于相关领域的技术人员来说，附 加的实施例将是明显的。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 并入本文并且形成说明书的一部分的附图，说明了本发明并且结合描述，进一步 用于解释本发明的原理并且使相关领域的技术人员能实现和使用本发明。本发明的实施例 仅仅通过举例的方式参考附图进行描述。
[0015] 图1是根据本发明的实施例的电力转换器中的通信系统的示意图。
[0016] 图2示出了用于在图1的通信系统中的传输信号的示例性数据帧。图3示出了构 成图1中示出的电力系统的一部分的三相电力逆变器的示例性电路图。
[0017] 图4示出了用于控制图3中示出的电路的支路330上的功率开关的示例性波形。
[0018] 图5示出了根据本发明的实施例的通信系统的框图。
[0019] 图6示出了根据本发明的实施例的电力转换器的操作的流程图。
[0020] 图7示出了用于在电力转换器中使用的常规系统的示意图。
[0021] 图8示出了构成图1中示出的电力系统的一部分的中性点箝位电力拓扑结构的示 例性电路图。
[0022] 图9示出了构成图1中示出的电力系统的一部分的快速电容器（flying capacitor)电力拓扑结构的示例性电路图。
[0023] 图10示出了构成图1中示出的电力系统的一部分的有源中性点箝位电力拓扑结 构的示例性电路图。

【具体实施方式】
[0024] 图1描绘了构成电力转换器装置的一部分的示例性通信系统100。例如，通信系统 100可以用于将来自控制器的PWM开关指令传输到用于控制例如在UPS系统中起到电力转 换器作用的IGBT的功率开关的一组开关驱动器。
[0025] 通信系统100包括控制器110、驱动器模块170、180和190、以及通信信道130。例 如，控制器110可以采取基于现场可编程门阵列（FPGA)电路的核心控制板的形式。驱动器 模块170-190中的每个驱动器模块通过开关驱动器与一组功率开关相关联。每个开关驱动 器具有相关联的功率开关。因此，每个驱动器模块可以通过其开关驱动器接通或关断其相 关联的功率开关，即设置其功率开关中的一个功率开关的状态。例如，驱动器模块170具有 三个功率开关191U92和193,并且功率开关191U92和193中的每个功率开关都可以是 IGBT。每个功率开关可以将一组输入电力线（总线）中的一个连接到输出电力线并且可以 将一组输入电力线（总线）中的一个与输出电力线断开。驱动器模块170-190和功率开关 191-199仅仅作为实例示出并且通信系统100可以具有比图1中示出的那些更多或更少的 驱动器模块和/或功率开关。可以有一些输入电力线和/或一些输出电力线。例如，转换器 可以具有九个驱动器模块。驱动器模块170-190中的每个驱动器模块可以例如基于具有用 于驱动开关的合适的模拟电路的现场可编程门阵列（FPGA)。例如，电力转换器可以适于产 生三相电力、或适于仅仅产生单相电力。通信信道130是用于将来自控制器110的指令帧 150传输到驱动器模块170-190的复用通信总线。从控制器110到驱动器模块170-190的 每个指令帧150包括关于功率开关191-199中的至少一个子集的一组开关指令。每个开关 指令可以表示功率开关191-199中的一个功率开关的期望的状态。如本文描述的术语"一 组"是指一个或多于一个。
[0026] 当驱动器模块170-190将要驱动功率开关191-199时，功率开关191-199可以被 分组成功率开关的不同子集。功率开关的不同子集中的每个子集可以由单个驱动器模块驱 动。例如，功率开关191-193可以构成功率开关的子集并且可以由驱动器模块170驱动。在 另一个实例中，功率开关的不同子集中的每个子集可以由不同的驱动器模块驱动。每个驱 动器模块包括多个开关驱动器并且具有与通信信道130的单个接口。例如，功率开关191、 194和197可以构成功率开关的子集并且相应地由驱动器模块170、180和190驱动。因此， 利用指令帧150中的一组开关指令，在同一时刻通过多个驱动器模块接收指令帧150并且 相应地设置合适的一个功率开关或多个功率开关的一个状态或多个状态是可能的。因为对 在不同的驱动器模块上接通或关断功率开关的定时是电力转换器系统中的重要因素，故将 开关指令的子集复用到单个指令帧150中的作用是使在同一时刻通过单个通信信道130将 指令帧150发送到多个驱动器模块，同时还避免通过多条通信导线和连接器引脚发送开关 指令成为可能。
[0027] 通信系统100还可以包括用于将来自驱动器模块170-190中的一个驱动器模块的 应答帧160传输到控制器110的第二独立通信信道140。驱动器模块170-190中的每个驱动 器模块可以使用通信信道140来将应答帧160传输到控制器110。应答帧160是从驱动器 模块170-190中的一个驱动器模块到控制器110的确认并且响应于指令帧150进行发送。 然而，通信信道130可以被配置为具有在控制器110和驱动器模块170-190之间的双向数 据传输。在这种情况下，将没有必要采用用于传输应答帧160的独立的通信信道140,并且 应答帧160可以通过通信信道130从驱动器模块170-190中的一个传输到控制器110。然 而，在这种情况下，信道130携带时间要求严格的指令帧的能力可能被削弱。从控制器110 传输帧到驱动器模块170-190的专用通信信道130的作用是具有可预测的传输延迟，这是 因为通信信道130不受发送应答帧的驱动器模块影响。由于使用了通信信道130,所以没 有必要进行冲突管理。归功于独立的通信信道140,每个驱动器模块可以在接收帧后应答。 该应答帧能够在控制器向另一个驱动器模块发送指令帧的同时到达控制器110。应当注意， 在变形中，功率开关的子集由全部响应于相同的指令帧的一些驱动器模块驱动，确认/应 答机制将需要进行调整使得驱动器模块170-190避免通过信道140发送应答帧160,抑或在 驱动器模块之间提供一些冲突管理方案。
[0028] 通信信道130和140中的每个通信信道可以是低压差分信号（LVDS)系统。这样 的LVDS系统可以被配置为在控制器110和驱动器模块170-190之间带来单向或双向数据 传输。例如，本实施例中的通信信道130包括两端用电阻器120端接的主传输线，并且控制 器110和驱动器模块170-190在主传输线上互连。
[0029] 通信信道130和140中的每个通信信道是串行通信信道。这样的串行通信信道可 以包括一个或多个串行链路。LVDS系统可以根据各种LVDS标准进行选择，并且在该实例 中，其是所谓的多点LVDS。多个串行链路可以用于冗余保证或增加数据速率的目的。独立 的回程信道140的提供实现了拓扑结构全双工。
[0030] 技术人员应当理解，除LVDS系统以外的系统也可以用于通信信道130和140的目 的。例如，通信信道130和140可以是无线通信信道或类似光纤的光信道。
[0031] 如上所述，通信信道130和140向通信系统100提供全双工拓扑结构（具有专用的 应答信道140)。利用这种拓扑结构，控制器110可以充当发送器以通过信道130向驱动器 模块170-190发送指令，并且驱动器模块170-190可以充当接收器以接收从控制器110发 送的指令。在回程信道140上，驱动器模块170-190中的每个驱动器模块可以充当发送器 以向控制器110发送应答，并且控制器可以充当接收器以接收来自驱动器模块的应答。因 此，信道130是1到N的通信信道，并且信道140是N到1的通信信道。
[0032] 指令帧150和应答帧160可以分别具有如图2中示出的示例性的传输帧210和 220的格式。帧150和160根据由发送器和接收器两者约定的协议进行发送。这样的协议 可以基于DVB异步串行接口（EN 50083-9)的传输层并且包括8b/10b编码器。技术人员将 理解，巾贞150和160不限于图2中不出的传输巾贞并且可以基于允许承载巾贞210和220的一 些其它的协议。协议可以具有错误控制系统。协议还可以具有纠错码。这样的代码能够用 于自动纠正一些传输错误。其改进了传输系统性能，因为其避免了再次传输损坏的帧所损 耗的时间。
[0033] 根据图2,该实例中的指令帧210的长度是16位。关于一组功率开关的开关指令 可以被分组成一连串的帧210。每个帧210可以包含关于功率开关的至少一个子集的开关 指令。因此，不同的帧210可以包含关于功率开关的不同子集的开关指令。这样的功率开 关的子集可以由同一个驱动器模块驱动。驱动器模块可以包括一组开关驱动器。可以根 据它们的功能将开关从逻辑上分组为子集，而不管它们是否被物理驱动到特定的驱动器模 块。例如，构成通信系统100的电力转换器中的单个"支路"的一部分的两个或多于两个的 功率开关可以被故意地分配到同一个子集。帧210包括头字段212、地址字段214以及状态 字段216。
[0034] 头字段212具有被配置为包含给驱动器模块170-190指示指令帧210是基于哪种 类型的协议的协议信息的四位。然而，技术人员应当理解的是，如果控制器110和驱动器模 块170-190之间的数据传输基于单层传输协议，则帧210不需要包含头字段212,因此提供 了帧210包含其它的有用的信息或被缩短的灵活性。
[0035] 地址字段214被配置为包含目标开关驱动器的子集的地址信息，或每个具有不同 的开关驱动器的驱动器模块的子集的地址信息。在该实例中，四位地址字段214能够区分 高达16个子集开关驱动器或驱动器模块。例如，可以为通用于所有接收者的启动指令或紧 急指令的特定功能分配一个或多个地址值。技术人员应当理解的是，如果帧210内的数据 位的最大数目多到足以代表功率开关的不同子集的最大数量时，则帧210可以不需要包含 地址字段214。
[0036] 状态字段216被配置为包含将一个或多个功率开关的一个期望状态或多个期望 状态组合在一起的开关指令信息。因此，将多个开关指令复用为单个帧210并且通过复用 通信信道130将帧210发送到驱动器模块170-190是可能的，从而为控制器提供了通过单 个通信信道130与一组驱动板进行通信的可能性，以便控制大量的功率开关。该实例中的 状态字段216中的位数为八。这意味着可以用单个帧命令高达八个单独的开关，并且可以 带来控制八个单独的功率开关中的一致性，其超过了电力支路中的功率开关的通常数量 (从2到6)。在电力转换器中有多于八个开关的情况下，地址字段214识别开关的哪个子 集被这些特定的状态位编址。在已知两个或多于两个的开关将总是同时开关的情况下，它 们可以共享一个状态位。然而，一般而言，将优选的是每个开关被其状态位唯一编址。
[0037] 允许通过控制器和一组驱动器模块之间的单根导线的复用信号通信减少了连接 器引脚的数量并且增加了系统可靠性。将电磁兼容性（EMC)屏蔽应用到单根导线比应用到 多根导线也更容易。
[0038] 根据图2,应答帧220的长度是16位。帧220是应答帧160的实例，并且技术人员 可以理解的是，也可以使用其它类型的应答帧160。帧220可以被配置为是数据帧，其包括 驱动器模块错误码、驱动器模块状态、通信错误码、以及例如IGBT温度的驱动器模块测量 结果中的至少一个。该实例中的帧220包括帧状态字段222、驱动器状态字段224、数据ID 字段226、以及数据字段228。
[0039] 帧状态字段222是2位，其配置为表示由驱动器模块接收的指令帧210是正确的 和该指令帧210包含的开关指令是否被应用以切换相关的功率开关。例如，如果帧状态字 段222包含'11'，那么这意味着由驱动器模块接收的指令帧210是正确的，并且该指令帧 210包含的开关指令被应用以切换相关的功率开关；并且如果帧状态字段222包含' 10'，那 么这意味着由驱动器模块接收的指令帧210是不正确的并且该指令帧210包含的开关指令 不被应用以切换相关的功率开关。
[0040] 驱动器状态字段222是2位，其被配置为表示驱动器状态。例如，'11'表示处于 运行模式的驱动器；'01'表示处于配置模式的驱动器；'〇〇 '表示处于故障模式的驱动器； '10'可以被保留以用于将来的某些用途。
[0041] 数据ID字段226是4位，其被配置为表示哪种类型的数据被包含在数据字段228 中。例如，'〇〇〇〇'可以表示数据字段228中包含的数据是一组功率开关的温度信息；'1000' 可以表示数据字段228中包含的数据是驱动器模块的温度信息；'1001'可以表示数据字段 228中包含的数据是驱动器模块的错误码信息；'1010'可以表示数据字段228中包含的数 据是一组功率开关的状态信息。
[0042] 数据字段228是8位，其被配置为包含由数据ID字段226表示的任何特定类型的 数据。
[0043] 因为帧160是使用关于相应的指令帧210的固定的定时从目标驱动器模块对控制 器110的应答，故没有必要包含帧220中的目标开关驱动器或驱动器模块的地址信息。
[0044] 利用图2中示出的示例性的帧210和220,通信系统100具有交换包含可以例如是 测量结果、设备状态以及错误等不同类型的信息的数据的能力。
[0045] 在通信系统100中，如果一组功率开关由一个驱动器模块驱动，那么用于设置该 组功率开关的状态的抖动或时间变化是零，这是因为所有的开关指令都被包含在单个指令 帧150中。如果响应于不同的指令帧的一组功率开关被不同的驱动器模块驱动，那么就存 在抖动。此外，关于帧的传输时间或时延可以根据数据速率和帧的长度改变。例如，如果存 在九个驱动器模块，那么最短的传输时间是一个巾贞的传输时间，并且最长的传输时间是九 个帧的传输时间。通信系统1〇〇可以被配置为没有额外的时间变化，例如，这可能是由于基 于FPGA和没有流水线等的系统设计。因此，可以选择通信系统100的数据速率以获得较之 例如切换周期和死区时间的系统的主要常量是可以忽略的抖动和时延。作为实例，如果传 输协议是DVB异步串行接口（EN 50083-9)传输层协议，则数据速率是每秒500兆比特。如 果帧长度是16位，则帧持续时间是32ns，并且最大时延是256ns。如果开关持续时间是从 大约50μ s到200μ s并且死区时间是大约2μ s，则相对于开关持续时间和死区时间，时延 是可以忽略。
[0046] 通信系统100有必要在瞬间立即停止驱动器模块170-190中的每个驱动器模块 的所有的功率开关。为了实现这个目标，专用帧可以通过控制器110发送到驱动器模块 170-190。这样的专用帧可以不同于用于转移信号150和160的帧。例如，专用帧的长度可 以短于用于传输巾贞150和160的巾贞的长度。在驱动器模块170-190接收专用巾贞之后，驱动 器模块170-190立即停止它们所有的功率开关。
[0047] 图3示出了采取构成图1中示出的电力系统的一部分的三相逆变器的形式的示例 性电力转换器300的电路图。在图3中，驱动器模块170通过六个开关驱动器342-364控 制电力转换器300的三个支路。每个支路包括顶部功率开关和底部功率开关。例如，支路 330包括顶部IGBT 332和底部IGBT 334。
[0048] 技术读者将理解的是，电力系统的电力转换器不限于将DC电力转换为AC电力的 这种示例性逆变器300。例如，电力转换器还可以用于将电力从主输入转换为内部的DC电 压、从DC电压转换到电池、从内部DC电压转换为第二内部DC电压。因此，电力转换器的其 它拓扑结构是可能的，不仅仅是图3中示出的逆变器。
[0049] 驱动器模块170包括具有接口 176的用于接收指令帧210和发送应答帧220的接 口模块174。接口 176被配置为与用于数据传输的通信信道130和140合作。例如，接口 176可以是串行总线接口或无线收发器模块。一旦通过接口 176接收到指令帧210,接口模 块174就可以从帧210中提取各自的开关指令，并且同时将各个开关指令发送到开关驱动 器342-364中的每个开关驱动器。驱动器模块170可以控制电力转换器的一个或多个支路 以向负载320提供来自电源310的电力。
[0050] 在该简单的示例中，每个支路与向负载320提供三相供电的独立的输出线是相关 联的。技术人员应当理解的是，在图1中示出的电力系统可以使用其它的电力拓扑结构，例 如多电平逆变器、DC升压转换器、Η桥逆变器。这些拓扑结构可以包括每个支路多于两个开 关（IGBT)。例如图8示出了其中一条支路910包括四个开关的中性点箝位电力拓扑结构。 图9示出了其中一条支路920包括六个开关的快速电容器电力拓扑结构。图10示出了其 中一条支路930包含六个开关的有源中性点箝位拓扑结构。在每个实例中，设计者可以识 别例如那些构成支路330、910、920、930且使用同一个指令帧应该就可以以接近于同步的 方式切换的开关的子集。一些实施例的特征在于，关于相同的支路中的开关的指令在相同 的子集中被组合在一起并且通过相同的帧进行控制。以这种方式，关于相同的支路之内的 开关的指令的相对定时可以被保持严格控制，同时还可以实现对通过一条串行通信信道复 用指令的好处。
[0051] 图4示出了用于控制图3中示出的支路330上的功率开关332和334的示例性波 形。这些波形在控制器110(图1)内生成。图4中的顶部波形460示出了用于支路330的 理想PWM波形。
[0052] 响应于PWM波形460,控制器110和通信系统的目的是确保驱动器模块170在一 个时刻（420)关断顶部IGBT 332并且经过一段时间延迟410后在另一个时刻（430)接通 底部IGBT 334。时间延迟410可以在0. 3ys和3ys之间。时间延迟410,也称为死区时 间，其确保两个晶体管不能在相同的时刻导通。死区时间410对于防止电源310通过支路 330上的电力转换器332和334的短路是有必要的。例如，控制器110可以根据电力转换 器上的总电力需求产生用于支路330上的功率开关332和334的波形460。根据死区时间 410,控制器110然后分别确定用于功率开关332和334的波形470和480。这些波形470 和480代表通常通过独立的导线被传送给合适的开关驱动器的开关指令。
[0053] 为了通过复用信道130传送这些指令，控制器110在时刻420将第一帧210发送 到驱动器模块170。一旦接收到帧210,驱动器模块170就提取对应于开关332和334的状 态位并且在时刻420关断顶部IGBT 332。在自时刻420的死区时间410之后，控制器110 在时刻440将第二帧210发送到驱动器模块170并且驱动器模块170在时刻430接通底 部IGBT334。控制器110在时刻430将第三帧210发送到驱动器模块170。一旦接收到帧 210,驱动器模块170就在时刻440关断底部IGBT 334。在自时刻430的死区时间410之 后，控制器110在时刻450将第四帧210发送到驱动器模块170,并且驱动器模块170在时 刻450接通顶部IGBT 332。为了按顺序发送帧210,控制器110可以具有传输堆栈模块以 储存例如预先确定的用于根据波形470和480控制支路330上的功率开关332和334的帧 210。传输堆栈模块被配置为根据先入先出（FIFO)原理来缓存帧210。可以预先确定传输 堆栈模块的尺寸（例如，其可以是平均尺寸或最大尺寸/最小尺寸）和传输时间延迟。延 迟或在延迟上的至少一个变化应当比在切换中需要的时间分辨率小得多。应当相应地解释 所提及的"时刻"。
[0054] 为了防止在控制器110和驱动器模块170-190中的一个驱动器模块之间的传输帧 中的异常时间延迟或传输错误，驱动器模块170在服从从指令帧中提取的指令之前可以实 施额外的检测。一种这样的检测是包含死区时间安全模块以确保在例如支路330的支路中 的一个支路上的状态变换之后，该支路上在死区时间周期中没有其它的状态变化。这样的 死区时间安全模块可以防止由于异常时间延迟或传输错误而在死区时间期间改变功率开 关状态的冲突。此外，驱动器模块170-190中的每个驱动器模块都可以包含短路检测，以确 保不服从表现为导致例如支路330的支路中的一个支路上的短路的指令。模块170可以通 过指示错误的帧160返回错误消息。
[0055] 图5描绘了根据本发明的第二个实施例的示例性通信系统500。通信系统500类 似于图1中示出的通信系统1〇〇。然而，通信系统500包括用于将指令帧150传输到驱动器 模块170-190的附加的独立通信信道132。因此，控制器110可以通过通信信道130和132 并可选地使用少量的时间延迟将两个相同的指令帧150并行传输到驱动器模块170-190。 驱动器模块170-190中的每个驱动器模块都具有错误控制模块以处理分别通过通信总线 130和132传输的重复的指令帧150。例如，错误控制模块比较两个指令帧150的内容是否 相同，并且如果两个指令帧150的内容不相同，那么错误控制模块确定指令帧150中的至少 一个指令帧是错误的并且请求控制器110重新发送指令帧150。
[0056] 图6示出了根据本发明的以上实施例的用于控制起到电力转换器作用的一组功 率开关191-199的示例性方法700。方法700可以例如被用在UPS系统中。该方法提供了一 组功率开关191-199和驱动器模块170-190。功率开关191-199中的每个功率开关可操作 地将输入电力线中的一条电力线连接到输出电力线并且将输入电力线中的一条电力线从 输出电力线断开。功率开关191-199由驱动器模块170-190驱动并且驱动器模块170-190 中的每个驱动器模块可操作地通过开关驱动器设置功率开关的状态。
[0057] 702.控制器110产生关于来自功率开关191-199的功率开关的至少一个子集（例 如，功率开关191-193)的各自的开关指令。每个各自的开关指令表示功率开关在某一时刻 的期望的状态。控制器110可以通过根据电力转换器的PWM波形的采样，并且产生对应于 在图4中示出的通过传输堆栈的示例性波形470、480对应的开关指令事件来产生各自的开 关指令。
[0058] 710.对于每个指令事件，控制器110将指令帧150发送到驱动器模块170-190。 指令帧150是多位帧。多位帧可以采取以上所述的形式。为了发送指令帧150,控制器110 将各自的指令组合在一起成为指令帧150的状态位字段。应当注意的是，可以携带关于所 有被编址的开关的状态位，即使在仅仅是开关中的一个开关应当改变状态的情况下也是如 此。
[0059] 712.驱动器模块170-190接收指令帧150。
[0060] 当两个通信信道130U32被并行用于冗余保证和错误保护时，方法700还可以包 括步骤714和716。
[0061] 714.控制器110在第二时刻通过并行信道将相同的指令帧150发送到驱动器模块 170-190。第二时刻不同于步骤710中的时刻，并且在第一时刻和步骤710中的时刻之间的 时间差可以仅仅是帧中的两个位的持续时间，其可以例如在5和50纳秒之间。选择帧中的 两个位的持续时间的延迟的原因是，在两个指令帧150的相同的位位置处完全没有发生位 错误，其还给错误检测模块额外的机会以检测和/或校正传输错误。
[0062] 716.驱动器模块170-190接收相同的指令帧150。
[0063] 722.驱动器模块170-190中的每个驱动器模块的错误控制模块执行错误检测。 应当理解的是，在步骤722中，驱动器模块的错误控制模块可以使用两个接收到的指令帧 150,以通过比较在步骤710中的时刻发送的指令帧150是否和在步骤712中的第二时刻发 送的指令帧150相同来执行错误检测。如果两个指令帧150是不同的，那么错误检测失败 并且驱动器模块170-190中的一个驱动器模块可以将表示这种失败的应答发送到控制器 110。在这样的情况下，可以不必执行方法700的以下步骤。一旦接收到这样的应答，控制 器110就可以再次执行方法700。然而，应当理解的是，如果驱动器模块由于指令帧150的 错误不能读取帧150的地址，那么驱动器模块就不能给控制器110发送应答。
[0064] 由于噪声干扰或电磁干扰等，可能在帧中发生错误。存在检测帧中的错误的一些 方式。例如，由控制器和驱动器模块170-190使用的用于数据传输的协议可以具有用于检 测在数据传输期间的错误的错误控制机制，例如，其可以是帧210和220中的纠错码或用于 循环冗余校验（CRC)的字段。如果纠错码被用于错误检测，那么纠错码可以包括用于接收 器恢复没有错误的数据的额外的信息。尽管额外的信息可以增加帧的长度并且具有少量的 传输延迟，但其可以避免帧的重传。如果CRC字段被用于错误探测，那么CRC字段可以作为 具有3位或4位的附加字段被添加到图2中所示的帧210和220中，使得帧210和220的 长度超过16位。
[0065] 如果错误检测失败，那么驱动器模块170-190中的至少一个驱动器模块可以向控 制器110发送表示这种失败的应答，并且不必执行以下的步骤。一旦接收到这样的应答，控 制器110就可以再次执行整个方法700,或首先重复发送帧。然而，如果错误检测失败，那么 驱动器模块没有必要做出应答，这是因为如果控制器110没有从驱动器模块170-190中的 一个驱动器模块接收到任何确认，则控制器110就知晓已经发生传输错误。如果驱动器模 块理解指令帧，则驱动器模块可以仅仅向控制器发送应答帧。
[0066] 728.驱动器模块170-190中的每个驱动器模块确定指令帧150是否是关于自身 的。因为指令帧150包括包含开关的子集的地址的地址字段，故驱动器模块170-190中的 每个驱动器模块都可以根据地址字段中的信息确定其是否应该根据指令帧150设置其功 率开关中的一个或多个功率开关的状态。
[0067] 730.如果驱动器模块170-190中的一个驱动器模块确定指令帧150是关于自身 的，那么该驱动器模块执行关于指令帧150中的开关指令中的任何一个开关指令是否将与 死区时间限制冲突和/或是否导致电力转换器的支路上的短路的检测。
[0068] 732.如果驱动器模块170-190中的一个驱动器模块确定指令帧150不是关于自身 的，那么该驱动器模块忽略该指令帧150。
[0069] 734.响应于在730处的肯定判定的确定，驱动器模块向控制器110发送应答中贞 160以作为对开关指令信号150的应答。应答帧160可以包括表示730中的死区时间/短 路检测的失败的错误。应当理解的是，当专用的通信信道140被用于传输应答帧160时，发 生对控制器110进行应答的步骤734。然而，如果专用的通信信道140是不存在的，则不发 生对控制器110进行应答的步骤734。在这种情况下，因为控制器110不知晓指令帧150中 的指令是否被接收并且是否被应用到相关的功率开关，故有必要在指令帧150中包括纠错 码，使得指令帧150中的错误可以通过驱动器模块170-190进行校正。
[0070] 736.根据各自的开关指令，驱动器模块通过开关驱动器设置功率开关的状态来控 制相关的功率开关中的一个或多个功率开关。然而，如果指令帧150在722中的错误检测 失败或在730中的死区时间/短路检测失败，则驱动器模块可以不执行该步骤。
[0071] 740.控制器110接收在步骤734中发送的应答帧160。控制器110可以使用应答 帧160中包含的数据以用于很多目的。例如，在应答帧160包含的数据表示死区时间冲突 和/或例如驱动器模块上的过高温度的驱动器模块的异常操作状态的情况下，控制器110 可以停止一个或多个驱动器模块170-190,并且甚至可以停止电力转换器装置。
[0072] 技术人员应当理解的是，每当有必要在通信系统100中发送PWM开关指令时，可以 如上所述执行方法700。例如，控制器可以周期性地对所有功率开关的请求的状态进行采 样。每次控制器检测到功率开关的请求的状态已经改变时，其发送包含相应的开关状态的 指令帧150。如果驱动器模块的功率开关暂时还没有改变，则控制器可以向驱动器模块发送 指令帧150,以用于通过专用的通信信道140接收应答帧160来从驱动器模块获得数据信息 的目的。如果需要的话，可以更加频繁地重复该方法来发送指令帧的连续流。
[0073] 尽管本发明的具体实施例已经在上面进行了描述，但是应当理解的是，本文描述 的实施例可以以硬件、软件、固件、中间件、微码或其任何组合的形式实施。例如，本发明可 以采取包含一个或多个机器可读指令序列的计算机程序的形式，当机器可读指令序列被计 算机执行时，引起计算机执行以上描述的一种或多种方法。
[0074] 当实施例以软件、固件、中间件或微码、程序代码或代码段的形式实施时，它们可 以被储存在例如储存构件的机器可读介质中。术语"机器可读介质"可以包括而不限于，无 线信道和能够储存、包含和/或携带指令和/或数据的各种其它介质。代码段可以代表流 程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任 何组合。代码段可以通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容耦合到另 一个代码段或硬件电路。可以使用包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等的任 何合适的方式来传递、转发或传输信息、自变量、参数、数据等。
[0075] 对于软件实施方式，本文描述的技术可以用执行本文描述的功能的模块（例如过 程、函数等）来实施。软件代码可以储存在存储单元中并且由处理器执行。存储单元可以 在处理器内或处理器外部实施，在这种情况下，其可以通过如本领域中公知的各种方式通 信地耦合到处理器。
[0076] 对于硬件实施方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路（ASIC)、数字信 号处理器（DSP)、数字信号处理设备（DSPD)、可编程逻辑设备（PLD)、现场可编程门阵列 (FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计为执行本文描述的功能的其它电子单 元或其组合内实施。以上描述的所有的过程可以在通过由一个或多个通用电子设备或处理 器执行的功能代码模块中具体实现并且其被完全自动化。代码模块可以储存在任何类型的 非暂时性机器可读介质或其它的储存设备中。本方法中的一些或所有可以可选地用专用硬 件具体实现。根据实施例，非暂时性机器可读介质可以是硬盘驱动器、压缩盘、数字视频盘、 磁带驱动器或其它合适的储存介质。
【权利要求】
1. 一种用于控制起到电力转换器作用的一组功率开关的方法，所述方法包括： 提供一组功率开关和至少一个开关驱动器，每个功率开关可操作地将一组输入电力线 中的一条输入电力线连接到输出电力线和将一组输入电力线中的一条输入电力线与输出 电力线断开，每个开关驱动器设置相关联的一个功率开关或多个功率开关的状态； 通过控制器产生一组开关指令，每个指令表示所述功率开关中的相应的一个功率开关 在某个时刻的期望的状态； 将来自所述控制器的每个开关指令发送到包含与所述相应的功率开关相关联的开关 驱动器的驱动器模块； 在每个驱动器模块处接收关于其相关联的功率开关的开关指令并且引起每个开关驱 动器相应地设置合适的功率开关的状态； 其中，发送所述开关指令的步骤包括将关于所述开关的至少一个子集的指令复用为一 连串的多位指令帧并且在串行通信信道上传输所述指令帧，以及 其中，接收所述开关指令的步骤包括从所述通信信道接收所述多位指令帧并且从中提 取各自的开关指令。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，关于所述功率开关的不同子集的开关指令被组 合在不同的指令帧中并且在不同的时间通过相同的通信信道进行发送。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，关于构成所述电力转换器中的单个支路的一 部分的功率开关的开关指令被组合在一个指令帧中。
4. 根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，每个指令帧包括关于由单个驱动器模块内 的开关驱动器驱动的功率开关的开关指令，同时关于由不同的驱动器模块内的开关驱动器 驱动的功率开关的开关指令被组合在不同的指令帧中并且在不同的时间通过相同的复用 通信总线进行发送。
5. 根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中，每个指令帧包括多个开关指令位 和识别与所述指令位相关的所述功率开关的子集的地址字段，其中每个位代表所述开关指 令中的一个开关指令。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述地址字段识别由包括多个开关驱动器并且 具有到所述串行通信信道的单个接口的单个驱动器模块驱动的开关的子集。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述地址字段识别由不同的单个驱动器模块驱 动的开关的子集，每个驱动器模块包括多个开关驱动器并且具有到所述串行通信信道的单 个接口。
8. 根据权利要求1到7中的任一项所述的方法，还包括： 在接收到所述开关指令之后，根据限定禁止的切换状态的预先确定的准则来检测所述 开关指令。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，在通过所述串行通信信道接收的开关指令导致 禁止的状态的情况下，错误消息被返回到所述控制器。
10. 根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述禁止的状态被限定为包括其中所述电 力转换器的支路中的两个功率开关同时接通并导致所述输入电力线的短路的状态。
11. 根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述禁止的状态被限定为包括其中没有在 所述电力转换器的支路中提供最小死区时间的状态。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述串行通信信道是低压差分信 号总线。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括： 响应于接收到的指令帧，通过第一通信信道向所述控制器发送来自所述功率开关的子 集中的至少一个子集的应答帧； 其中，所述控制器通过第二通信信道发送所述指令帧。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述应答帧通过所述第一通信信道被发送到 所述控制器，同时所述控制器通过第二通信信道发送所述指令帧。
15. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括： 在不同的时刻，通过独立的通信信道发送来自所述控制器的两个或多于两个的相同的 指令中贞。
16. -种用于在电力转换器中使用的控制器，所述电力转换器具有一组功率开关，所述 控制器被配置为： 产生一组开关指令，每个开关指令表示所述电力转换器的所述功率开关中的相应的一 个功率开关在某一时刻的期望的状态； 将关于所述功率开关中的至少一个子集的指令复用为一连串多位指令帧； 在串行通信信道上将所述指令帧发送到与所述相应的功率开关相关联的驱动器模块。
17. 根据权利要求16所述的控制器，其中，述控制器被配置为： 将关于所述功率开关的不同子集的开关指令组合为不同的指令帧并且在不同的时间 通过相同的通信信道进行发送。
18. 根据权利要求16或17所述的控制器，其中，所述控制器被配置为： 将关于构成所述电力转换器中的单个支路的一部分的功率开关的开关指令组合为一 个指令帧。
19. 根据权利要求16、17或18所述的控制器，其中，每个指令帧包括关于由单个驱动器 模块内的开关驱动器驱动的功率开关的开关指令，同时关于由不同的驱动器模块内的开关 驱动器驱动的功率开关的开关指令被组合在不同的指令帧中并且在不同的时间通过相同 的复用通信总线进行发送。
20. 根据权利要求16-19中的任一项所述的控制器，其中，每个指令帧包括多个开关指 令位和识别与所述指令位相关的所述功率开关的子集的地址字段，其中每个位代表所述开 关指令中的一个开关指令。
21. 根据权利要求20所述的控制器，其中，所述地址字段识别由包括多个开关驱动器 并且具有到所述通信总线的单个接口的单个驱动器模块驱动的开关的子集。
22. 根据权利要求20所述的控制器，其中，所述地址字段识别由不同的单个驱动器模 块驱动的开关的子集，每个驱动器模块包括多个开关驱动器并且具有到所述通信总线的单 个接口。
23. 根据权利要求16到22中任一项所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：在通 过所述串行通信信道接收到的开关指令导致禁止的状态的情况下，接收错误消息。
24. 根据权利要求23所述的控制器，其中，所述禁止的状态被限定为包括其中所述电 力转换器的支路中的两个功率开关同时接通并导致所述输入电力线的短路的状态。
25. 根据权利要求23所述的控制器，其中，所述禁止的状态被限定为包括其中没有在 所述电力转换器的支路中提供最小死区时间的状态。
26. 根据权利要求16到25中的任一项所述的控制器，其中，所述串行通信信道是低压 差分信号总线。
27. 根据权利要求16到26中的任一项所述的控制器，其中，所述控制器被配置为： 通过第一通信信道，接收来自所述功率开关的子集中的至少一个子集的应答帧； 其中，所述控制器通过第二通信信道发送所述指令帧。
28. 根据权利要求27所述的控制器，其中，所述控制器通过所述第二通信信道发送所 述指令帧，同时所述应答帧通过所述第一通信信道被发送到所述控制器。
29. 根据权利要求16到27中的任一项所述的控制器，其中，所述控制器被配置为在不 同的时刻通过独立的通信信道发送两个或多于两个的相同的指令帧。
30. -种用于在电力转换器中使用的驱动器模块，所述电力转换器具有一组功率开关， 所述驱动器模块被配置为： 通过串行通信信道从控制器接收一连串的多位指令帧，所述多位指令帧包括用于与其 相关联的功率开关的开关指令，每个指令表示所述功率开关中的相应的一个功率开关在某 一时刻的期望的状态； 从所述多位指令帧中提取各自的开关指令； 相应地设置合适的功率开关的状态。
31. 根据权利要求30所述的驱动器模块，其中，所述驱动器模块被配置为在不同的时 间通过相同的通信信道接收不同的指令帧； 其中，关于所述功率开关的不同子集的开关指令被组合在所述不同的指令帧中。
32. 根据权利要求30或31所述的驱动器模块，其中，关于构成所述电力转换器中的单 个支路的一部分的功率开关的开关指令被组合在一个指令帧中。
33. 根据权利要求30、31或32所述的驱动器模块，其中，每个指令帧包括关于由单个驱 动器模块内的开关驱动器驱动的功率开关的开关指令。
34. 根据权利要求30到33中的任一项所述的驱动器模块，其中，每个指令帧包括多个 开关指令位和识别与所述指令位相关的所述功率开关的子集的地址字段，其中每个位代表 所述开关指令中的一个开关指令。
35. 根据权利要求34所述的驱动器模块，其中，所述地址字段识别由包括多个开关驱 动器并且具有到所述串行通信信道的单个接口的单个驱动器模块驱动的开关的子集。
36. 根据权利要求34所述的驱动器模块，其中，所述地址字段识别由不同的单个驱动 器模块驱动的开关的子集，每个驱动器模块包括多个开关驱动器并且具有到所述串行通信 信道的单个接口。
37. 根据权利要求30到36中的任一项所述的驱动器模块，其中，所述驱动器模块被配 置为： 在接收到所述开关指令之后，根据限定禁止的开关状态的预先确定的准则检测所述开 关指令。
38. 根据权利要求37所述的驱动器模块，其中，所述驱动器模块被配置为： 在通过所述串行通信信道接收到的开关指令导致禁止的状态的情况下，向所述控制器 发送错误消息。
39. 根据权利要求37或38所述的驱动器模块，其中，所述禁止的状态被限定为包括其 中所述电力转换器的支路中的两个功率开关同时接通并导致所述输入电力线的短路的状 态。
40. 根据权利要求37或38所述的驱动器模块，其中，所述禁止的状态被限定为包括其 中没有在所述电力转换器的支路中提供最小死区时间的状态。
41. 根据权利要求30到40中的任一项所述的驱动器模块，其中，所述串行通信信道是 低压差分信号总线。
42. 根据权利要求30到41中的任一项所述的驱动器模块，其中，所述驱动器模块被 配置为通过第一通信信道向所述控制器发送应答帧，并且通过第二通信信道接收所述指令 帧。
43. 根据权利要求42所述的驱动器模块，其中，所述驱动器模块被配置为通过所述第 一通信信道向所述控制器发送所述应答帧，同时所述控制器通过所述第二通信信道发送所 述指令中贞。
44. 根据权利要求30到43中的任一项所述的驱动器模块，其中，所述驱动器模块被配 置为在不同的时刻通过独立的通信信道接收来自所述控制器的两个或多于两个的相同的 指令帧。
45. -种电力转换器装置，包括： 至少一个根据权利要求16到29中的任一项所述的控制器； 至少一个根据权利要求30到44中的任一项所述的驱动器模块。
【文档编号】H02M1/084GK104160601SQ201280071194
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年1月5日 优先权日:2012年1月5日
【发明者】帕特里克·尚邦 申请人:美国能量变换公司