脉冲驱动系统及脉冲驱动方法与流程

本发明涉及电源转换技术领域，尤其涉及一种脉冲驱动系统及脉冲驱动方法。

背景技术：

随着全球气候变暖以及大气污染加剧，节能环保日益受到全社会更加广泛的关注。而电力电子变换技术，不论是在节能效果显著的变频调速领域，还是在清洁无污染的新能源发电领域，都发挥了不可替代的巨大作用。在大功率变换领域，通常主控制单元与功率模块之间通过光纤和高压隔离电源隔离。对于每一个功率开关而言，主控制单元用一根光纤将其对应的脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation，简称PWM)信号传递到此开关管的门级驱动电路。同时，门级驱动电路也用一根光纤，将此功率开关的保护信号发送到低压控制侧。

图1是高压大功率应用于中性点钳位(Neutral point clamped，简称NPC)三电平变换器PWM脉冲其中一相(以A相为例)驱动的系统架构示意图，具体包括主控制单元11和功率模块12两个主要组成部分。主控制单元11是系统的核心控制部分，一般负责系统电压、系统电流等信息的采样，控制算法的实现，系统时序的产生以及PWM开关信号的产生。一般，这些功能由数字控制芯片实现，数字控制芯片可由数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)、单片机甚至现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)/复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，简称CPLD)等芯片单独或者复合组成。而功率模块12是系统的执行机构，一般负责接收主控制单元11传递过来的PWM开关信号，产生相应的开关动作，进行功率电能变换。在大功率变换领域，功率模块12在开关动作时往往 产生很大的电压跳变，容易引起共模电流干扰。为了避免这种干扰影响到主控制单元11，在主控制单元11与功率模块12之间往往通过磁芯或者光产生隔离。如图1所示，利用磁隔离驱动S1-S4实现功率模块12与主控制单元11的隔离，又由于功率模块12中的每个功率开关均对应一隔离驱动，如“S1磁隔离驱动”131，“S2磁隔离驱动”132，“S3磁隔离驱动”133和“S4磁隔离驱动”134，功率模块12中的功率开关S₁，S₂，S₃，S₄的栅极驱动相互隔离，互不干扰。另外，功率模块12由于本身流经的电流大，承受的电压高，也需要与主控制单元11之间产生安全隔离，光纤由于抗干扰能力强，绝缘电压高等特点被广泛用在了大功率变换领域。参见图1，主控制单元11中的DSP芯片与各个磁隔离驱动之间均通过2根光纤传递信号，例如主控制单元11与S1磁隔离驱动131之间，通过发送光纤Fiber1传送PWM开关信号，通过接收光纤Fiber2传送功率开关S₁的故障保护信号。因此，包含四个功率开关的功率模块所需的光纤数量为4*2＝8根光纤。而对于NPC三相而言，共需要8*3＝24根光纤。可见，如果把两电平或者三电平的常规驱动方法简单的应用到五电平，七电平甚至九电平变换器之中，光纤数量大大增多，驱动电路也会变得繁琐。

随着大功率变换领域的发展，增加变换器的电平数，可有效提升其电气性能。但是随着电平数的增多，功率开关的数量也随之增多，随之带来的问题就是所需要的发送光纤和接收光纤的数量也随之增多，光纤的增多不仅会增加系统的成本，而且由于光纤的失效率比较高，还会大大降低系统的可靠性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种脉冲驱动系统及脉冲驱动方法，以解决现有技术电平书增多时所需光纤数量增多到来的增加成本降低系统可靠性的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种脉冲驱动系统，用于驱动多电平变换器，所述多电平变换器包含至少M个功率开关，M≥2，所述脉冲驱动系统包括主控制模块、本地控制模块和第一光纤；

主控制模块用于根据采样信息产生包含驱动信息的编码信息；

本地控制模块与所述多电平变换器电连接，所述本地控制模块输出控制信号至所述多电平变换器，控制所述多电平变换器的所述至少M个功率开关的导通和关断；

第一光纤与所述主控制模块、所述本地控制模块连接，所述本地控制模块通过所述第一光纤接收所述主控制模块输出的所述编码信息，并根据所述编码信息产生所述控制信号。

在本发明的一实施例中，所述驱动信息为脉冲信号。

在本发明的另一实施例中，所述驱动信息为调制信号，所述编码信息还包含第一同步信号，所述本地控制模块用于接收所述第一同步信号，并根据所述第一同步信号调节所述本地控制模块的第一三角波信号与所述主控制模块的第二三角波信号的相位保持一致。

在本发明的另一实施例中，所述主控制模块包括：

数据处理单元，用于接收所述多电平变换器的所述采样信息，配合控制算法，输出所述驱动信息；

第一控制单元，与所述数据处理单元电连接，用于接收所述驱动信息，所述第一控制单元对所述驱动信息进行编码并输出所述编码信息。

在本发明的另一实施例中，所述驱动信息为调制信号，所述数据处理单元还用于发送第二同步信号至所述第一控制单元，并根据所述第二同步信号调节所述第一控制单元的第二三角波信号与所述数据处理单元的第三三角波信号的相位保持一致。

在本发明的另一实施例中，所述主控制模块根据所述采样信息输出所述驱动信息，所述第一控制单元对所述驱动信息进行曼彻斯特编码，产生所述编码信息。

在本发明的另一实施例中，所述本地控制模块包括：

第二控制单元，接收包含所述驱动信息的所述编码信息，并对所述编码信息进行数据处理，得到脉冲信号；

隔离驱动单元，与所述第二控制单元电连接，用于接收所述脉冲信号，并根据所述脉冲信号输出所述控制信号。

在本发明的另一实施例中，所述隔离驱动单元中包括M个隔离驱动，且 所述隔离驱动与所述功率开关一一对应，所述隔离驱动的原边电性耦接所述第二控制单元，所述隔离驱动的副边电性耦接所述功率开关的控制端。

在本发明的另一实施例中，所述驱动信息为调制信号，所述第二控制单元还包含：

一解码单元，用于解码所述编码信息输出所述调制信号；

一脉冲产生单元，与所述解码单元电连接，用于接收所述调制信号，并通过比较所述调制信号与所述第二控制单元的第一三角波信号，输出所述脉冲信号。

在本发明的另一实施例中，于所述主控制模块发生故障时，所述驱动信息为第一故障信号，所述本地控制模块根据包含所述第一故障信号的所述编码信息输出故障控制信号，所述故障控制信号用于关断所述至少M个功率开关。

在本发明的另一实施例中，于所述多电平变换器发生故障时，所述本地控制模块输出的所述控制信号为故障控制信号，所述故障控制信号用于关断所述至少M个功率开关。

在本发明的另一实施例中，所述脉冲驱动系统还包含：

第二光纤，与所述主控制模块、所述本地控制模块连接，用于当所述多电平变换器发生故障时，所述本地控制模块传递第二故障信号至所述主控制模块，所述主控制模块根据所述第二故障信号封锁所述多电平变换器中的所述控制信号。

在本发明的另一实施例中，所述多电平变换器还包含：

飞跨电容单元，与所述本地控制模块电连接；

所述本地控制模块还用于接收所述飞跨电容单元的电容信息，并根据所述电容信息和所述编码信息产生所述控制信号；

所述多电平变换器接收包含所述电容信息和所述编码信息的所述控制信号，控制所述飞跨电容单元的电压以及所述至少M个功率开关的导通和关断。

在本发明的另一实施例中，当所述多电平变换器的中点输出电压相对于母线电容中点的电平影响到所述飞跨电容单元中的第一飞跨电容和第二飞跨电容的波动时，所述本地控制模块根据所述编码信息产生至少两个所述控制 信号，并根据所述电容信息选取所述至少两个控制信号的其中之一控制所述至少M个功率开关的导通和关断。

根据本发明的另一方面，还提供一种脉冲驱动方法，用于驱动多电平变换器，所述多电平变换器包含至少M个功率开关，M≥2，所述脉冲驱动方法包括：

接收所述多电平变换器的采样信息，并根据所述采样信息产生包含驱动信息的编码信息；

通过第一光纤接收所述编码信息，并根据所述编码信息产生所述控制信号；

根据所述控制信号控制所述多电平变换器的所述至少M个功率开关的导通和关断。

在本发明的另一实施例中，所述驱动信息为脉冲信号。

在本发明的另一实施例中，所述驱动信息为调制信号，通过第一光纤接收所述编码信息的步骤还包括：

通过所述第一光纤接收第一同步信号，并根据所述第一同步信号调节第一三角波信号与第二三角波信号的相位保持一致，其中所述第一三角波信号由本地控制模块产生，所述第二三角波信号由主控制模块产生。

在本发明的另一实施例中，根据所述采样信息产生所述编码信息的步骤还包括：

将所述采样信息经过控制算法得到所述驱动信息；

对所述驱动信息进行编码得到所述编码信息。

在本发明的另一实施例中，对所述驱动信息进行编码得到所述编码信息的编码方式为曼彻斯特编码。

在本发明的另一实施例中，根据所述编码信息产生所述控制信号的步骤还包括：

对所述编码信息进行数据处理，得到脉冲信号；

根据所述脉冲信号输出所述控制信号。

在本发明的另一实施例中，当所述驱动信息为调制信号时，所述脉冲驱动方法还包括：

对所述编码信息进行解码，得到所述调制信号；

通过比较所述调制信号与所述第一三角波信号，输出所述脉冲信号。

在本发明的另一实施例中，所述脉冲驱动方法还包括：

当主控制模块发生故障时，所述驱动信息被置为第一故障信号；

接收包含所述第一故障信号的所述编码信息，并根据所述编码信息输出故障控制信号；

根据所述故障控制信号关断所述至少M个功率开关。

在本发明的另一实施例中，所述脉冲驱动方法还包括：

当所述多电平变换器发生故障时，所述本地控制模块通过第二光纤传递第二故障信号至主控制模块；

所述主控制模块根据所述第二故障信号封锁所述多电平变换器的所述驱动信号。

在本发明的另一实施例中，所述多电平变换器还包括飞跨电容单元，所述脉冲驱动方法还包括：

根据电容信息和所述编码信息产生所述控制信号，并根据所述控制信号控制所述飞跨电容单元的电压以及所述至少M个功率开关的导通和关断，其中所述电容信息为所述飞跨电容单元中电容的电压值。

在本发明的另一实施例中，所述脉冲驱动方法还包括：

当所述多电平变换器的中点输出电压相对于母线电容中点的电平影响到所述飞跨电容单元中的第一飞跨电容和第二飞跨电容的波动时，根据所述编码信息产生至少两个所述控制信号，并根据所述电容信息选取所述至少两个控制信号的其中之一控制所述至少M个功率开关的导通和关断。

基于上述技术方案可知，本发明的有益效果在于，通过改变传统的PWM驱动系统的架构，在主控制模块和多电平变换器之间增设本地控制单元，仅需要两根光纤用于连接在主控制模块与本地控制模块之间，从而提供结构简单的多电平变换器PWM脉冲驱动结构，光纤数量大大减少，降低系统成本，提高系统的可靠性。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解， 并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。

图1是本发明示例性实施例中提供的应用于NPC三电平变换器PWM脉冲其中一相驱动的系统架构示意图。

图2是本发明实施例一中提供的一种脉冲驱动系统的组成示意图。

图3是本发明实施例一中第二控制单元的组成及其与相关单元的连接关系示意图。

图4为本发明实施例一中提供的一个主控制模块与三相的本地控制模块进行通信的架构示意图。

图5为本发明实施例二中提供的一种脉冲驱动系统的架构示意图。

图6为本发明实施例二中不补偿同步延时(控制延时为Ts/2)的多电平PWM双采样双更新驱动时序图。

图7为本发明实施例二中补偿同步延时(控制延时为Ts/2)的多电平PWM双采样双更新驱动时序图。

图8为本发明实施例三中不补偿同步延时(控制延时为Ts)的多电平PWM单采样单更新驱动时序图。

图9为本发明实施例三中补偿同步延时(控制延时为Ts)的多电平PWM单采样单更新驱动时序图。

图10为本发明实施例四中不补偿同步延时(控制延时为Ts)的多电平PWM双采样双更新驱动时序图。

图11为本发明实施例四中补偿同步延时(控制延时为Ts)的多电平PWM双采样双更新驱动时序图。

图12为本发明一实施例中于故障时主控制模块接收光纤信号时序图。

图13为本发明实施例五提供的一种含飞跨电容单元的五电平脉冲驱动系统的架构示意图。

图14为本发明实施例六提供的一种应用在交直交(整流器+直流母线+逆变器)变换器中的脉冲驱动系统的架构示意图。

图15为本发明实施例七提供的第一种脉冲驱动方法的步骤流程图。

图16为本发明实施例七提供的第二种脉冲驱动方法的步骤流程图。

图17为本发明实施例七提供的第三种脉冲驱动方法的步骤流程图。

图18为本发明实施例八提供的一种用于驱动含有飞跨电容单元的多电平变换器的脉冲驱动方法的步骤流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

实施例一

本实施例提供了一种脉冲驱动系统100，用于驱动多电平变换器200，组成示意图如图2所示，多电平变换器200包含至少M个功率开关S₁～S_M，M≥2，脉冲驱动系统100包括主控制模块110、本地控制模块120和第一光纤130。主控制模块110用于根据采样信息产生包含驱动信息的编码信息。第一光纤130与主控制模块110、本地控制模块120连接，用以实现主控制模块110与本地控制模块120的通信。本地控制模块130通过第一光纤130接收主控制模块110输出的编码信息，并根据编码信息产生控制信号。本地控制模块120输出控制信号至多电平变换器200，控制多电平变换器200的至少M个功率开关的导通和关断。其中第一光纤130作为发送光纤，用于主控制模块110向本地控制模块120发送信号。通过改变传统的PWM驱动系统的架构，在主控制模块和多电平变换器之间增设本地控制单元，仅需要一根光纤就可实现M个功率开关S₁～S_M的控制信号的传送，脉冲驱动系统结构简单，光纤数量大大减少，降低系统成本，提高系统的可靠性。

本实施例的驱动信息可以为脉冲信号，还可以为调制信号，但不限于此。在一实施例中，当驱动信息为调制信号时，控制信号的产生与三角波信号和调制信号密切相关，而由于主控制模块110和本地控制模块120产生三角波信号的机制是不同的，两种三角波信号可能会存在一定的相位差，因此编码信息中还可以进一步包含第一同步信号，本地控制模块120用于接收第一同步信号，并根据第一同步信号调节本地控制模块120的第一三角波信号与主控制模块110的第二三角波信号的相位保持一致。

在本实施例中，参见图2所示，主控制模块110可包括数据处理单元111和第一控制单元112，但不限于此。数据处理单元111用于接收多电平变换器200的采样信息，配合控制算法，输出驱动信息。第一控制单元112与数据处理单元111电连接，用于接收驱动信息，第一控制单元112对驱动信息进行编码并输出编码信息。

在一实施例中，当驱动信息为调制信号时，为了统一数据处理单元111和第一控制单元112的三角波信号，数据处理单元111还用于发送第二同步信号至第一控制单元112，并根据第二同步信号调节第一控制单元112的第二三角波信号与数据处理单元111的第三三角波信号的相位保持一致。

第一控制单元112对数据处理单元111输出的驱动信息进行曼彻斯特编码，产生编码信息。需要说明的是，本实施例中所采用的曼彻斯特编码是一个同步时钟编码技术，将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。本说明书中，在曼彻斯特编码中设定高电平编码为“10”，低电平编码为“01”。

在本实施例中，参见图2所示，本地控制模块120可包括第二控制单元121和隔离驱动单元122，但不限于此。第二控制单元121接收包含驱动信息的编码信息，并对编码信息进行数据处理，得到脉冲信号。隔离驱动单元122与第二控制单元121电连接，用于接收脉冲信号，并根据脉冲信号输出控制信号。

本地控制模块120根据主控制单元110的编码信息得到脉冲信号，并通过隔离驱动单元122将该脉冲信号传递到多电平变换器200，能够可靠驱动绝缘栅器件。当脉冲信号与多电平变换器中的功率开关器件不需要隔离时，驱动电路的设计比较简单，采用驱动集成电路就可以实现，如IR2110。但实际应用中的很多场合，本地控制模块需要与多电平变换器进行隔离，常用的方式有两种：采用光隔离，例如光电耦合器，或是利用磁隔离，例如脉冲变压器。

本实施例中的隔离驱动采用的是磁隔离，如图2的磁隔离驱动是使用脉冲变压器提供电气隔离驱动电路的一种实现方式。在隔离驱动单元122中包括M个隔离驱动，且隔离驱动与多电平变换器200中的功率开关一一对应， 隔离驱动的原边电性耦接第二控制单元121，隔离驱动的副边电性耦接功率开关的控制端，但不引以为限。

第二控制单元121接收包含驱动信息的编码信息，并对编码信息进行数据处理，得到脉冲信号。在一实施例中，当驱动信息为脉冲信号时，第二控制单元121仅需将包含脉冲信号的编码信息进行解码，得到脉冲信号；而在另一实施例中，当驱动信息为驱动信号时，第二控制单元121不仅需要解码，而且还需要根据解码得到调制信号进行数据处理，以得到脉冲信号。

当驱动信息为驱动信号时，如图3所示，第二控制单元121还可以包含解码单元1211和脉冲产生单元1212。解码单元1211用于将主控制模块110(具体是第一控制单元112)输出的编码信息进行解码，解码后输出调制信号。脉冲产生单元1212与解码单元1211电连接，用于接收调制信号，并通过比较调制信号与第二控制单元121的第一三角波信号，输出脉冲信号。

以上均是在脉冲驱动系统正常工作情况下的信号传递及处理的流程，但是在实际使用过程中，系统中难免有故障发生，接下来根据故障产生位置的不同对信号传递及处理的流程说明如下：

于主控制模块110发生故障时，主控制模块110向本地控制模块120发出的驱动信息就是第一故障信号，本地控制模块120根据包含第一故障信号的编码信息输出故障控制信号，故障控制信号用于关断多电平变换器200中的至少M个功率开关。例如，主控制模块110检测到系统出现过压、过流或控制电源不稳定等异常情况时，就会产生故障信号，而这一故障信号会在驱动信息中有所体现。

故障除了可能发生在主控制模块110这一侧，还有可能发生在多电平变换器200这一侧，于多电平变换器200发生故障时，本地控制模块120输出的控制信号就是故障控制信号，故障控制信号用于关断多电平变换器200中至少M个功率开关。如图2所示，脉冲驱动系统还包含第二光纤140，与主控制模块110、本地控制模块120连接。第二光纤140作为接收光纤，用于主控制模块110接收来自本地控制模块120的信号。于多电平变换器200发生故障时，如功率开关出现过压、过流、过温度等异常情况，本地控制模块120检测到这些异常情况后通过第二光纤140传递第二故障信号至主控制模块110，主控制模块110根据第二故障信号输出第一故障信号以封锁多电平 变换器200中的控制信号，后续的过程与主控制模块110发生故障时一致，在此不再详述。

于编码方式均采用曼彻斯特编码，可以约定规则为：高电平信号的编码用“10”表示，低电平信号的编码用“01”表示。故，在正常的信号传递过程中是不会出现连续的四个或四个以上的“0”或“1”。在本实施例中，第一故障信号和第二故障信号的编码信号采用“0000”或“1111”，可不限于此。主控模块或本地控制模块一旦接收的信号中出现连续的“0000”或“1111”，就表明有故障发生，可立即反应，在较短时间内获知有系统中故障发生，从而及时采取措施来排除故障。

虽然图2所示的脉冲驱动系统以及本实施例所述均大部分内容是以单相为例，但实际上该脉冲驱动系统可以适用于三相(A、B、C)电路，如图4所示。图4中的每一单相A、B或C电路的控制方式如图3所示，在此不再详述。主控制模块110分别通过发送光纤(Fiber1_A，Fiber1_B，Fiber1_C)和接收光纤Fiber2_A，Fiber2_B，Fiber2_C与三个本地控制模块120、120’以及120”进行通信。在如图4所示的三相电路中，每一相电路中的发送光纤用于主控制模块向所对应的单相电路中的本地控制模块提供控制信号，用以控制单相电路中的全部开关的导通和关断。接收光纤则用于所对应的单相电路中的本地控制模块向主控制模块提供故障信号。

需要说明的是，在三相电路中，若A,B,C各相的任一个功率开关出现过压，过流，过温度等异常的情况，各相功率变换器所对应的第二控制单元检测到这些异常情况，将设置控制信号为故障控制信号，如全部设置为低电平，封锁故障相的功率开关。且，第二控制单元会通过接收第二光纤发送第二故障信号的编码信号(如“0000”)至主控制模块的数据处理单元111，数据处理单元111会发出第一故障信号，经过主控制模块的第一控制单元112编码，产生如“0000”的编码信号，并通过所有的发送光纤Fiber1_A，Fiber1_B，Fiber1_C(如图3所示)，向A，B，C三相的本地控制模块发出“0000”，本地控制模块一旦接收“0000”就会立刻产生关断信号，关断三相所有的功率开关(可以为晶体管)，以确保功率变换器的安全。

基于上述技术方案可知，本发明的有益效果在于，通过改变传统的PWM驱动系统的架构，在主控制模块和多电平变换器之间增设本地控制单元，仅 需要两根光纤就可实现M个功率开关S₁～S_M的控制信号的传送以及故障信号的传送，从而提供结构简单的脉冲驱动结构，光纤数量大大减少，降低系统成本，提高系统的可靠性。

实施例二

本实施例提供一种多电平脉冲驱动系统，包括实施例一提供的主控制模块、本地控制模块、发送光纤和接收光纤，用于驱动多电平变换器。在本实施例中，实施例一中的数据处理单元以DSP芯片为例，第一控制单元112以及第二控制单元以FPGA芯片为例，驱动信息以调制波为例，但不限于此。

图5示出单相的电路架构，仅作为示意，其他相的原理和结构类似，不再详述。主控制模块中DSP接收电压，电流传感器采集得来电流和/或电流信号，根据一定的控制算法，产生能控制多电平转换器中功率开关的调制波。主控制模块的FPGA负责与DSP进行数据通信，接收DSP产生的调制波以及特殊功能指令(可由用户自定义，或视实际情况设定)，并通过曼彻斯特编码将接收到的信号进行编码得到编码信号，用发送光纤Fiber1将编码信息传给本地控制模块。同时主控制模块的FPGA也负责接收本地控制模块于多电平转换器发生故障时输出的故障信息等，并通过通信传递给DSP。

于一实施例中，主控制模块的FPGA和DSP通常设置在一块PCB板上，相互之间的信息传递可以通过串行数据方式实现，如串行外设接口(Serial Peripheral Interface，简称SPI)通信或串行通信接口(Serial Communication Interface，简称SCI)通信，也可以通过并行数据方式实现，如数据地址总线。

本地控制模块由本地控制芯片FPGA、隔离驱动以及高压隔离电源组成。主控制模块的FPGA通过发送光纤Fiber1向本地控制芯片FPGA发送信号，并通过接收光纤Fiber2接收来自本地控制芯片FPGA的信号。本地控制芯片FPGA通过光纤Fiber1接收主控制模块发送过来的编码信息(包括调制波，“功能码”，本地控制单元所需要用到的设定值等)，并分别进行数据处理。此处的数据处理包括两部分：第一部分，本地控制芯片FPGA对编码信息进行解码，得到调制波和特殊功能指令；第二部分，本地控制芯片FPGA将其内容的三角波与调制波比较，产生“第一脉冲信号”；第三部分，本地控制芯片FPGA根据特殊功能指令，产生特殊驱动脉冲，结合“第一脉冲信号”，共同产生“脉冲信号”。具体的结合方式，视实际情况而定，在此不再详述。本地 控制芯片FPGA与隔离驱动电连接，“脉冲信号”经过隔离驱动和放大后，产生“控制信号”到多电平变换器。

于多电平变换器的任一个功率开关出现过压，过流，过温度等异常的情况，本地控制芯片FPGA检测到这些异常情况，将设置控制信号为故障控制信号，如全部设置为低电平，封锁故障相的功率开关。且，本地控制芯片FPGA会通过接收光纤Fiber_2发送第二故障信号的编码信号(如“0000”)至主控制模块的DSP，DSP会发出第一故障信号，经过主控制模块的FPGA编码，产生如“0000”的编码信号，并通过发送光纤Fiber1向本地控制模块发出“0000”，本地控制模块一旦接收“0000”就会立刻产生关断信号，关断所有的功率开关(可以为晶体管)，以确保功率变换器的安全。

于主控制模块110发生故障时，主控制模块的DSP通过发送光纤Fiber_1向本地控制芯片FPGA发送的第一故障信号的编码信号(如“0000”)，本地控制芯片FPGA立即输出故障控制信号，如全部设置为低电平，封锁对应相的功率开关故障控制信号。

本实施例中，本地控制芯片FPGA以及隔离驱动的供电均由高压隔离电源提供，主控制模块向高压隔离电源提供+24V的电源，该高压隔离电源向本地控制芯片FPGA提供+3.3V的电源，向隔离驱动提供+15V的电源。由于多电平转换器与本地控制模块已经有一级磁芯隔离，即磁隔离驱动，高压隔离电源与主控制模块之间的电压隔离可以降低绝缘等级。

由于脉冲信号的产生是与三角波有关的，因此必须保证主控制模块中DSP的第二三角波与本地控制芯片FPGA的第一三角波的相位保持一致。图6示出图5中脉冲驱动系统中的一实施例的信号传送方式以及三角波的同步方式的驱动时序图。参见图6，主控制模块中的DSP向主控制模块中的FPGA发送信息，在一个开关周期Ts内，主控制模块的DSP每隔Ts/4进行控制算法的计算，如在AB段，BC段，CD段，DE段这四段内实现控制算法的计算，每段内计算出新的调制波。本实施例中，主控制模块的DSP在A时刻和C时刻采样电流和电压信息(如，电网电流或者变换器输出电流以及电网电压或者变换器输出电压，以及母线电压信息，主功率单元温度信息等与控制算法相关的信息)，之后开始进行闭环控制的运算或者开环运算，生成调制波。因此，在一个开关周期Ts内，调制波会进行两次更新，简称双采样双 更新。在其他实施例中，也可在一个开关周期Ts内，进行一次采样，调制波更新一次，即为单采样单更新，但不以为限。

本实施例中，主控制模块的DSP在C时刻输出第一同步信号，主控制模块的FPGA接收第一同步信号，并设置主控制模块的FPGA内的三角波(如图7第2行波形所示)与DSP内的三角波(如图7第1行波形所示)的相位一致，保持同步。本案的实现方式如下，无论DSP还是FPGA，其内部均存在计数器(图中未示出)，计数器从0计数到最大值，并由最大值计数到0，以此产生三角波。因此，本实施例中在C时刻，DSP通过一个IO口传递第一同步信号给主控制模块FPGA，主控制模块FPGA接收到第一同步信号后，将FPGA内部的计数器的计数值更新到最大值，即可实现主控制模块中FPGA与DSP内部的三角波的同步。

如图6所示，主控制模块的FPGA通过发送光纤Fiber_1向本地控制模块的本地控制芯片FPGA传送编码信息，编码信息包括调制波，功能码，第二同步信号，本地控制芯片FPGA的设定参数等。以下是主控制模块的FPGA向本地控制模块的本地控制芯片FPGA发送信息的方法，但不引以为限：

主控制模块的FPGA在A1,B1,C1,D1这四个时刻分别开始以一定的速率通过发送光纤Fiber_1发送信号。发送信号的格式依次为开始位(00011)，发送码1，或者发送码2，或者发送码3，CRC校验码以及空闲位。其中，开始位的组成为00011，为人为设定值，但不引以为限。发送码1，发送码2，发送码3以及CRC码的原始数据都经过曼彻斯特编码之后再进行传递，曼彻斯特编码的规则可定为：高电平编码为“10”，低电平编码为“01”，此规则还可以设定为：高电平编码为“01”，低电平编码为“10”。CRC码是循环冗余校验码，用来对传输的数据进行校验，以防止数据在传输过程中出错。这些数据包含功能码，数据码1或者数据码2或者数据码3。

发送码1，发送码2，发送码3中包含着本地控制模块所需要的一些控制信息以及控制命令：如调制波，电流方向，功能码，参数设定等。为了使得本地控制模块在一个开关周期Ts中的调制波能得到两次更新，并且保证AD采样与更新的时间延时控制在Ts/2以内，需要把这些控制信息以及控制命令分别通过编码方式在发送码1，发送码2，发送码3之中进行传递。下面以举例的形式分别介绍里面的内容：

“过程数据1”：主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA传送调制波。在图6中，主控制模块DSP在A时刻和C时刻采样并计算调制波，主控制模块FPGA在B1时刻和D1时刻传递调制波，本地控制芯片FPGA在C1时刻和A1时刻接收到调制波，并在本地控制芯片FPGA的三角波的顶点和底点更新调制波。AD采样与PWM更新的时间延时为Ts/2，则发送码1中的“过程数据1”必须包含调制波以及与调制相关的信息。

“过程数据2”，“过程数据3”：在图6中，“过程数据2”，“过程数据3”可传递一些设定量，如飞跨电容保护点的设定，飞跨电容的电压设定值，开关频率的设定等，也就是与调制无关的一些信息都可以在“过程数据2”和“过程数据3”中传递。

“同步位”：包含第二同步信号，利用第二同步信号同步主控制模块的FPGA与本地控制芯片FPGA的三角波。在图6中，如果同步位经过曼彻斯特编码之后为“1010”(此编码为人为设定值，但不引以为限)，表示此时本地控制芯片FPGA的三角波需要与主控制模块的三角波进行一次同步。即本地控制芯片FPGA接收到同步码为“1010”时，需要将本地控制芯片FPGA内部的三角波更新到最大值。而如果同步位经过曼彻斯特编码之后为“0101”(此编码为人为设定值，但不引以为限)，表示此时本地控制芯片FPGA的三角载不需要与主控制模块的三角波进行同步，而是按照既定的计数规律自行计数。“同步位”在发送码1，发送码2中传递“0101”，在发送码3中发送“1010”。

“功能码”：功能码是由一些事先约定好的特定码元组成。本地控制芯片FPGA接收到功能码之后生成特殊的逻辑功能，如飞跨电容均压脉冲输出、预充电脉冲输出、开机自检脉冲输出等，并产生特殊驱动脉冲。

参见图6所示，主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA发送信号时，先后依次发送的信号为发送码2、发送码1、发送码3以及发送码1，根据需要后续还可以发送更多的发送码。如图6所示的驱动时序图中，主控制模块发送的开始位“00011”，同步位为“1010”，由于本地控制芯片FPGA采样光纤发送Fiber1数据位的中点，本地控制芯片FPGA采样数据速率远远大于发送光纤Fiber1中发送数据的速率，比如采样数据速率为75MHz，发送数据速率为2.5MHz，则本地控制芯片FPGA采样75/2.5＝30次，发送光纤Fiber1才会更新一次数据。一般，都是以中间采集的数据为准，对于30次而言，就是以 第14,15,16次左右采到的数据为准，则两个三角波的相位差为8.5个位传送时间。这个时间差会产生一定的控制延时，因此本地控制芯片FPGA与主控制模块DSP的三角波并不是完全同步的。为弥补这一延时需要进行延时补偿，驱动时序图如图7所示，主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA发送信号时，与图6相同，先后依次发送的信号也是发送码2、发送码1、发送码3以及发送码1，当然根据需要后续还可以发送更多的发送码，此处不再一一列举。

图7中主控制模块DSP在早于C时刻8.5个位传送时间发送一同步信号给主控制模块的FPGA，使得主控制模块的FPGA的计数器2的相位比DSP的计数器1的相位超前8.5个位传送时间，则补偿了这一延时，使得本地控制芯片FPGA与主控制模块DSP的三角波同步。本地控制芯片FPGA在三角波的顶点和底点更新调制波，可以看出主控制模块DSP在A时刻和C时刻采样并计算出的调制波，本地控制芯片FPGA在三角波的顶点和底点更新调制波，控制延时为Ts/2。

参见图6和图7以及上述内容，在PWM开关频率较低时，主控制模块DSP在Ts/4时间中就能完成控制算法的计算，则可以进行如图6和图7的双采样双更新，但是如果PWM开关频率高，而主控制模块DSP无法在Ts/4的时间中完成控制算法的计算，却能够在Ts/2时间内完成计算，此时采用单采样单更新。

实施例三

图8为一种驱动脉冲系统的一实施例的单采样单更新驱动时序图。在一个开关周期Ts内，主控制模块DSP每隔Ts/2进行控制算法的计算，即AB段和BC段。主控制模块DSP在A时刻采样电流电压信息，之后开始进行闭环控制的运算或者开环运算，产生调制波。在B时刻，主控制模块中DSP通过一个IO口传递第一同步信号给主控制模块FPGA，主控制模块FPGA接收到第一同步信号后，将FPGA内部的计数器的计数值更新到最大值，实现主控制模块中FPGA与DSP内部的三角波的同步，如图8虚线所示。

如图8所示，主控制模块FPGA在A1,B1两个时刻分别开始以一定的速率(如2.5Mb/s)通过发送光纤Fiber_1向本地控制模块的本地控制芯片FPGA传送编码信息。发送信号的格式依次为开始位(00011)，同步位，功能码， 发送码1或者发送码2或者发送码3或者发送码4，CRC码，空闲位。其中，同步位，功能码，发送码1或者发送码2或者发送码3或者发送码4，CRC码都经过曼彻斯特编码之后再进行传递。发送码1中的“过程数据1”中必须包含调制波以及与调制相关的信息，与调制波和与调制无关的一些信息都可以在“过程数据2”，“过程数据3”以及“过程数据4”中传递。由于此时在一个Ts中，“过程数据1”只需要传递一次，还可以剩余出时间传递更多的数据，也就是在“过程数据3”之后还有过程数据4。照此类推，若时间足够，还可以有过程数据5,6,7等等，需要根据具体情况而定。

同样为补偿延时，还提供了如图9所示的一种补偿同步延时的多电平PWM单采样单更新驱动时序图。在图8中，本地控制芯片FPGA与主控制模块DSP的三角波并不是同步的。若开始位“00011”，同步位为“1010”，则两个三角波的相位差为8.5个位传送时间。这个时间差会产生一定的控制延时。图9则补偿了这一延时，使得本地控制芯片FPGA与主控制模块DSP的三角波同步。本地控制芯片FPGA在三角波的底点更新调制波，可以看出DSP在A时刻采样并计算出的调制波，本地控制模块的FPGA在三角波底点得到更新，控制延时约为Ts。

参见图8和图9，主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA发送信号时，先后依次发送的信号为发送码3、发送码4、发送码1以及发送码2，当然根据需要后续还可以发送更多的发送码，此处不再一一列举。

实施例四

图10为一种驱动脉冲系统的一实施例的双采样双更新驱动时序图。本实施例与实施例三的区别在于：主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA发送信号的方式不同，如图10所示，主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA发送信号时，先后依次发送的信号为发送码1、发送码2、发送码1以及发送码3，这与上述实施例二(参见图6和图7)和实施例三(参见图8和图9)发送的信号的均不相同。发送信号的格式依次为开始位(00011)，同步位，功能码，发送码1或者发送码2或者发送码3，CRC码，空闲位。其中，同步位，功能码，发送码1或者发送码2或者发送码3，CRC码都经过曼彻斯特编码之后再进行传递。发送码1中的“过程数据1”中必须包含调制波以及与调制相关的信息，与调制波和与调制无关的一些信息都可以在“过程数据 2”，“过程数据3”传递。

在图10中，本地控制芯片FPGA与主控制模块的DSP的三角波并不是同步的。若开始位“00011”，同步位为“1010”，则两个三角波的相位差为8.5个位传送时间。这个时间差会产生一定的控制延时。图11则补偿了这一延时，使得本地控制芯片FPGA与主控制模块DSP的三角波同步。本地控制芯片FPGA在三角波的底点更新调制波，可以看出DSP在A时刻，B时刻采样并计算出的调制波，本地控制模块的FPGA在三角波底点得到更新，控制延时约为Ts。参见图11所示，主控制模块FPGA向本地控制芯片FPGA发送信号时，与图10相同，先后依次发送的信号也是发送码1、发送码2、发送码1以及发送码3，根据需要后续还可以发送更多的发送码。

无论是实施例一到实施例四中的任一驱动时序，系统不可避免的会有故障发生，因此发送光纤Fiber_1和接收光纤Fiber_2发出的第一/第二故障信号的编号均需包含“0000”或“1111”。以接收光纤Fiber_2为例，图12所示的是，于系统故障时，接收光纤Fiber_2的编码信息的情况。接收光纤Fiber_2的编码信息包含：“0000000000”，主控模块FPGA和DSP接收到该编码信息，立即知道变换器侧出现故障，并做出后续动作，保障系统的安全。

实施例五

本实施例中，多电平变换器还包括飞跨电容，如图13所示，飞跨电容Cph1和Cph2。本实施例的多电平脉冲驱动系统100，不仅需实现上述实施例中的功能，还需对飞跨电容的电压进行控制。

本实施例的本地控制模块120还可以包含ADC芯片123，监控飞跨电容的电压，在某些实施例中，ADC芯片123还可对电压、电流、温度等信息进行采样，但不限于此。本实施例中根据飞跨电容的电压信息结合调制波一起直接控制飞跨电容的电压波动。相比传统控制中通过通信传递给主控制模块的DSP，再由DSP做飞跨电容的电压控制，减少了通信延时，对飞跨电容的电压控制能够起到很好的效果。

如图13所示，以五电平变换器为例，在五电平变换器中的功率开关包括S₁～S₈，飞跨电容单元中包括第一飞跨电容Cph1和第二飞跨电容Cph2，第一飞跨电容Cph1和第二飞跨电容Cph2串联连接并跨接于五电平变换器200的输入端。五电平飞跨电容中点钳位式变换器的开关单元开关动作时，输出V0 相对于母线电容中点0一共有五种电平+V，+1/2V，0，-1/2V，-V。其中当输出V0为+1/2V时S₁～S₈的启闭会影响到第一飞跨电容Cph1的电压；当输出V0为-1/2V时S₁～S₈的启闭会影响到第二飞跨电容Cph2的电压。例如当V0相对于母线电容中点0电压输出为+1/2V时，如果功率单元S1，S5，S6，S7导通时，负载电流流过Cph1，给Cph1充电，Cph1的电压上升；如果功率单元S2，S5，S7，S8导通时，负载电流流过Cph1，给Cph1放电Cph1的电压上升。因此，为了保障飞跨电容的电压稳定，必须在当输出V0为+1/2V或-1/2V时，选择正确的S₁～S₈的启闭。

在本实施例的脉冲驱动系统中，还包括三个采样电阻R1，R2，R3，分别接在第一飞跨电容Cph1的正极，第一飞跨电容Cph1与第二飞跨电容Cph2的连接中点，第二飞跨电容Cph2的负极，以检测第一飞跨电容Cph1和第二飞跨电容Cph2的电压。本地控制芯片FPGA监测飞跨电容的电压信息，在V0相对于母线电容中点0电压输出为+1/2V或-1/2V的时刻，通过主控制模块发送过来的调制波信息与本地控制芯片FPGA内部的三角波比较生成输出电压V0电压跳变时刻。以第一飞跨电容为例，如果本地控制芯片FPGA检测到第一飞跨电容Cph1电压低于+1/2V，则产生一组“PWM脉冲信号1(a)”使得功率单元S1，S5，S6，S7导通，第一飞跨电容Cph1充电。如果检测到第一飞跨电容Cph1电压高于+1/2V，则产生一组“PWM脉冲信号1(b)”使得功率单元S2，S5，S7，S8导通，第一飞跨电容Cph1放电。

由于飞跨的采样直接传递到本地控制模块，减少了通信延时，也可以很方便的做一些特殊的处理，有利于飞跨电容的电压平衡，从而可以减小飞跨电容的容量，减少飞跨电容的体积和成本。

实施例六

本实施例还提供了一种脉冲驱动系统，还可以将其应用在交直交(整流器+直流母线+逆变器)变换器中，架构示意图如图14所示。

参见图14，包括一个主控制模块，两个本地控制模块。两个本地控制模块与主控制模块通过光纤通信，一个是用于驱动整流器的本地控制模块，另一个是用于驱动逆变器的本地控制模块。如图14所示，两个本地控制模块均三相多电平变换器，因此各有6根光纤与主控制模块通信，实现各自的功能。还需要说明的是，中压变频器中的整流与逆变的拓扑并不仅限于三电平中点 钳位(NPC)结构，可以是三电平飞跨电容钳位，可以是五电平飞跨电容钳位，对于飞跨电容的结构和原理参见实施例五。

实施例七

本实施例中提供一种脉冲驱动方法，用于驱动如实施例一至实施例六的多电平变换器，其中多电平变换器包含至少M个功率开关，M≥2，脉冲驱动方法的步骤流程如图15所示，包括以下步骤：

步骤S10、接收多电平变换器的采样信息，并根据采样信息产生包含驱动信息的编码信息。

步骤S20、通过第一光纤接收编码信息，并根据编码信息产生控制信号。

步骤S30、根据控制信号控制多电平变换器的至少M个功率开关的导通和关断。

其中的驱动信息可以为脉冲信号，还可以为调制信号。

当驱动信息为调制信号时，步骤S20中通过第一光纤接收编码信息的步骤还包括：

通过第一光纤接收第一同步信号，并根据第一同步信号调节第一三角波信号与第二三角波信号的相位保持一致，其中第一三角波信号由本地控制模块产生，第二三角波信号由主控制模块产生。

步骤S10中根据采样信息产生编码信息的步骤包括：将采样信息经过控制算法得到驱动信息，对驱动信息进行编码得到编码信息，本实施例中对驱动信息进行编码得到编码信息的编码方式为曼彻斯特编码。

步骤S20中根据编码信息产生控制信号的步骤包括：对编码信息进行数据处理，得到脉冲信号，根据脉冲信号输出控制信号。

当驱动信息为调制信号时，脉冲驱动方法还包括：对编码信息进行解码，得到调制信号，通过比较调制信号与第一三角波信号，输出脉冲信号。

如果系统中有故障发生，脉冲驱动方法的步骤流程如图16所示，除了包括步骤S10～S30，还包括以下步骤：

步骤S41、当主控制模块发生故障时，驱动信息被置为第一故障信号，接收包含第一故障信号的编码信息，并根据编码信息输出故障控制信号。

步骤S42、根据故障控制信号关断至少M个功率开关。

如果故障发生在多电平变换器一侧，脉冲驱动方法的步骤流程如图17 所示，除了包括步骤S10～S30，还包括以下步骤：

步骤S51、当多电平变换器发生故障时，本地控制模块通过第二光纤传递第二故障信号至主控制模块。

步骤S52、主控制模块根据第二故障信号封锁多电平变换器的驱动信号。

本实施例提供的方法能够实现与实施例一和实施例六相同的技术效果，此处不再赘述。

实施例八

本实施例中也提供一种脉冲驱动方法，用于驱动如实施例一至实施例六的多电平变换器，其中多电平变换器包含至少M个功率开关，M≥2，多电平变换器还包括飞跨电容单元，对应的，脉冲驱动方法的步骤流程如图18所示，只有步骤S10与上述实施例七相同，之后包括以下步骤：

步骤S20’：通过第一光纤接收编码信息，根据飞跨电容单元反馈的电容信息和编码信息产生控制信号。

步骤S30’：根据控制信号控制飞跨电容单元的电压以及至少M个功率开关的导通和关断，其中电容信息为飞跨电容单元中电容的电压值。

当多电平变换器的中点输出电压相对于母线电容中点的电平影响到飞跨电容单元中的第一飞跨电容和第二飞跨电容的波动时，根据编码信息产生至少两个控制信号，并根据电容信息选取至少两个控制信号的其中之一控制至少M个功率开关的导通和关断。

同上述实施例七，对于系统中有故障发生时，还在步骤S10、步骤S20’、步骤S30’之后也可以进一步包括步骤S41～S42或者步骤S51～S52。此处不再赘述。

本实施例提供的方法能够实现与实施例一和实施例六相同的技术效果，此处不再赘述。

尽管已经参照某些实施例公开了本发明，但是在不背离本发明的范围和范畴的前提下，可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此，应该理解本发明并不局限于所阐述的实施例，其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。