开关控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明描述了用于控制巨大数量的功率半导体开关设备同步开关的系统。该设备是高功率设备，例如承载几百安培和/或几千伏特级别的电压。简要地说，系统包括与多个开关设备控制器通信的协调控制系统，以控制设备进入包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态的多个状态，使设备在开关过程中的至少一个中间状态中同步。
【专利说明】开关控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于控制功率半导体开关设备的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 我们所关心的功率半导体开关设备典型地具有大于1安培的载流能力和大于100 伏特的可操作电压。我们所关心的设备的实施例能够承载大于10安培、50安培或100安培 的电流和/或能够维持大于500伏特或1KV的设备两端的压差。
[0003] 该设备的示例包括绝缘栅双极晶体管（IGBT)，以及诸如M0SFETS (垂直或横向）和 JFET的FET，以及诸如LILET (横向反转层发射极三极管）、SCR等的可能设备。我们描述 的技术不限于任何特定类型的设备结构，并且因此功率开关设备可以例如为垂直或横向设 备；其可以在包括但不仅限于硅和碳化硅的技术范围内被制造。
[0004] 该类型的开关设备具有包括在高电压传输线（尤其是可以例如运载来自离岸风 设施的功率的该类型的直流传输线）中开关以及在用于诸如机车发动机的发动机等的中 等电压（例如大于1KV)中开关的应用。
[0005] 在该类型的应用中，典型地几十或几百个设备可以被串联和/或并联地连接从而 以期望的电压/电流进行操作。对该设备的开关的控制存在特别的问题，由于电环境相对 地嘈杂并且由于被开关的电压/电流大，导致了设备故障的重大风险。此外，当在该系统中 的一个设备失效（fail)，系统中的其它开关设备可能很容易会因而失效。
[0006] 我们将描述致力于这些和其它问题的技术。
【发明内容】
[0007] 根据本发明，提供了一种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导 体开关设备控制系统，该系统包括：协调控制系统；以及多个开关设备控制器，每一个开关 设备控制器被耦合至所述协调控制系统；其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制一 个或多个各自的所述功率开关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启 状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态；其中所述协调 控制系统被配置为通过控制所述开关设备控制器控制所述开关设备进行同步开关；以及其 中所述协调控制系统还被配置为：控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设 备从包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态；将 所述功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步开关所述设备；以及接下来控制所述 开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从所述中间状态进入包括所述全关闭状 态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。
[0008] 这种控制系统的实施方式允许了多于10、100或1000个功率半导体开关设备的开 关被快速地执行，并且是以控制、同步的方式。因此广义地说，在控制系统的实施方式中，每 个设备的导电状态在离散步骤中被控制，从而设备的导电状态前后紧接着发生改变。如同 同步进行开关，这也有助于保证电流/电压载荷在设备之间共享，而不是例如在串联串中 的设备中的一者承受串两端的全部电压。这种技术可以被任意功率半导体开关设备采用， 但是当功率半导体开关设备包括IGBT (绝缘栅双极晶体管）时是特别有优势的。
[0009] 在系统的优选实施方式中，设备被控制在多个中间状态之间，该多个中间状态可 以包括，尤其是设备被维持在低电流平稳的状态。这种低电流平稳可以例如包括级别为 〇. 1-1安培的电流，在近似零（漏）关闭电流和可以是级别为100安培的开启电流之间的 中间。可以被替换地或者附加地采用的第二中间状态是激活的低电压平稳状态，在该激活 的低电压平稳状态中设备两端的电压维持在设备的全关闭电压和饱和开启电压之间的中 间值，例如级别为10-100V的电压，其中饱和开启电压可以小于3伏特并且关闭电压级别为 1KV。低电压平稳被采用以保证并联连接的设备都是激活的，并且低电压平稳被采用以保证 串联连接的设备都是激活的。当设备是激活的时，这些设备可以迅速响应来在栅极充电中 进行改变，并且这对于同步开关是必要的。在随后描述的实施方式中可以有设备的多至六 个的不同状态。
[0010] 在优选实施方式中，协调控制系统向至少将要进行开关的功率半导体开关设备的 开关设备控制器发送控制信号，并且接下来在发送进一步的控制信号以将相关设备进行至 下一个（中间或最终）状态之前，等待直到确认每个设备处于被请求的状态的确认信号已 经被接收到。这种对开关设备的激活控制的形式具有特别的鲁棒性的。在实施方式中，控 制和/或确认/确认信号可以包括在分组数据通信网络上被发送的数据分组。在这种情况 中，控制信号可以包括广播分组，该广播分组包括用于选择一组开关设备的组地址字段，来 与定义了下一个目标状态的开关状态字段一起控制。在系统的实施方式中，这些数据分组 包括实时数据分组；即，被标记来作为"实时"被处理，并且被给予在可以在网络上被发送的 其它数据分组之上的优先级。
[0011] 在优选的系统架构中，协调控制系统包括被耦合至一个或多个子控制器的中央控 制器，并且每个子控制器被耦合至一组设备控制器（例如10个或更多设备控制器）。在该 架构中，中央控制器可以通过一个或多个共享总线被耦合至子控制器，但是优选地，每个子 控制器具有至其控制的每个开关设备控制器的单独的总线连接。在实施方式中，每个开关 设备控制器控制一个或多个功率半导体开关设备。这种通用类型的架构便于开关控制信 息的快速广播，但是也便于在子控制器和其耦合至的开关设备控制器之间的消息的快速处 理。尤其是，用于开关设备控制器的专用总线促进了来自开关设备控制器的确认/确认信 号的结合，从而可以容易地确定何时所有达到下一个目标状态和/或是否故障被标记。
[0012] 本发明还分别提供了根据本发明的方面和/实施方式的开关设备控制器和协调 控制系统。
[0013] 因此在本发明的相关方面中提供了一种用于控制多个开关设备控制器的协调控 制系统，每个所述开关设备控制器被耦合至协调控制系统，用于同步开关多个功率半导体 开关设备，其中每个所述开关设备控制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率半导体 开关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状 态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态，所述协调系统控制系统包括：通过控制 所述开关设备控制器控制所述开关设备进行同步开关的系统；其中控制所述功率半导体开 关设备的所述系统被配置为：控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从 包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态；将所述 功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步所述设备的开关；以及接下来控制所述开 关设备控制器来控制所述功率半导体开挂设备从所述中间状态进入包括所述全关闭状态 和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。
[0014] 本领域技术人员可以理解的是，这种类型的协调控制系统可以在硬件或软件（被 提供在诸如磁盘的物理载体上）或二者的结合上被实施，例如运行在数字信号或其它处理 器上，或在二者的结合上。此外，用于实施本发明的方面/实施方式的代码可以包括用于硬 件描述语言的代码。本领域技术人员还可以理解的是，在实施方式中，协调控制系统可以被 分布在多个彼此通信的多个耦合的组件之间。
[0015] 本发明还提供了一种控制多个功率半导体开关设备的开关的方法，该方法开始于 每个设备处于包括饱和开启状态和全关闭状态中的一者的初始状态，该方法包括：控制所 述功率半导体开关设备从所述初始状态转变至在所述饱和开启状态和所述全关闭状态之 间的一个或多个中间状态；将所述功率半导体设备保持在所述一个或多个中间状态以将所 述设备对准于所述一个或多个中间状态中；以及接下来控制所述功率半导体开关设备从所 对准的状态转变至包括所述饱和开启状态和所述全关闭状态中的一者的最终状态。
[0016] 本发明还提供了一种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导体 开关设备控制系统，该系统开始于每个设备处于包括饱和开启状态和全关闭状态中的一者 的初始状态，该系统包括：用于控制所述功率半导体开关设备从所述初始状态转变至在所 述饱和开启状态和所述全关闭状态之间的一个或多个中间状态的装置；用于将所述功率半 导体设备保持在所述一个或多个中间状态以将所述设备对准于所述一个或多个中间状态 中的装置；以及用于控制所述功率半导体开关设备从所对准的状态转变至包括所述饱和开 启状态和所述全关闭状态中的一者的最终状态的装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1示出了根据本发明实施方式的开关设备控制器（SD)与协调控制系统相结合 的示例，该协调控制系统包括耦合至子控制器的中央控制器；
[0018] 图2a和2b分别示出了在用于桥应用的示例中的根据本发明的实施方式的功率半 导体开关设备控制系统，以及图2a的具体配置；
[0019] 图3a至3c分别示出了示意了设备的六个定义状态和五次转变的用于功率半导体 开关设备的栅极电压对应栅极电荷的曲线，以及状态和转变的对应表格，以及集电极电流 和集电极-发射极电压对应IGBT (绝缘栅双极晶体管）功率半导体开关设备的开启时间的 曲线图；
[0020] 图4a和4b分别示出了根据本发明实施方式的用于功率半导体开关设备控制系统 的第一和第二示例性通信拓扑；
[0021] 图5a至5c分别示出了用于处理在子控制器的由多个连接至子控制器的开关 设备控制器发送的数据分组的方案的概念示意图，在小控制系统网络中的设备分配地址 (address)的示例性示意图，以及用于根据本发明实施方式的功率半导体开关设备控制系 统的子控制器的框图；以及
[0022] 图6a至6c分别示出了用于根据本发明实施方式的开关设备控制器的一对配置寄 存器储备（bank)的细节，用于在从协调控制系统发送至定址的设备的数据分组中写入非 实时数据的过程的示意图，以及补充非实时数据读取过程的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 参照图la，功率半导体开关设备控制系统100的实施方式包括中央控制器110,该 中央控制器110被耦合至多个子控制器120,其中一个被示出的子控制器120依次被耦合至 多个开关设备控制器130 (再次仅示出一个）。在下面的描述中，开关设备控制器130有时 指的是开关设备（SD);并且中央控制器和子控制器有时分别被简写为CC和SC。虽然在图 la的示例中提供有子控制器，但这并不是必要的并且控制系统的实施方式可以仅采用中央 控制器。控制系统的其它实施方式可以采用多级别（嵌套的）的子控制器。
[0024] 功率电子系统或电路通常包括多个开关，其中每个开关可以包括一个或典型的多 个开关设备。
[0025] 虽然诸如MOSFET、JFET等的其它设备也可以被采用，但在图la的示例中，功率半 导体开关设备是IGBT132。
[0026] 如图所示，开关设备控制器（开关设备）130包括数字逻辑来与总线122接合，该 总线122将设备控制器130连接至子控制器120。在优选实施方式中，设备控制器130也在 总线上接收功率，并且数字逻辑140包括用于从总线传递功率来为设备控制器/开关设备 130的低电压部分供电的电路。如在下文中将详细描述的，在操作中，数字逻辑140通过总 线122接收指令和配置信息，并且用确认或其它数据来回复。
[0027] 数字逻辑140与在示出的示例中耦合至驱动IGBT132的门驱动器136的模拟控制 电路138接合。我们已经在先前的于2011年3月7日提交的英国专利申请GB1103806.4(在 此以引用结合）中描述过一些示例性IGBT驱动电路。在我们与该申请同日提交的题为 "Power Semiconductor Device Controllers"（在此以引用结合）的共同待决的英国专利 申请中描述了特别的优选电路。如图1所示，这采用了结合的电流和电压反馈，与激活的控 制系统一起，使得开关设备（IGBT)有效地类似于无源电阻。因此两个激活的中间状态被目 标阻抗值、针对激活的低电流状态的高阻抗值以及针对激活的低电压状态（下文中描述的 状态3和4)的低阻抗值来定义。优选地，第二控制环路也在控制器中被提供以将门电压随 动至阈值，一个仅低于设备开始开启的电压，第二个仅高于设备开始饱和的电压（下文中 所描述的状态2和5)。
[0028] 更一般地，图la的开关设备控制器130的优选实施方式包括电压感测电路142,用 于感测在半导体开关设备上的电压；以及电流感测电路144,用于感测通过设备的电流。在 一些优选实施方式中，来自这些感测电路中的任意一者或两者的数据选择性地应要求而反 馈至子控制器120和中央控制器110中的一者或两者。
[0029] 在诸如全（H-)桥、半桥或3相逆变器的电功率逆变器中，每个开关位置可以包括 一个或多个半导体开关设备。在介绍中描述的该类型的高电压和/或高电流应用中，许多 半导体开关设备可以串联和/或并联连接，每一个半导体开关设备与各自的开关设备控制 器连接。图2a示出了 H-桥电功率变频器200的示例，该H-桥电功率转换器200可以被采 用以例如将DC转换至AC，或相反的转换。如在图2b中更详细地显示的，在该示例中，H-桥 204的每个开关202a-d包括半导体开关设备管芯组。在图2b的延展图示中，单可控开关 202包括9个功率半导体开关设备210,例如，每个功率半导体开关设备210包括碳化硅管 芯，多个设备被并联地连接以构建电压电平，接下来多个设备组被串联地连接以串联连接 电压电平。在其它实施方式中，单个开关设备控制器可以控制两个或更多开关或设备管芯。 每个开关210具有各自的开关设备控制器130,该开关设备控制器130顺次被耦合至子控制 器120a、b中的一个。
[0030] 如图所示，单独的总线运行在子控制器和开关设备控制器之间，从而对于每个开 关设备控制器有一个这种总线。在一种示例性实施方式中，子控制器向各自的开关设备控 制器提供30个独立总线连接并且因此对于图2a的采用36个半导体开关的示例性H-桥， 两个子控制器被采用。技术人员将领会的是，在具有多个开关的高电压和/或电流功率电 路中，几百或者可能的几千个半导体开关设备可以被采用。在该配置中，功率半导体开关设 备可以是可串联和并联连接的，并且开关设备控制器系统应当能够控制这些设备的开关从 而同步地开关，实际上是基本同时的。
[0031] 为了促进同时控制，多个开关状态被定义。在一个示例性实施方式中如下所示 (虽然更多或更少的状态可以在最终实现中被采用）：
[0032] 状态1 :全关闭-开关被关闭，只有漏电流流通；
[0033] 状态2 :低栅极电压关闭-开关被关闭但接近栅极阈值电压；
[0034] 状态3 :激活低电流-开关是激活的，但处在被定义的低电流经过设备的状态；
[0035] 状态4 :激活低电压-开关是激活的，但是处在设备两端有被定义的低电压（高于 饱和电压）的状态；
[0036] 状态5 :高栅极电压开启-开关被打开并且处于饱和但可以不是全饱和的；
[0037] 状态6 :饱和开启-开关处于饱和开启情况。
[0038] 在激活低电流状态中，设备两端会有高电压，但可能的是设备两端会有任意电压 (如果逆向并联二极管正导通这甚至会是负极的，因为随着当驱动电感负载时会发生电流 逆向通过开关）。在激活低电压状态中，流经设备的可能接近全电流，但再一次地，原则上来 说在这种状态中会有任何流经设备的电流。
[0039] 所需的开关状态的通信是通过从中央控制器至开关设备的实时消息。此外，配置 和监控数据可以通过非实时消息交换。
[0040] 广义地来说，当设备关闭时设备两端会有例如1KV的高电压和基本上零电流（只 有漏电流）以及，例如基本零栅极电压。向栅极注入电流少量地增加了栅极电压，从而开始 流经例如级别为0.1-1安培的小电流；这有效地使得串联耦合的设备同时激活。为了达到 这种状态，例如可以花费级别为50ns-l μ S的时间，包括对栅极充电的时间和传播延时。从 这种状态开始，进一步向栅极注入电流进一步增加栅极电压以达到设备基本流经更大电流 的状态，例如级别为100安培的电流，并且设备两端还有例如级别为10伏特的剩余的或"激 活的"低电压。最终，栅极电压被驱动至其可以达到的全电压，例如为用于硅设备的级别为 15伏特或者用于碳化硅设备的20伏特，其中在该电压下设备是饱和的，流经其全电流并且 设备两端具有最小的饱和开启电压，例如级别为2伏特的电压。
[0041] 在实施方式中，上述的概要描述为简化的尤其采用IGBT功率半导体开关设备的 各种保持状态和传输。因此参照图3a和3b，标记为1-6的六种状态可以在二者之间采用标 记为A-E的5个转变区域。图3b中的表格描述了这些状态和转变：在状态1和2中设备关 闭；在状态3和4中设备是中间的"激活"状态；以及在状态5和6中设备开启。
[0042] 更特别的是在状态1中栅极电压Vg = 0或为负，取决于设备是否以零或负栅极电 压关闭。在状态2中栅极电压等于第一（低）阈值电压：Vg = Vth(低），伴随着栅极电压在 转变A期间提高。在状态3中，IGBT的集电极电流是定义的最小值I min，也就是I。= Imin。 在状态4中，集电极-发射机电压是定义的最小电压值Vmin，也就是= Vmin。转变B从状 态2转移至状态3,并且转变C从状态3至状态4。在状态5中，栅极电压等于第二（高）阈 值电压，即V g = Vth(高），以及在状态6中，栅极电压是最大饱和电压Vs，即Vg = Vs，以及转 变E在状态5和6之间。在状态1和6之间的转移中，设备从全关闭切换至饱和开启（反 之亦然）。在每种状态，开关设备控制器从中央或子控制器接收转变至邻近状态的状态改变 指令并接着在转变完成时发送确认。中央或子控制器在继续发送出用于下一个状态改变的 指令之前等待来自所有节点的确认。由于在状态之间的转移是可逆的，设备或设备组可以 从目标状态转回至较早的状态，例如以将开关设备组返回（或者可替换地向前移动）至故 障可以被指示或检测的已知良好状态。
[0043] 因此在实施方式中，中央或子控制器可以向开关设备控制器（在后文中也被描述 为"节点"）发送请求将状态改变至六种状态之一的RT分组。当节点已经完成状态转变并 且该信息告知控制器何时所有所连接的节点已经达到期望状态时发送返回确认。
[0044] 如图3b所示，6种状态可以被分解为3个区域，每个区域两种状态，关闭、激活及开 启，状态之间具有转变。
[0045] 在实施方式中，该信息以4数据比特来被编码，例如在实时分组内的4连续数据比 特。返回分组具有一个标记来指示在两种状态之间的转变正在进行。接下来控制器可以彼 此"或"或比特接比特的连接，分组随着从每个节点到达来创建复合分组。在这种方式中， 任何一个节点仍在转变中，组合的效果是整个块的状态仍在转变中，直到最后一个节点完 成到下一个状态的转变。
[0046] 如下文中进一步描述的，如同该四比特有效载荷，数据分组也可以包括额外有效 载荷数据比特和优选地至少一个分组类型（T)比特来定义至少两个不同类型的分组，实时 分组和非实时分组。在优选实施方式中，分组还包括至少一个接收错误标记和/或至少一 个指示分组有效的标记。优选地，除了上文中描述的数据比特，分组括还包括一个或多个用 于错误检测（和可能的纠错）码的比特。
[0047] 如同实时开关控制数据，从控制器发送至节点的数据也可以包括非实时配置数据 以及可选的其它数据，例如定义了总体系统状态的状态改变数据（诸如进入睡眠模式、关 机模式等的指令）。该状态改变数据（被称为动作指令）优选地作为实时数据被发送。从 节点返回至控制器的数据可以包括如上文中所描述的实时开关确认数据、非实时监控数据 以及诸如过电流数据、过压、或过温数据的警报数据（实时发送）。如上文中提到的，分组 类型标记可以被用于指示诸如开关控制/确认数据的实时数据，例如定义了实时分组的零 和定义了非实时分组的一。在实施方式中，额外分组类型比特被用于定义分组子类型，尤其 用于非实时数据分组。非实时数据分组可以例如包括配置或监控数据。由于这种更晚的数 据类型可以采用更大的有效载荷，可选择地一个或多个序列数据比特可以用来定义NRT消 息。现在参照图3c，示出了在转移通过先前描述的开始于初始开启指令并结束于在保持状 态6的开启完成的6个状态时针对IGBT的集电极电流I。和集电极电流发射极电压对 应时间的示意图。因此，可以看到的是，在初始自由关闭状态1，I。是〇安培并且转变至在 保持状态3的可以是级别为0. 1-1安培的Imin，接下来在转变状态C期间增长至最大值。同 样在转变状态C期间，U拳至低电压Vmin(在状态4)，例如为大于饱和开启饱和电压的级别 为10-50伏特的电压。在转变状态D期间，Vce降至最终饱和开启饱和值V s，该值可以例如 是级别为1至5伏特的电压。因此在保持状态6,设备是饱和开启的。开关关闭序列实质上 是图3c中所示的反向。
[0048] 广义地说，如上文中所概述的，中央控制器的任务是安排功率转换器中的所有开 关设备的开关。其通过二级通信系统来进行：
[0049] 实时（RT)数据分组系统，保证了实时状态改变指令的及时到达以及实时状态和 故障标记的返回。
[0050] 非实时（NRT)消息发送服务被用于配置开关设备和将时间戳监控数据传递回至 中央控制器。
[0051] 中央控制器具有多个可以任意连接至开关设备或子控制器的端口，但是优选地每 个端口以某些方式映射至转换器的拓扑。在中央控制器上的端口的地址位于硬件中，并且 因此，数据分组可以被发送出并且在这些端口上独立地被接收以及彼此异步。
[0052] 如上文中所述，每个端口具有两个信道"A"和"B"以用于冗余；这些信道也可以被 独立地使用。中央控制器具有安排同时NRT(非实时）消息事务的能力。该双信道设置还 可以被用于辅助RT数据错误检查：开关设备在两个信道上同时接收相同的RT数据，并且 每个开关设备比较这两个接收到的分组来在执行动作前保证RT数据是相同的。由于分组 的RT数据部分应当是相同的，中央控制器也可以将这种方法应用于接收到的分组。然而需 要注意的是，然而，如果信道A和B正独立地被用于至相同端口上的不同设备的NRT消息事 务，则来自信道A和B的分组的NRT部分将不会相同。
[0053] 在实施方式中，所有端口可以是半双工的：数据分组从中央控制器被发送至子控 制器和开关设备，并且接下来返回分组被从所有接收开关设备发送至中央控制器。这是一 个完整的分组交换。中央控制器启动分组交换并且开关设备被给定在其内发送回复的时间 窗。
[0054] NRT消息被以类似的方式处理：中央控制器通过交换一系列数据分组来启动消息 事务直到完整的消息被发送。消息可以包含单个开关设备、子控制器或开关设备组的地址。 被分配地址址的设备处理消息并且可以以其自身消息来应答（但是只有一个设备可以在 一个硬件端口 /信道上随时应答）。因此如果应答被期望，中央控制器保持端口 /信道开启 等待来自接收NRT消息的开关设备的应答。在开关设备已经发送应答消息时，消息事务完 成。
[0055] 在端口 /信道被锁期间，中央控制器可能需要等待开关设备来发送应答消息，并 且可以不被用于向任何其它开关设备发送或从任何其它开关设备接收NRT消息。然而，中 央控制器自由地具有同时地在其他可用硬件端口和信道上开启的消息事务。
[0056] 广义地来说，子控制器的功能是从中央控制器向开关设备传递数据分组，并且合 并来自返回数据分组的数据。优选地，该任务在比特内比特外基上被快速地执行，而不等待 完整数据分组的到达。子控制器可以改变在比特接比特基础上的外出分组数据的内容来在 任意方向上执行任务。
[0057] 再一次地，每个子控制器具有多个端口，并且在实施方式中，每个端口具有两个信 道，"A"和"B"，以用于冗余。因此，子控制器和中央控制器可以具有类似的接口和/或包括 类似的硬件。在实施方式中，功率和通信通过这些端口连接被路由。
[0058] 在实施方式中，分配地址方案（随后被描述）保证了每个子控制器和开关设备具 有唯一的地址。优选地，信道A或B的选择由中央控制器自动地执行并且不是分配地址方 案的一部分（由于两个信道都路由至相同的端开关设备）。即使中央控制器中的第一层端 口通过硬件路由被分配地址，第一级列举优选地被包括在以路由和检查为目的的消息地址 中。
[0059] 通过示例的方式，为了分配具有4级通信结构的系统的地址，20比特地址被采用。 具有三相脚的逆变器可以被按照如下配置：
[0060] 级别1 :中央控制器端口 1- > 4连接至在半相脚1H上的四个主子控制器，端口 5- > 8连接至在半相脚1L上的四个主子控制器，以及同样对于相2和3 (即端口 1- > 24)。
[0061] 级别2 :每个主子控制器连接至24个次级子控制器（即1. 1- > 24. 24)。
[0062] 级别3 :次级子控制器连接至进一步的24个子级，实现总计每半相脚2304级（即 1. 1. 1- > 24. 24. 24)。
[0063] 级别4 :第三极子控制器连接至24个并联开关设备中的每一个，实现总计331776 个被连接的开关设备（即1. 1. 1. 1- > 24. 24. 24. 24)。
[0064] 该系统代表了适用于创建具有2400A的能够输出1KV/100A的开关设备的+/-1MV HVDC的系统的连通性级别。
[0065] 应当注意的是这种分配地址方案仅用于NRT消息，并且在实施方式中没有被用于 RT数据分组传递。
[0066] 在实施方式中，所有开关设备在给定的中央控制器端口接收所有数据分组，并且 接下来以其自身数据分组来应答（子控制器将正在进行的路由合并回至中央控制器）。每 个中央控制器端口 /信道的仅一个开关设备被允许随时以包含非空NRT数据的分组应答。 如果这确实发生了，则接收两个NRT数据块的子控制器向返回分组中插入逻辑1 "合并错 误"标记来向中央控制器警告有通信错误发生。（数据块包括一个或多个比特并且可以小 于1个字节或8比特字节）。
[0067] 类似地，在实施方式中，所有在给定的中央控制器端口上的消息由所有开关设备 来接收。
[0068] 如上所述，每个开关设备包括数字和模拟电路的组合以保证功率设备（IGBT或 M0SFET)转移通过6个开关状态中的每一个。
[0069] 如果开关仅包含单个开关设备，则不需要激活_低_电流（ACTIVE_LOW_CURRENT) 和激活_低_电压（ACTIVE_L0W_V0LTAGE)状态，这是由于其被用于同步的多开关设备。
[0070] 状态3 :当功率设备两端有高电压时激活_低_电流被使用。该受控的低电流状 态保证了当功率设备是激活的时在打开期间具有低功率消耗。
[0071] 状态4 :当高电流流经功率设备时激活_低_电压被使用。该受控的低电压状态 保证了当功率设备是激活的时在关闭期间具有低功率消耗。
[0072] 接下来参照图4a，示出了功率半导体开关设备控制系统400的第一示例性拓扑的 拓扑，示意了冗余信道的第一配置。在图4a的示例中，中央控制器402具有多个（例如30 个）逻辑输出/输入404,其中每一个逻辑输出/输入404分成一对冗余信道A和B404a、 b。该系统还包括多个子控制器406,各自子控制器处理A-信道和B-信道，以在子控制器故 障时提供冗余，每个开关设备控制器（SD) 408具有两个冗余输入/输出410a、b，一个用于A 和B信道中的每一者。在实施方式中，可以采用多层子控制器，例如多至三层的子控制器。
[0073] 在示意性示例中，在每个设备/控制器之间的连接为高速点对点链接，但是在可 替换的配置中，可以在中央控制器和子控制器之间采用共享总线。在一种实施方式中，连接 包括双绞铜线对；相同对或附加对可以被用来向开关设备控制器提供电力。可替换地，在中 央控制器和子控制器之间和/或至/来自开关设备控制器可以采用光纤连接。这种配置允 许了高速数据传递，例如大于l〇〇Mbit/s或lGbit/s。网络连接412也被提供至中央控制器 402以用于系统的整体配置/控制；在实施方式中，这可以是以太网连接。
[0074] 在图4b中，与图4a中的元件类似的元件以相同的参考数字指示，图4示意了第二 示例性拓扑，其中在该第二示例性拓扑中从中央控制器至开关设备控制器的A和B信道均 由相同的子控制器来处理。虽然这减少了冗余却具有其他优势，例如简化了布线并降低了 设备被连接至网络A和B上的不同地址的机会。以太拓扑可以被采用。
[0075] 本领域技术人员从上文中的描述中可以理解的是开关设备控制系统的拓扑允许 单个中央控制器可能地通过树结构控制巨大数量的功率半导体设备，其中如将在下文中所 描述的，在树中的每个节点被分配了地址以促进传递非实时消息。通信协议在该树上进行 操作，优选地提供下述特征：用于以尽可能小的总通信延时从中央控制器向开关设备控制 器传送短实时请求，以及接收该请求何时被完成的指示，以同步功率半导体开关设备组的 开关的机制。用于中央控制器从开关设备控制器接收高级别故障信息的机制，再次优选地 具有尽可能短的延时，这是用于检测故障条件从而采取校正动作。中央控制器为了故障诊 断而询问开关设备控制器（SDs)和子控制器（SCs)、初始设备配置以及为了故障预报而读 取测量数据等的机制一这可以采用更长的潜在多字节事务并且不需要是"实时"的。通信 协议将总体上在电噪声环境中操作，在通信节点之间具有相对高度的电分离。
[0076] 为了支持低时延实时需求，协议使用短帧结构和请求/响应协议。CC向所有设备 发送出单个帧，SC将该单个帧转发至所有其输出端口，SD接收该单个帧。SD发送立即响 应，SC从所有端口接收这些并且在将合并的响应发送回至CC之前将其合并。这是非对称 的：SC从上层接收单个数据帧并且将其广播出至所有端口；SC从下层接收多个数据帧并且 在向上发送单个帧之前将多个数据帧合并在一起。
[0077] 用于低迟延的短帧长度不直接允许NRT(非实时）消息发送，其中请求或响应可能 需要多字节分组被传送。为了达到这一点，当NRT事务在多个短帧上分离时，需要更高级的 协议。
[0078] 示例性低级帧结构在后文中被描述；一些特征为：
[0079] ?下游（CC至SD)和上游（SD至CC)帧在内容和其尺寸上均是不同的。
[0080] ?两个帧均包含海明码以允许错误检测和纠正。
[0081] ?在下游帧中的类型比特⑴指示了其是否包含实时（RT)和非实时（NRT)数据。
[0082] ?上游帧包含RT和NRT数据二者（S卩，没有类型比特）。
[0083] CC始终负责将RT业务优先于NRT业务。因此状态改变将在NRT数据之前发生。 SD不将发送（RT)故障数据优先于发送NRT数据（因为否则将不能使用NRT机制检查到在 故障状态的节点），并且因此RT和NRT数据二者均存在于上游帧中。
[0084] 海明码（在更多传统CRC上）的选择是为了减少当合并来自下层的帧时在SC内 的延时以及提供错误纠正度。
[0085] 实时请求从CC被发送至在实时组内的所有设备（在一个实施方式中是32个）。 请求为所有在组内的所有SD应该改变开关状态或应该执行某些实时动作。实时响应包含 "状态改变进行中"和"动作进行中"比特以指示切换或动作何时被完成，并且包含故障标记 来指示SD的故障状态。
[0086] SC对来自所有下游节点的比特执行或操作以向CC提供"子系统状态"。如果CC发 布状态改变，可以确定当SIP比特变成为清零时所有设备已经完成该操作。示例性RT帧在 随后被描述。
[0087] 在实施方式中，用于实时分组的往返延时时间小于在开关设备的两个（中间） 状态之间的转变所花费的时间。进一步优选的是，往返时间不大于用于开关设备的故障 时间；优选地，往返时间延时时间比该故障时间小的级别为几十倍。典型的故障时间为? 1-10 μ s (例如短路时间可以从设备数据表中被确定；这可以取决于设备的操作条件）。通 常，开关设备的状态在?1 μ S的时间范围上改变，并且因此优选地，信号发送能够更快地 操作。
[0088] 非实时请求作为多帧在网络上被传送。NRT帧结构包含8-比特的数据以及指示 是否是普通数据字节的比特，或者是指示消息结构的控制字节（例如，开始或停止信号，或 用于流控制的暂停）。下游NRT帧还包含序列号（总线的不对称特性意味着不被需要的下 游）。
[0089] 在实施方式中，每次只有单个SD/SC可以响应于NRT请求，从而当数据在SC合并 时不会被毁坏。所有其它设备传送被定义为具有所有零比特的空-控制分组并且因此可以 被无害地合并。
[0090] CC使用NRT层来访问在SD内的寄存器。NRT消息包含NRT设备地址以及操作（读 或写）类型和要访问的寄存器地址。对于写操作，要被写入的数据也被传送；对于读操作， 要读取的寄存器的数量被传送。来自SD/SC的响应包含状态以及在读请求的情况中的任何 需要的数据。
[0091] NRT分配地址模型优选地包括广播和组地址来允许操作应用至多个节点。只有一 个传送SD/SC的优选限制意味着SD/SC不应该响应于组请求来传送数据；因此这些请求仅 用于写操作，例如用于设备组的初始配置。
[0092] 现在参照图5a，概念地示出了在子控制器接收到的来自多个开关设备控制器的数 据分组的合并。来自开关设备控制器的状态数据由RT(实时）标记组来代表，在实施方式 中，如上文所述有6个标记。这被或运算500在一起来合并来自可能多至10 4级别的个数 的设备的数据。这是由于转变（SIP)比特（在转变期间为激活的）被提供的。将来自开关 设备控制器的状态数据或运算在一起指示了何时所有设备已经达到了随后状态，这是因为 只有在那时没有设备具有SIP比特设置。在这种方式中可以做出状态改变完成502确定。 在实施方式中，采用例如接近lGbit/s的比特率的串行数据通信，每个实时分组花费接近 24ns到达并且因此状态改变完成确定可以被快速做出。然而本领域技术人员将理解的是， 并行或部分并行的非串行通信可以使用相同的方法被可选择地采用。
[0093] 在实施方式中，来自开关设备控制器的数据还包括故障数据，在故障数据中一个 或多个比特是激活的（高或低）来指示故障。再次地，接下来该故障数据可以被或运算500 在一起来为开关设备控制器组识别是否有故障存在504。在实施方式中，结果状态改变完 成，并且接下来可选故障数据可以在被装配至一个或多个数据分组之后被转发至中央控制 器。
[0094] 在实施方式中，从开关设备控制器接收到的数据还包括错误检测数据，在实施方 式中是用于海明码的校验数据。接下来过程包括错误解码处理506来对海明码解码，这可 以在接下来被测试以检测在来自树的相关分支中的任何开关设备控制器的确认数据分组 中的错误。接下来错误标记可以被相应地设置在至中央控制器的分组中。本领域技术人员 将理解的是，具有可以用于处理错误检测数据的可替换方法，尤其是由于合并该数据潜在 地隐藏了哪一个开关设备控制器确认分组包含错误（虽然优选地预先合并的数据可以进 行本地存储以用于识别这一点的询问）。在一些优选实施方式中错误检测数据还被包括在 从子控制器转发至中央控制器的数据中；在实施方式中这为检测二比特错误和纠正一比特 错误（在子控制器至控制器链路上）提供了便利。
[0095] 图5a还概念地示出了当校验比特被包含在来自开关设备控制器的状态或其它数 据中，则输入的数据可以随着到达被错误检测，减少了错误解码延时。这是由于当输入（串 行）数据的最终部分已经到达时，一些错误解码已经被执行，并且因此可能仅有小的附加 延时来确定完成分组是良好（有效）或无效，在随后的情况中，为被附加至在优先于或运算 的错误解码处理506以外的数据的一比特错误标志E。在实施方式中，可以具有1-5比特的 错误解码延时，其中相比较于控制系统内的信号的传播延时，在每纳秒一比特通常是小的。 最重要的是，由于每比特在整个分组被验证之前被转发，当分组在几乎被发送出之后处于 错误时，需要有机制来进行标记。这由附加的错误标记来提供，该错误标记被海明码的最后 三比特覆盖。
[0096] 在实施方式中，由子控制器从开关设备控制器接收到的确认数据包括24比特帧。 子控制器可以例如接收30个这种帧，该帧通过或运算数据比特来合并以确定子系统状态。 在实施方式中，一个通信信道被提供给每个开关设备控制器；这可以被实施为一个或多个 "有线"或光纤电缆。如上所述，实时确认数据分组尤其包括六个标记。在其它方向，发送至 开关设备控制器（节点或SD)的开关状态或其它指令包括组地址，在实施方式中包括5比 特。这种指令分组广播自中央控制器，并且由一个或多个子控制器转发至开关设备控制器， 该开关设备控制器解译该指令并且例如相应地改变状态。然而可替换地，并行总线配置可 以被采用而不需要数据分组或者在实施方式中的这种分配地址（addressing)技术。
[0097] 下面我们将更详细地描述数据链路层的示例性优选实施方式。
[0098] 数据链路层
[0099] 广义地讲，数据链接层提供了从CC至D的不可靠的广播数据报服务以及从SD至 CC的不可靠单播数据报服务（SD不能在他们之间直接通信，所有通信由主机控制）。从控 制器至节点（CC- > N)的数据帧以及相反（N- > CC)的总体格式如下：
[0100]
【权利要求】
1. 一种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导体开关设备控制系统， 该系统包括： 协调控制系统；以及 多个开关设备控制器，每一个开关设备控制器被耦合至所述协调控制系统； 其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率半导体开 关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态 和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态； 其中所述协调控制系统被配置为通过控制所述开关设备控制器来控制所述开关设备 同步开关；以及 其中所述协调控制系统还被配置为： 控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从包括所述全关闭状态和 所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态； 将所述功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步开关所述设备；以及接下来 控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从所述中间状态进入包括 所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制所述一 个或多个各自的所述功率半导体开关设备进入在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之 间的多个所述中间状态；以及其中所述协调控制系统还被配置为控制所述开关设备控制器 来控制所述功率半导体开关设备在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间切换时进入 所述中间状态中的每一个状态，并且在转变至下一个所述中间状态之前将所述功率半导体 开关设备维持在所述中间状态中的每一个状态，以同步开关所述设备。
3. 根据权利要求1或2所述的控制系统，其中中间状态或所述中间状态包括预备开启 状态，其中在所述预备开启状态中，所述功率半导体开关设备具有在全关闭电流和饱和开 启电流之间的中间电流。
4. 根据权利要求1、2或3所述的控制系统，其中中间状态或所述中间状态包括激活的 低电压状态，其中在所述激活的低电压状态中，所述功率半导体开关设备支持在全关闭电 压和饱和开启电压之间的中间电压。
5. 根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述协调控制系统和每一所述开关设 备控制器包括用于在所述协调控制系统和所述开关设备控制器之间的数据通信的各自的 数据通信接口；以及 其中所述协调控制系统还被配置为通过下述控制所述开关设备控制器来控制所述功 率半导体开关设备： 向所述开关设备控制器发出控制信号以控制所述功率半导体开关设备从所述初始状 态至所述或每个所述中间状态； 从所述开关设备控制器接收已经达到所述或每个所述中间状态的确认信号； 等到所述开关设备控制器中的每一者已经确认已经达到所述或每个所述中间状态；以 及接下来 向所述开关设备控制器发出控制信号来控制所述功率半导体开关设备从所述中间状 态至随后的所述状态。
6. 根据权利要求5所述的控制系统，其中所述数据通信接口包括分组数据通信接口。
7. 根据权利要求6所述的控制系统，其中所述控制信号和所述确认信号包括实时分组 数据传输信号。
8. 根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述协调控制系统包括耦合至一个或 多个子控制器的中央控制器，其中所述中央控制器和所述一个或多个子控制器通过共享总 线进行通信，其中每个所述开关设备控制器具有至所述子控制器的专用连接，以及其中所 述中央控制器被配置为通过所述共享总线和所述专用连接经由所述一个或多个子控制器 控制所述开关设备控制器。
9. 根据前面任一权利要求所述的控制系统，还包括所述功率半导体开关设备，其中所 述功率半导体开关设备被连接以定义一组串联连接的设备串，并且其中在所述组的每个串 中的对应的设备被并联连接。
10. 根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述功率半导体开关设备包括 IGBT。
11. 一种用于控制多个开关设备控制器的协调控制系统，每个所述开关设备控制器被 耦合至协调控制系统，用于同步开关多个功率半导体开关设备，其中每个所述开关设备控 制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率半导体开关设备进入多个状态，该多个状态 包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一 个中间状态，所述协调控制系统包括： 通过控制所述开关设备控制器控制所述开关设备进行同步开关的系统； 其中控制所述功率半导体开关设备的所述系统被配置为： 控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从包括所述全关闭状态和 所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态； 将所述功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步所述设备的开关；以及接下来 控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从所述中间状态进入包括 所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。
12. -种控制多个功率半导体开关设备的开关的方法，该方法开始于每个设备处于包 括饱和开启状态和全关闭状态中的一者的初始状态，该方法包括 ： 控制所述功率半导体开关设备从所述初始状态转变至在所述饱和开启状态和所述全 关闭状态之间的一个或多个中间状态； 将所述功率半导体设备保持在所述一个或多个中间状态以将所述设备对准于所述一 个或多个中间状态中；以及接下来 控制所述功率半导体开关设备从所对准的状态转变至包括所述饱和开启状态和所述 全关闭状态中的一者的最终状态。
13. -种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导体开关设备控制系 统，该系统开始于每个设备处于包括饱和开启状态和全关闭状态中的一者的初始状态，该 系统包括： 用于控制所述功率半导体开关设备从所述初始状态转变至在所述饱和开启状态和所 述全关闭状态之间的一个或多个中间状态的装置； 用于将所述功率半导体设备保持在所述一个或多个中间状态以将所述设备对准于所 述一个或多个中间状态中的装置；以及 用于控制所述功率半导体开关设备从所对准的状态转变至包括所述饱和开启状态和 所述全关闭状态中的一者的最终状态的装置。
【文档编号】H03K17/10GK104054243SQ201280063884
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】M·斯努克, E·谢尔顿, S·帕克, M·威特 申请人:阿曼提斯有限公司