CN102648587A

CN102648587A - 电力线通信装置、具有通信功能的电源电路、电气设备、和控制及监测系统

Info

Publication number: CN102648587A
Application number: CN2010800344536A
Authority: CN
Inventors: 引原隆士; 宅野嗣大; 弘津研一; 下口刚史; 柴田俊和; 筑野孝; 初川聪
Original assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: US9136911B2; JP2011040829A; WO2011016466A1; EP2464027A4; EP2464027A1; CN102648587B; TW201119258A; TWI475816B; US20120128081A1; EP2464027B1; JP5432628B2

Abstract

在要安装在诸如家用电器的电气设备中，以更简化且更便宜的电路配置实现电力线通信的传输功能。电力线通信装置被配置成使得存在于与电力线连接的电路上的半导体开关元件(Sx)由调制单元(12)驱动。该调制单元(12)通过控制半导体开关元件(Sx)的ON/OFF状态来在规定的时期将调制后的矩形波通信信号输出至电力线。

Description

电力线通信装置、具有通信功能的电源电路、电气设备、和控制及监测系统

技术领域

本发明涉及使用电力线作为信号传输路径的电力线通信装置、安装有电力线通信功能的电源电路、电气设备和控制及监测系统。

背景技术

通过电力线通信（PLC：电力线通信）在家庭区域中构造网络的技术已得到实际应用。这样的电力线通信使得可以在每一个均连接至电源插座的PLC调制解调器（电力线通信装置）之间建立通信，其中，电力线（室内布线）被用作信号传输路径。因此，在不于家庭区域中铺设专用通信电缆的情况下，也可以构造有线LAN（局域网）（例如，参见非专利文献1）。具有信息通信功能的设备（如个人计算机）经由通信线连接至每个PLC调制解调器。另外，不限于个人计算机，还可以将具有接收外部控制并向外部提供信息的附加功能的家用电器连接至PLC调制解调器，以将该家用电器包括在网络中（例如，参见专利文献1）。

然而，为每个家用电器购买并安装PLC调制解调器是很麻烦的。此外，PLC调制解调器占用一个电源插座也是不方便的。另外，存在物理安装PLC调制解调器困难的情况，诸如将其安装在墙壁表面上等。因此，从PLC的功能性和促进PLC普及的观点出发，优选使家用电器预先包括PLC调制解调器。

图5是示出PLC调制解调器安装在家用电器中的情况的电路配置示例的示图。参照该图，家用电器63通常包括向用于控制目的而安装的电子电路提供DC电源电压的电源电路62。电源电路62将经由插头63p供给的商用AC电压转换成规定的DC电压。PLC调制解调器61并联连接在电源电路62的初级侧，并且通过插入电源插座64 的插头63p而连接至电力线65。

PLC调制解调器61包括PLC调制解调器电路单元611、用于与电力线耦合的高频变压器612和电容器613。另外，PLC调制解调器电路单元611包括数字通信处理单元、调制单元、解调单元和线路驱动器（模拟放大器）等，其中每一个均未示出。

如上所述，当PLC调制解调器61安装在家用电器63中时，存在家用电器63与电路的复杂性相关、以及成本增加的问题。因此，如何简化电路和抑制成本的增加成为需要解决的问题。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公布第2008-48012号（图1和图2）

非专利文献

非专利文献1：“Current State of Power Line Transmi ssion(PLC:Power Line Communication)”,Kiyoshi ETO,Interface,pages 70-81，CQ Publishing Co.,Ltd.,September,2000

发明内容

考虑到上述问题，本发明的一个目的在于在安装在电气设备（诸如家用电器等）中的PLC调制解调器中以更简化且有成本效益的电路配置实现电力线通信的传输功能。

（1）本发明是一种使用电力线作为信号传输路径的电力线通信装置。电力线通信装置包括：半导体开关元件，其存在于与电力线连接的电路上；以及调制单元，其控制半导体开关元件的ON（开）/OFF（关）操作，从而使调制矩形波的通信信号在规定时期输出至电力线。

利用如上述所构造的电力线通信装置，通过以基于要传输的电力线通信的信号而调制的ON/OFF操作模式使半导体开关元件进行开关，可以将该信号经由电力线传输至其他电力线通信装置。因此，不需要用于在电力线上发送电力线通信的信号的线路驱动器（模拟放大器）或高频变压器。

（2）另外，在电力线通信装置中，半导体开关元件还可以用于对供给有来自电力线的AC电压的电源电路进行开关，并且调制单元可以使半导体开关元件在未被来自电源电路的电力信号占用的空闲时间内输出通信信号。

在这种情况下，可以使用电源电路构造电力线通信装置。

（3）另一方面，本发明是一种通过基于从电力线供给的AC电压进行开关来执行AC/DC转换的电源电路。该电源电路包括：半导体开关元件，其执行所述开关；解调单元，其提取并解调电力线通信的信号，该信号是使用电力线作为信号传输路径来传输的；以及调制单元，其使用用于AC/DC转换的开关的空闲时间来控制半导体开关元件的ON/OFF操作，从而使调制矩形波的通信信号在规定时期输出至电力线。

利用如上述所构造的具有通信功能的电源电路，通过以已经基于要传输的电力线通信的信号进行了相位调制的ON/OFF操作模式来使半导体开关元件进行开关，可以经由电力线传输电力线通信的信号。因此，不需要用于在电力线上发送电力线通信的信号的线路驱动器或高频变压器。另外，电源电路的使用消除了对并行使用专用于电力线通信功能的电源单元的需要。此外，可以使用电源电路的半导体开关元件。

（4）另外，在（3）中所述的具有通信功能的电源电路中，优选地，与用于在电源电路中进行整流的电容器串联地插入由电感器和电容器组成的LC并联电路，并且LC并联电路的电感和电容被设置成使得以电力线通信的开关频率发生并联谐振。

在这种情况下，由于LC并联电路的阻抗因为并联谐振而变得极大，因此可以防止整流电压输出端子之间的短路。

（5）另外，在（3）中所述的具有通信功能的电源电路中，优选地，半导体开关元件使用SiC晶体管、GaN晶体管和钻石晶体管之

在这种情况下，这些晶体管全部仅具有较小的开关损耗。因此，即使将用于电力线通信的开关添加到固有开关中，也可以抑制电源电路的转换效率降低。

（6）另外，在（3）中所述的具有通信功能的电源电路可以集成到模块中，以能够安装在电气设备中。

在这种情况下，通过将集成为模块的电源电路安装在各种电气设备中，可以容易地添加电力线通信功能。

（7）另外，安装有在（3）中所述的具有通信功能的电源电路的本发明的电气设备可以将关于其自身功耗的信息包括在通信信号中。

在这种情况下，可以容易地将关于功耗的信息提供给管理设备（中央控制及监测装置、个人计算机等）。

（8）另外，安装有在（3）中所述的具有通信功能的电源电路的本发明的电气设备可以基于通过调制所获得的电力线通信的信号来控制自身的操作或者执行自身的电力管理。

在这种情况下，电气设备可以是基于电力线通信的电力管理或远程控制的对象。

（9）另外，本发明的控制及监测系统与如下各器件构造电力线通信网络：安装有（3）中所述的具有通信功能的电源电路的电气设备，该电气设备将关于其自身功耗的信息包括在通信信号中，并且能够基于通过调制所获得的电力线通信的信号来控制其自身的操作或执行其自身的电力管理；以及管理设备，其具有电力线通信功能。管理设备控制并监测电气设备的信息。

在这种情况下，在不需要另外提供专用于通信的线路的情况下，管理设备（中央控制及监测装置、个人计算机等）可以对电气设备进行中央控制或监测。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施例的、具有基于电力线通信的通信功能的电力线通信装置（PLC调制解调器）和电源电路的示意配置的示图；

图2是示出电源电路的内部配置的电路图；

图3的（a）是示意性地示出驱动用于电力线通信的半导体开关元件的脉冲信号的一个示例的示图，以及（b）是示出电源电路的开关的示图，其中包括了（a）所示的脉冲信号；

图4是示出基于电力线通信的家用网络的一个示例的示图；以及

图5是示出在家用电器中包括PLC调制解调器的情况下的电路配置示例的示图。

具体实施方式

图1是示出根据本发明的一个实施例的、具有基于电力线通信的通信功能的电力线通信装置（下文中，称为PLC调制解调器）和电源电路的示意配置的示图。即，例如，PLC调制解调器1安装在电源电路2中，并且电源电路2安装在家用电器3中。通过将连接至电源电路2的初级侧的插头3p插入电源插座4中，从电力线5向电源电路2供给商用AC电压（AC 100V），并且PLC调制解调器1可以执行电力线通信。

图2是示出电源电路2的内部配置的电路图。电源电路2使用商用AC电压作为输入电压，并且通过执行整流和利用开关进行的AC/DC转换来提供规定的DC输出电压（例如，DC 16V）。具体地，如图所示，电源电路2通过连接由四个二极管构造的桥接电路21、用于整流的电容器Cs、LC并联电路22、半导体开关元件Sx、变压器23、两个二极管24和25、扼流线圈26和平滑电容器27来构造正向转换器。

LC并联电路22由彼此并联连接的电感器（电感：Lx）和电容器Cx（电容：Cx）组成。上述部件中除了LC并联电路22以外均是电源电路本身需要的。

应注意，桥接电路21中的二极管以及二极管24、25的功能可以通过以诸如FET的晶体管替换并执行同步整流来实现。

另外，作为半导体开关元件Sx，使用了适合于以高频（2MHz以上）开关的晶体管、或者结型FET、MOS-FET等。驱动单元29和调制单元12并联连接至半导体开关元件Sx的控制端子（基极、栅极）。驱动单元29在接收到来自开关控制单元28的驱动指令时工作。调制单元12在接收到来自数字通信处理单元11的调制指令时工作。

另外，开关控制单元28向数字通信处理单元11指示由驱动单元29执行的开关的定时和空闲时间（将在稍后详述），以使得不同时提供驱动单元29的输出和调制单元12的输出。如图所示，解调单元13经由高通滤波器14和15连接至LC并联电路22的相对的两端。来自解调单元13的输出信号被发送至数字通信处理单元11。

首先，将以电源电路2给出对电源电路的固有功能的描述。当处于OFF状态的半导体开关元件Sx因驱动单元29的输出而进入ON状态时，由于经桥接电路21整流的电压而在变压器23的初级侧绕组处产生了反电动势，从而在次级侧绕组处产生了感应电动势。因而，电流经由二极管24流过负载（未示出），从而能量储存在扼流线圈26中。

接下来，当半导体开关元件Sx进入OFF状态时，扼流线圈26释放所储存的能量，以避免电流的变化，从而电流经由二极管25流过负载。通过重复该过程，将电力供给至负载。开关频率是较低的频率，即约几十kHz到几百kHz。

接下来，将给出对电源电路2中的电力线通信功能的描述。

首先，关于接收，施加于电力线上的电力线通信的信号（2MHz至30MHz的高频）经由高通滤波器14和15而被解调单元13解调。数字通信处理单元11对解调后的信号进行解码。

另一方面，由数字通信处理单元11经由调制单元12开关半导体开关元件Sx来执行传输。以2MHz以上的高频进行所述开关。

图3（a）是示意性地示出驱动用于电力线通信的半导体开关元件Sx的脉冲信号（传输信号）的一个示例的示图。该信号是已进行了相位调制的数字信号。即，该信号基本上表示基于在单位时间（=一个周期t）内脉冲（矩形波）的ON/OFF定时变化的两位信息。当在周期t开始处进入ON状态并且在1/2周期的时间点处进入OFF状态时，该信号表示“0”。相反，当在1/2周期的时间点处进入ON 状态并且在一个周期结束的时间点处进入OFF状态时，该信号表示“1”。

例如，当要传输的电力线通信的信号（信息）为“00101”时，调制单元12输出图3（a）所示的脉冲信号。因此，调制单元12使半导体开关单元Sx在规定时间段T内、以某一周期t在单位时间（=t）内接通/断开，并且通过基于要传输的电力线通信的信号改变在一个周期t内引起ON/OFF的定时来执行相位调制。

图3（b）是示出包括图3（a）所示的脉冲信号的电源电路2的开关的示图。基于被示为电力信号的PWM（脉冲宽度调制）脉冲以某一周期ts执行电源电路的固有开关。PWM脉冲将不占用完整的一个周期ts，从而在一个周期ts的初始阶段和最终阶段中始终均存在空闲时间。因此，使用例如图中所示的空闲时间，在一个周期的初始阶段插入图3（a）所示的电力线通信的脉冲信号。

应注意，如上所述，由于电力线通信的信号频率是远高于电源电路的固有开关频率的频率，因此，传输时间T非常短。另外，图2所示的数字通信处理单元11使调制单元12与开关控制单元28同步地工作。因此，可以在目标空闲时间内准确地插入信号。

通过插入上述信号，使半导体开关元件Sx进行开关，从而将电力线通信的信号经由桥接电路21发送至电力线5（图1）。以此方式，半导体开关元件Sx起到振荡器的作用，其在针对AC/DC转换而执行固有开关操作的时间之间发送电力线通信的信号。

尽管执行信号插入的频率根据正传输的信息量而不同，但是在信息是例如数值数据时，每秒一次就足够了。因此，可以将信号插入对电源电路的转换效率的影响抑制到可以忽略的程度。

如上所述，PLC调制解调器1或具有该功能的电源电路2使得半导体开关元件Sx以已经基于要传输的电力线通信的信号进行了相位调制的ON/OFF模式进行开关，从而实现了将信号经由电力线5传输至其他PLC调制解调器（或者电源电路或家用电器）。因此，不需要用于将电力线通信的信号发送至电力线的线路驱动器（模拟放大器）或高频变压器。因而，可以以简化且有成本效益的电路配置实现电力线通信的传输功能。

另外，电源电路2的使用消除了对并行使用专用于电力线通信功能的电源单元的需要。另外，由于可以使用电源电路2的半导体开关元件Sx，因此，可以以更简化且有成本效益的电路配置实现电力线通信功能。

应注意，LC并联电路22的电感和电容被设置成使得在电力线通信的开关频率发生并联谐振。即，

fs=1/{2π·(Lx·Cx)^1/2}

其中，fs是用于电力线通信的开关频率。在这种情况下，LC并联电路22的阻抗由于并联谐振而变得极大。因此，即使当电容器Cs的阻抗在高频处接近0时，也可以防止图2中的整流电压输出端子C-D之间的短路。

另外，需要调整Lx和Cx的谐振的Q值，以使流过图2所示的输入端子A和B的共模电流落入由无线电法规规定的电力线通信的可接受值的范围（2-15MHz：30dBμA，15-30MHz：20dBμA）内。

注意，在电力线通信中所使用的频率可以是单个频率。或者，该频率可以是多个频率或OFDM（正交频分复用）。然而，当所使用的频带较宽时，如图2所示的LC并联电路22（一个电感器Lx和一个电容器Cx）是不适合的，从而还必须并联连接谐振频率不同的多个LC并联电路。

应注意，在将晶体管用作半导体开关元件Sx的情况下，优选地使用Sic晶体管、GaN晶体管或钻石晶体管。这些晶体管全部仅具有较小的开关损耗。因此，即使将用于电力线通信的开关添加到固有开关中，也可以抑制电源电路的转换效率的降低。

应注意，优选地，具有如上所述的通信功能的电源电路2集成为模块（例如，储存在电源单元的壳体等中的制成零件）。

在这种情况下，通过将集成为模块的电源电路2安装至各种家用电器或其他电气设备，可以容易地添加电力线通信功能。

图4是示出基于电力线通信的家用网的一个示例的示图。在该房屋H内，PLC调制解调器100连接至设置在光纤102的端部处的 ONU（光纤网络单元）101。家庭区域的各电力线（室内布线）5通过配电板6彼此连接。配电板6经由引入线7连接至外部电力线。在电力线5的若干点处，设置了电源插座4。

通过将PLC调制解调器100连接至电源插座4，可以将在家庭区域内延伸的电力线5用作基于电力线通信的信号传输路径。另外，通过将电气设备（诸如，安装有具有如上所述的通信功能的电源电路2的各种家庭区域家用电器）连接至电源插座4，可以构造基于电力线的LAN。这里，例如，空调301至303、电视机304、冰箱305以及中央控制及监测装置306是安装有具有通信功能的电源电路2的电气设备。

个人计算机307连接至PLC调制解调器100以能够建立通信。然而，将具有通信功能的电源电路2安装在个人计算机307中，可以经由电力线建立通信。电流检测器8可以检测流过引入线7的电流，并且输出被发送至中央控制及监测装置306。

在如图4所示的配置中，个人计算机307可以通过PLC调制解调器100和ONU 101而经由光纤102建立互联网连接。另外，例如，电视机304能够经由电力线5从光纤102接收视频发布。

另外，为了控制或监测电力而构造家用网。例如，控制及监测的对象是功耗很大的空调。空调301至303具有提供其自身功耗信息的功能，并且使用安装在电源电路2中的PLC调制解调器1的功能将该信息发送至每条电力线5。另外，空调301至303均具有从外部接收控制空调301至303的操作的信号的功能，并且它们可以利用安装在电源电路2中的PLC调制解调器1的功能接收该信号。

另一方面，中央控制及监测装置306能够使用安装在电源电路2中的PLC调制解调器1的功能来接收来自电力线5的信号。因此，该中央控制及监测装置能够监测家庭区域中的空调器301至303的功耗，并且在需要时进行显示。另外，中央控制及监测装置306能够基于电流检测器8的输出检测整个家庭区域的功耗。此外，中央控制及监测装置306具有关于家庭区域内的可接受功耗（其被预设为例如从节能的观点看来可以使用的最大功率）的信息。

当家庭区域的功耗超过可接受功耗时，中央控制及监测装置306使空调301至303中的至少一个停止工作。具体地，中央控制及监测装置306将停止信号传输至期望停止的空调，并且接收到该信号的空调可以通过使电源电路2的半导体开关元件Sx持续地进入OFF状态来停止工作。另外，当家庭区域的功耗降低并且变得远远小于可接受功耗时，可以再次启动停止工作的空调。以此方式，可以基于电力线通信远程控制家用电器。

应注意，中央控制及监测装置306是用于控制和监测网络中的电力的管理设备的一个示例。这样的功能也可以通过个人计算机来实现。另外，用这样的管理设备和作为控制和监测的对象的电气设备构造的控制及监测系统可以应用于作为控制和监测对象的各种电气设备，而不限于空调。此外，可以在办公室或工厂构造这样的控制及监测系统，而不限于家庭区域。

应注意，本文中所公开的实施例应该在每个方面均被解释为示例，而不作为限制。通过权利要求的描述旨在表明本发明的范围，并且本发明的范围包括等同于权利要求的描述的含义和范围的任何变型。

例如，本通信方案不仅可应用于AC电源线，而且通过省去桥接电路21而可应用于DC电源线。另外，还可应用于FSK、QPSK、QAM、OFDM、SS（扩展频谱）调制，而不限于相位调制。

工业应用性

对于本发明的电力线通信装置，可以省去用于将电力线通信的信号发送至电力线的线路驱动器或高频变压器。因而，可以以简化且廉价的电路配置实现电力线通信的传输功能。

另外，对于具有本发明的通信功能的电源电路，除了省去用于将电力线通信的信号发送至电力线的线路驱动器或高频变压器的优点外，电压电路的使用还可以提供如下的电源电路：其以更简化且有成本效益的电路配置实现电力线通信的功能。本发明的电气设备以及控制及监测系统同样具有上述优点。

Claims

1.一种使用电力线作为信号传输路径的电力线通信装置，包括：

半导体开关元件，其存在于与所述电力线连接的电路上；以及

调制单元，其控制所述半导体开关元件的ON/OFF操作，以使为调制矩形波的通信信号在规定时期输出至所述电力线。

2.根据权利要求1所述的电力线通信装置，其中，

所述半导体开关元件还用于对供给有来自所述电力线的AC电压的电源电路进行开关，并且

所述调制单元使所述半导体开关元件在未被来自所述电源电路的电力信号占用的空闲时间内输出所述通信信号。

3.一种具有通信功能的电源电路，其通过基于从电力线供给的AC电压进行开关来执行AC/DC转换，所述电源电路包括：

半导体开关元件，其进行所述开关；

解调单元，其提取并解调电力线通信的信号，该信号是使用所述电力线作为信号传输路径来传输的；以及

调制单元，其使用用于AC/DC转换的所述开关的空闲时间来控制所述半导体开关元件的ON/OFF操作，以使为调制矩形波的通信信号在规定时期输出至所述电力线。

4.根据权利要求3所述的具有通信功能的电源电路，其中，

由电感器和电容器组成的LC并联电路被插入与用于在所述电源电路中进行整流的电容器串联，并且

所述LC并联电路的电感和电容被设置成使得以电力线通信的开关频率发生并联谐振。

5.根据权利要求3所述的具有通信功能的电源电路，其中，

所述半导体开关元件使用SiC晶体管、GaN晶体管和钻石晶体管之一。

6.根据权利要求3所述的具有通信功能的电源电路，其中，

所述电源电路集成为模块，以能够安装在电气设备中。

7.一种安装有根据权利要求3所述的具有通信功能的电源电路的电气设备，其中，

所述电气设备将关于其自身功耗的信息包括在通信信号中。

8.一种安装有根据权利要求3所述的具有通信功能的电源电路的电气设备，其中，

所述电气设备基于通过调制所获得的电力线通信的信号来控制其自身的操作或者执行其自身的电力管理。

9.一种控制及监测系统，其与如下器件构造电力线通信网络：已安装有根据权利要求3所述的具有通信功能的电源电路的电气设备，所述电气设备将关于其自身功耗的信息包括在所述通信信号中，并且其能够基于通过调制所获得的电力线通信的信号来控制自身的操作或执行其自身的电力管理；以及管理设备，其具有电力线通信功能，其中，

所述管理设备控制所述电气设备并监测所述电气设备的信息。