CN103124160B

CN103124160B - 使用两个串行信号控制和监视功率半导体装置的电力系统

Info

Publication number: CN103124160B
Application number: CN201210468997.4A
Authority: CN
Inventors: G·J·芬豪斯; K·W·鲍洛格
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: US8866348B2; AU2012244320A1; EP2595304A3; CA2794873A1; EP2595304A2; CA2794873C; US20130128628A1; US20150036402A1; CN103124160A; US9318975B2

Abstract

本发明涉及使用两个串行信号控制和监视功率半导体装置的电力系统。电力系统（100）包含：功率半导体装置（14）；控制电路（110），其输出第一激发信号（112），每个第一激发信号用于对应的功率半导体装置，并且，输出第一致动响应信号（114），每个第一致动响应信号与对应的功率半导体装置相关联。第一接口电路（116）与控制电路协作，输入第一串行信号（118）并输出第一激发信号，输入第一致动响应信号并输出第二串行信号（120）。第二接口电路（122）与控制器协作，输入第二串行信号，向控制器输出与第一致动响应信号对应的第二致动响应信号（124），从控制器输入与第一激发信号对应的第二激发信号（126），并输出第一串行信号。控制器用第二激发信号对功率半导体装置进行控制，并用第二致动响应信号来监视功率半导体装置。

Description

使用两个串行信号控制和监视功率半导体装置的电力系统

技术领域

所公开的构思一般涉及使用半导体装置的系统，特别涉及例如对功率半导体装置进行控制或监视的电力系统等的系统。

背景技术

感应电动机驱动器，也称为交流（AC）驱动器，用于控制多相感应电动机的速度和转矩，多相感应电动机已经长期成为工业的重负荷机器。

AC驱动器能分为两类：低电压和中电压。低电压AC驱动器被广泛使用，并覆盖0VAC到大约600VAC的范围。低电压AC驱动器由世界范围内最多五百家公司制造。中电压AC驱动器覆盖了超过大约660VAC且直到大约15000VAC的输入线电压。仅大约几家已知的公司设计和生产中电压AC驱动器。高电压AC驱动器覆盖了大约15000VAC以及更高的电压，但相比于低电压和中电压AC驱动器来说非常罕见。近来，自动工业和提供低输出电压谐波的某些其他的特定应用正在考虑对于低电压电动机使用多电平逆变器桥。

直到近来，功率半导体开关的额定值最大为1700V，这已经允许低电压三相AC驱动器使用六开关逆变器桥。如今，现有技术的半导体开关的额定值为2500V、3300V、4500V、6500V，并能用在具有直到2000VAC输入的两电平六开关逆变器桥中。超过2000VAC，逆变器桥使用串联连接的较多数量的功率半导体开关。用于直到4000V的三相中电压感应电动机的最为普遍的逆变器拓扑为三电平十二开关逆变器桥。

逆变器桥中的电平数量限定了逆变器桥为了在其输出上获得特定电压等级而使用的直流（DC）电压梯级的数量。由于功率半导体开关具有有限的电压容量，逆变器桥的总DC母线电压被分为数个电压梯级，使得各个电压梯级能由一个功率开关处理。

在传统的两电平AC驱动器中，三相AC电力在经过视情况可选的输入线路电抗器后由整流器和电容器整流，以形成两电平DC母线。依赖于设计方法，DC母线上的输入谐波可被DC电抗器进一步减小。两电平DC母线电压被施加在六开关逆变器桥上，六开关逆变器桥产生两电平PWM电压输出。六个开关被分为三个支路，每个支路具有两个开关。控制器经由各个开关的控制端子对各个开关进行控制。三相电动机具有从支路的两个开关之间的中点得出的相连接，三个支路产生三相，其共同驱动电动机。DC母线的两个电平构成正母线和负母线。各个支路的上开关连接到正母线，各个支路的下开关连系到负母线。支路中的两个开关串联，因此不能同时开通而不导致短路。为了防止短路，控制器将开关延迟时间考虑在内。上开关需要在下开关开通之前关断，反之亦然。各个开关必须能够处理正负母线之间的完整电压。

相比于两电平驱动器，在三电平AC驱动器中，DC母线具有三个电压等级（相应地标为正、中性和负），逆变器桥具有十二个开关。开关分为三个同样的支路，每个支路连接到三相电动机的一相。因此，各个支路具有串联的四个开关，到电动机的各个连接源于中点。

三电平逆变器桥的缺点在于，尽管两电平逆变器桥仅仅需要六个半导体功率开关，三电平逆变器桥需要十二个开关，由此增大了成本。随着使用附加的电平，这些成本继续增大。例如，四电平逆变器桥需要十八个开关，五电平逆变器桥需要二十四个开关。

随着逆变器桥中的电平和开关数量增大，导致进一步增大成本，控制开关的复杂性也增大。驱动开关的信号需要被仔细地定时，否则，开关可能被损坏或摧毁。这种复杂性增大了用于多电平逆变器桥的控制器的成本。

已知的多电平电压源逆变器使用两根电缆，用于致动各个功率半导体装置（例如但不限于IGBT）。例如，这些电缆可以是铜的，但典型地为光缆，以便获得噪音免疫力和隔离。一根电缆用于致动/激发（fire）半导体装置的信号，另一根电缆用于接收致动响应信号。

随着电平和装置数量的增大，导线或光纤的数量也增大。这一问题在多个逆变器桥用于并联逆变器、用于冗余逆变器以及在使用多个逆变器的其它情况下变得更糟。在典型的三电平驱动器中，二十四根光缆用于控制和监视各个逆变器桥。当使用两个逆变器桥时，光缆的数量翻倍。另外，这些光缆不能传输除了用于逆变器桥的致动响应信号和激发脉冲以外的任何数据。

图1示出了一种逆变器控制和监视系统2，其包括具有控制器模块5的控制器4以及逆变器6，例如三电平逆变器桥。逆变器6由整流器/电容器DC母线8供电，并向三相电动机10供电。逆变器6包含IGBT组件12，其在此实例中包括十二个功率半导体装置，例如IGBT 14。三个示例性温度传感器，例如示例性的RTD 16，对用于三个输出相的IGBT 14的温度进行监视。尽管公开了RTD，它们可以为其它合适的温度传感器，例如热电偶，或者为其它合适的传感装置，不必与温度有关。两个隔离的电压传感器18监视DC母线8的电压。三个电流传感器，例如霍尔电流传感器20，监视在逆变器6和电动机10之间流动的三相电流。来自三个RTD16的检测到的温度通过三个或多于三个的电缆连接22被传输到控制器4。来自电压传感器18的检测到的电压通过两个电缆连接24被传输到控制器4，来自三个霍尔电流传感器20的检测到的电流通过三个电缆连接26被传输到控制器4。从控制器4到IGBT组件12的十二个控制信号使用十二根光缆28来传输，从IGBT组件12到控制器4的十二个监视信号使用十二根光缆30来传输。照此，在控制器4和逆变器6之间存在32个不同的连接。

尽管讨论了三电平逆变器，半导体装置14可被配置为，例如但不限于，两电平逆变器或具有四个以上电平的逆变器。功率半导体装置14可以为，例如但不限于，复数个IGBT、复数个晶体管或其他合适的功率半导体电子部件。

对功率半导体装置进行控制和监视的系统存在改进的空间。

发明内容

这些以及其他需求通过所公开构思的实施例来满足，通过在一个连接上合并多个激发信号，以及在一个连接上合并多个致动响应信号，其显著减少了控制器和控制电路之间的连接（例如但不限于，铜和/或光缆，或电缆）的数量。这使得，例如但不限于，三电平逆变器桥能够使用仅仅两个连接，一个用于发送，一个用于接收。因此，在一个实施例中，各个附加逆变器桥可仅仅使用两个连接。另外，其他的数据能被加入，用于附加的控制、监视和/或配置信息，而不需要附加的连接。

激发信号可在控制器上串行化（serialized），并在一个连接上在串行数据流中发出。串行数据流可在控制电路上接收、解串行化，并发送到各个个体功率半导体装置。额外的数据可视情况可选地在控制器或在控制电路上插入在串行数据流中、提取以及处理。

根据所公开构思的一个实施形态，电力系统包含：复数个功率半导体装置；控制电路，其被结构化为输出复数个第一激发信号，每个第一激发信号用于功率半导体装置的对应一个，并且，被结构化为输出复数个第一致动响应信号，每个第一致动响应信号与功率半导体装置的对应一个相关联；与控制电路协作的第一接口电路，其输入第一串行信号并输出第一激发信号，并且，输入第一致动响应信号并输出第二串行信号；控制器；与控制器协作的第二接口电路，其输入第二串行信号，向控制器输出与第一致动响应信号对应的复数个第二致动响应信号，从控制器输入与第一激发信号对应的复数个第二激发信号，并输出第一串行信号，其中，控制器被结构化为用第二激发信号对功率半导体装置进行控制，且其中，控制器被进一步结构化为用第二致动响应信号来监视功率半导体装置。

第一接口电路可包含：串行解码器，其被结构化为输入第一串行信号并输出第一激发信号；串行编码器，其输入第一致动响应信号并输出第二串行信号；第二接口电路可包含：串行解码器，其被结构化为输入第二串行信号并输出第二致动响应信号；串行编码器，其输入第二激发信号并输出第一串行信号。

第一接口电路可被结构化为，作为第二串行信号的一部分，输出：与功率半导体装置可操作地关联的复数个温度值，与功率半导体装置可操作地关联的复数个电流值，以及，与功率半导体装置可操作地关联的复数个直流电压值。

第二接口电路可被结构化为，作为第一串行信号的一部分，输出：用于过电流检测的复数个电流阈值；以及，复数个电流控制信号。

第一与第二接口电路可被结构化为提供包（packet）协议，以便形成能够在控制器和控制电路之间传送实时激发信号和实时致动响应信号的混合网络。

控制电路可被进一步结构化为，对于第一激发信号的对应一个以及对于第一致动响应信号的对应一个，当第一致动响应信号的所述对应一个为有效（active）时，中断第一激发信号的所述对应一个。

附图说明

结合附图，阅读下面对优选实施例的介绍，能够获得对所公开构思的全面理解，在附图中：

图1为逆变器控制和监视系统的框图；

图2为根据所公开构思的实施例的逆变器控制和监视系统的框图；

图3为根据所公开构思的实施例的用于冗余逆变器对的逆变器控制和监视系统的框图；

图4为根据所公开构思的另一实施例的用于多个逆变器的逆变器控制和监视系统的框图；

图5为图2的控制器和集成控制模块的框图。

具体实施方式

如这里所使用的，术语“数个”意味着一个或大于一个（即复数个）的整数个。

如这里所使用的，术语“处理器”意味着：可编程模拟和/或数字装置，其能存储、取回和处理数据；控制器；计算机；工作站；个人计算机；数字信号处理器；微处理器；微控制器；微机；中央处理单元；主机计算机；小型计算机；服务器；网络处理器；或者任何适当的处理或逻辑装置或设备。

如这里所使用的，术语“逆变器”意味着将直流（DC）转变为交流（AC）的电气装置。转换后的AC可以为任何合适的电压和频率。这可通过例如但不限于使用变压器以及开关与控制电路或另一逆变器来实现。逆变器可以为例如但不限于单电平、多电平电压源或电流源。

如这里所使用的，术语“驱动器控制器”意味着一种电气装置，其例如但不限于，两电平AC驱动器逆变器桥，其将AC转变到DC到AC。

如这里所使用的，术语“两电平逆变器”意味着一种将交流转变到直流到交流的电气装置。简单的两电平逆变器具有两个电平，而多电平逆变器能使用任意复数个电平。

例如，可变频率驱动器（VFD）为用于通过控制供到电动机的电力的频率来控制AC电动机的旋转速度的系统。可变频率驱动器为特定类型的可调节速度驱动器。可变频率驱动器也称为可调节频率驱动器（AFD）、可变速度驱动器（VSD）、AC驱动器、微驱动器或逆变器驱动器。由于电压与频率一起变化，它们有时也称作VVVF（可变电压可变频率）驱动器。

如这里所使用的，术语“功率半导体装置”意味着功率MOSFET、JFET、IGBT、BJT或晶闸管，或为在可变频率驱动器、感应电动机驱动器、交流驱动器或具有数个电平的逆变器桥中使用的功率半导体开关装置。

如这里所使用的，术语“激发信号”意味着用于控制功率半导体装置的信号。

如这里所使用的，术语“致动响应信号”意味着用于监视功率半导体装置的信号。

如这里所使用的，术语“电缆”意味着光缆，例如包含数根光纤的电缆，或为包含数个电导体的电缆。

如这里所使用的，两个以上部件“连接”或“耦合”在一起的表述意味着部件直接接合在一起或通过一个以上的中间部件接合。另外，如这里所使用的，两个以上部件“附着”的表述意味着部件直接接合在一起。

联系特定电力系统来介绍所公开的构思，然而，所公开的构思适用于宽广范围内的电力系统，包括但不限于使用功率半导体装置以及与功率半导体装置可操作地关联的控制与监视电路的逆变器和可变频率驱动器。

图2示出了电力系统，例如示例性的逆变器控制与监视系统100（例如但不限于逆变器系统，例如可变频率驱动器）。系统100包含示例性的逆变器102和示例性的控制器104，控制器104具有主控制与HMI（人机接口）106以及控制器模块108。按照传统，逆变器102包含复数个功率半导体装置14，其为示例性的IGBT组件12的一部分。逆变器102还包含控制电路，例如示例性的集成控制模块110，其被结构化为输出复数个第一激发信号112，每个第一激发信号112用于功率半导体装置中的对应一个。集成控制模块110也被结构化为输出复数个第一致动响应信号114，每个第一致动响应信号114与功率半导体装置14中的对应一个相关联。

如下面将联系图5介绍的，第一接口电路116与控制电路110协作，以输入第一串行信号118并输出第一激发信号112，并且，输入第一致动响应信号114并输出第二串行信号120。控制器模块118的第二接口电路122与控制器104协作，以输入第二串行信号120、向控制器104输出与第一致动响应信号114对应的复数个第二致动响应信号124、从控制器104输入与第一激发信号112对应的复数个第二激发信号126、输出第一串行信号118。第一与第二串行信号118、120通过一对光缆119、121传输，光缆119、121构成图5的串行高速通信链路424。控制器104被结构化为用第二激发信号126控制功率半导体装置14。控制器104进一步被结构化为用第二致动响应信号124来监视功率半导体装置14。

图3示出了用于冗余逆变器对204、206的示例性逆变器控制与监视系统202。系统202包含示例性控制器104’，其具有图2的主控制与HMI 106和控制器模块108’。模块108’类似于图2的控制器模块108，除了第二组第一与第二串行信号118’、120’在第二光缆对119’、121’上传输以外，第二光缆对119’、121’构成模块108’与第二逆变器206之间的第二串行高速通信链路424’。

图4示出了用于复数个逆变器304、306、308的逆变器控制与监视系统302。尽管示出了三个示例性逆变器，将会明了，可使用任何合适数量（例如但不限于两个，四个）的逆变器。系统302包含图2的具有主控制与HMI 106和控制器模块108的示例性控制器104。例如但不限于，对于三个示例性逆变器304、306、308以及对于光缆119，各个逆变器包含第一光纤接收器（RX）310和第一光纤发送器（TX）312，对于另一光缆121，各个逆变器包含第二光纤接收器（RX）314和第二光纤发送器（TX）318。第一RX 310向集成控制模块110提供所接收的信号，集成控制模块110向用于下一逆变器的第一TX 312提供发送信号。第二RX 314向集成控制模块110提供来自下一逆变器的所接收的信号，集成控制模块110向第二TX 318提供发送信号。

图5示出了图2的控制器模块108和集成控制模块110。驱动器控制器104和驱动器控制电路110对到以及来自IGBT组件12的多种激发脉冲信号112和多种致动响应信号114进行串行化和解串行化。

采用合适的串行协议，使用例如但不限于在通信链路424各端上的复杂可编程逻辑装置（CPLD）404、406和N位串行化器408、410，数据在控制器模块108和集成控制模块110之间传输。或者，能够使用另一合适的逻辑装置，例如FPGA或ASIC。N位串行化器408、410为具有集成同步化和误差校验的相对较高速度、相对较低成本、具有鲁棒性的通信子系统。优选为，示例性的N位串行化器408、410提供用于例如但不限于实时视频应用的足够的带宽。

实例1

表1示出了用于具有多至四个逆变器的驱动器中的从控制器模块108到集成控制模块110的数据通信消息的非限制性实例。表2示出了用于具有多至四个逆变器的驱动器中的从集成控制模块110到控制器模块108的数据通信消息的非限制性实例。N位串行化器408、410中使用的示例性比特率优选为比驱动器的调制载波频率快四个数量级（fourorders ofmagnitude faster than the modulation carrier frequency of thedrive）。这种比特率带来IGBT栅极激发流的适当地低的抖动（jitter）。

串行数据包被结构化为由CPLD 404、406解码的帧序列。例如，集成控制模块110的CPLD 406包含状态变化（COS）功能、镜像检查（mirrorcheck）功能、先入先出（FIFO）缓冲器、控制功能（steering function）和合并器功能。CPLD 406优选为执行第一激发信号112的栅极激发脉冲的最终同步化，以便确保观察到适当的死区时间。COS功能寻找激发信号112（在控制器模块108的情况下）或从致动响应信号114回来的数据或从另一逆变器（如图4所示）回来的数据的变化。这些变化驱动控制功能和合并器功能的中断（未示出），使得与栅极驱动器有关的较高优先级的任务首先得到服务。尽管为简化说明起见没有示出，CPLD 404类似地配置为具有COS功能、镜像检查功能、FIFO缓冲器、控制功能和合并器功能。逆变器IGBT栅极驱动器隔离电路402将来自对应的激发信号112的控制功能的CPLD逻辑信号隔离到IGBT模块12。逆变器致动响应隔离电路403将来自IGBT组件12的致动响应信号114隔离到对应的COS功能的一个的对应CPLD逻辑信号。

CPLD 404、406运行状态机，其被称作FRAMESYNC（表1、2）的特定帧强制为初始状态。此包为交替的一和零的专用帧。

控制器模块（例如108）通过同步化各个逆变器（例如102）中的CPLD406而开始。这一点通过连续发送同步帧来实现，其中，各个帧用交替的镜像位和翻转有效载荷（invertedpayload）来发送。同步条件包含两个连续帧，其具有翻转有效载荷和适当的镜像位。非镜像数据在镜像位的上升沿上锁存，而镜像数据在镜像位的下降沿上锁存。

CPLD 404、406使用N位长度FIFO缓冲器（如CPLD 406所示），其用于对数据包进行过采样（oversample）。有效数据包含对于五个连续包对（或“包组”）的非镜像和镜像模式。过采样技术进一步确保了数据的完整性，并用于在示例性通信协议中使用的所有上下文帧（contextframe）。

在逆变器（例如102）接收好的FRAMESYNC时，其通过将FRAMESYNC和镜像位发送回到控制器模块（例如108）来响应。在控制器模块接收到来自各个逆变器的正确的FRAMESYNC信号之后，已经验证为其具有到其所有的数个逆变器的好的连接。

接着，控制器模块（例如108）向各个逆变器发送栅极驱动器包（例如表1的Inverter1GateDriver），一次一个逆变器。这包括具有非翻转有效载荷和镜像位=0的第一消息，以及具有翻转有效载荷和镜像位=1的第二消息。控制器模块从各个逆变器接收包状态数据（例如表2的Inverter1Desaturation），并跟踪握手花费的时间。

如果并且在控制器模块（例如108）接收到对于其所有的数个逆变器的好的包状态时，于是其检查时间戳信息，以便验证栅极激发信号的好的时间对准。如果对准是好的，于是，其向其所有的数个逆变器发送激发同步包（例如表1的FiringSync1）。这将五个示例性逆变器的栅极激发信号（例如表1的FiringSync1、FiringSync2、FiringSync3、FiringSync4、FiringSync5）的前沿和后沿在八个串行帧时间内同步。

控制器模块（例如108）的CPLD 404为栅极激发包给出高的优先级。栅极激发信号在奇数包组上发送，类-实例-属性数据（例如但不限于控制，状态，配置）在偶数包组上发送。这种通信协议用时间关键性较低的状态和控制信息交错具有时间关键性的栅极激发信息。这仅仅是能够使用的一种示例性通信策略，包能以任何合适的顺序发送。例如，控制器模块和逆变器（例如102）可以以任何合适的顺序处理消息和包，消息和包能以遵从到逆变器的栅极激发信息的时间关键性的任何合适的周期性、非周期性、同步或不同步方式来发送。

CPLD 404、406通过使用各个帧中的上下文信息来异步地对消息进行解码。这允许控制器（例如104）对消息的无缝误差校验，其仅仅查找在解同步化器（DES 436）上回来的数据的匹配。同样的FIFO过采样和镜像功能也在逆变器端上使用。

类-实例-属性数据项（例如Inverter1ClassSpecifier；Inverter1InstanceSpecifier；Inverter1AttributeSpecifier）用于向逆变器发送配置信息。同样的过采样技术对于对应的包组使用。类-实例-属性对象模型提供用于系统的组织化的、相对较大量的配置项。这些数据项包含八个消息，包括Specifier、Instance、Attribute和CRC消息（镜像位=0），每个跟有对应的翻转消息（镜像位=1）。

配置信息以相对较慢的速率读取或写入，不像栅极激发信息或降饱和反馈（de-saturation）那样为获得相对较快的传输而最优化。由于这一点，用于CRC校验和握手的额外的字被发送和接收。这对驱动器的运行时性能没有影响。

用于数据发送和接收的CPLD 404、406被配置为总是向栅极激发信息给与最高优先级，基本上提供从控制器模块中的调制器到逆变器的直接访问数据路径。所有其它的包自动路由到逆变器（例如102）的主处理器（例如442）上的通用I/O引脚，在那里，它们以紧迫性较低的方式被处理。

简言之，消息序列以同步消息开始，继以在低优先级状态、控制或配置消息之间交错的两个栅极激发消息（镜像位=0和镜像位=1）。数个唯一的参数可与对于一个逆变器的栅极激发信号交错地发送。在多逆变器配置中，对于复数个逆变器的所有栅极激发信号成组发送，与对于一个逆变器的单独一组激发消息形成对比。这些组类似地在对于所有逆变器的低优先级状态、控制或配置消息之间交错。尽管示例性消息序列以同步消息开始，协议是非同步的，任何上下文能被注入消息流，而不打断CPLD如何解释其他消息。

表1

表2

下面是表1的数据通信消息的某些实例。作为非限制性实例，存在串行协议的64个可能的上下文消息，其用6位（c5到c0）、16位有效载荷、镜像位、奇偶位限定，N=24，但是，可使用宽广范围内的N值。非限制性实例性数据通信消息包括：（1）到集成控制模块110的栅极激发消息412（例如但不限于包括，作为示例性有效载荷的一部分，如后面的表2所示对于12个栅极激发信号的12位）；（2）到集成控制模块110的控制消息414；（3）到集成控制模块110的配置消息416；（4）来自集成控制模块110的状态消息418（例如电流、电压、温度）；（5）包括来自集成控制模块110的IGBT降饱和信号（第一致动响应信号114）的状态消息420（例如但不限于包括，作为示例性有效载荷的一部分，如后面的表2所示，对于12个致动响应信号的12位）。

在正常运行期间，基于主控制与HMI模块106提供的频率信息，控制器模块108建立栅极激发策略。控制器模块108的数字信号处理器（DSP）422提供模块106所提供的幅度/相位矢量的空间矢量或其他合适的调制方案转换。这一信息用于产生对于一个逆变器——例如102——中的所有IGBT 14的栅极激发序列（例如但不限于，在三电平逆变器配置中的三相，每相四个IGBT使用十二个激发信号）。

在所公开的构思中，栅极激发信号126在串行高速通信链路424上多路复用（multiplex）。形成对比的是，在传统的驱动器控制方案中（例如图1），IGBT激发信号在十二根光缆28上提供。控制器模块108中的CPLD404确保DSP 422得到对通信链路424的优先访问，使得具有时间关键性的栅极激发信息以及时的方式被发送到逆变器的集成控制模块110。CPLD404确保栅极激发信息被正确发送、检验其准确性并被握手。CPLD 404在关键性栅极激发包之间让位于主处理器（μP）428，使得μP 428能发送和接收时间关键性相对较低的数据（例如但不限于相电流，温度，I/O状态，配置信息）。栅极激发信息的流动完全由发送和接收CPLD 404、406来处理。

在传统驱动器控制方案中（例如图1），在十二根光缆30上提供IGBT降饱和信号。控制器4的控制器模块5中断栅极激发序列，以响应于降饱和信号保护IGBT 14免于损坏。形成对比的是，在所公开的构思中，对于所有十二个示例性IGBT 14的降饱和信号——其为致动响应信号114——被多路复用并发送回到控制器模块108，但是，激发序列的中断由控制功能中的集成控制模块110处理。合并器功能读取多种激发响应信号114，该信息被控制功能用于终止数个激发信号112（例如，当致动响应信号114中的对应一个具有有效（lit）状态且对应激发信号112也有效时）。通过消除与控制器模块108中的程序执行速度相关联的延迟，这改进了系统性能。所有的预先设置（例如但不限于，对于降饱和，过电流）在加电时在配置阶段中在串行链路424上被发送。

除了CPLD 404、406提供的硬件误差校验以外，位于N位串行化器408、410中的协议层提供附加的误差校验。“镜像”位（表1）被包含在各个通信包中，用于指示该包的内容具有反转逻辑。在各个包从CPLD 406传送以便由集成控制模块110消耗（consume）之前，需要以非反转和反转格式二者被接收。在相对简单但高效的误差校验方案中，这两个包的内容将会彼此抵消，如果各个包被无污染地接收的话。相继接收两个污染包的可能性——其中，所有示例性的48个位（对于两个包）互为严格镜像副本——相对来说非常低。另外，包中的奇偶位的添加提供了另一层保护。奇偶位指示奇数或偶数个已被设置为1的逻辑状态的位。将会明了，可作为替代地使用宽广范围内的其他的误差校验（例如但不限于，16位CRC，N位串行化器）。

能够对于专门的控制功能使用通信链路424上的特定通信消息。例如但不限于，上下文63（表1）为“同步”消息，其被设计为协调多个逆变器系统中的激发。还存在用于由控制器模块108和集成控制模块110使用的同步化看门狗计时器的消息。

第一接口电路116包含：串行解码器432，其被构造为输入第一串行信号118并输出第一激发信号112；串行编码器434，其输入第一致动响应信号114并输出第二串行信号120。第二接口电路122包含：串行解码器436，其被结构化为输入第二串行信号120并输出第二致动响应信号124；串行编码器438，其输入第二激发信号126并输出第一串行信号118。

各个示例性功率半导体装置14为IGBT，其包含集电极到发射极结。IGBT组件12输出第一致动响应信号114。第一致动响应信号114中的一个有效，在功率半导体装置14中对应一个的IGBT集电极到发射极结上的电压小于预定值时。IGBT组件12包括监视多个IGBT集电极到发射极结上的电压降的电路。如果该电压超过预定量，则此为IGBT或者正在经历过电流，或者没有完全开通（欠饱和）的指示。正确程度的饱和由具有有效（lit）状态的第一致动响应信号114的对应一个来反映。

实例2

示例性功率半导体装置14构成三电平驱动器。复数个第一激发信号112为十二个第一激发信号，复数个第一致动响应信号114为十二个第一致动响应信号。例如，三电平驱动器具有十二个激发脉冲和十二个致动响应信号。此驱动器具有DC链路上的三个不同的电压等级：零，正，负。三电平驱动器中存在三相。这种驱动器的各个输出相能被连接到这三个电平中的一个。每相四个IGBT连接以及隔离这三个电平。三相中每相四个IGBT提供了总共十二个IGBT。

第一接口电路116被结构化为，作为第二串行信号120的一部分，输出：与功率半导体装置14可操作地关联的复数个温度值，如RTD 16所检测的；与功率半导体装置14可操作地关联的复数个电流值，如电流传感器20所检测的；与功率半导体装置14可操作地关联的复数个直流电压值，如电压传感器18所检测的。

第二接口电路122被结构化为，作为第一串行信号118的一部分，输出：复数个对于过电流检测的电流阈值；以及，复数个电流控制信号。

第一与第二接口电路116、122被结构化为提供通信链路424上的包协议，以便形成能够在控制器104和控制电路110之间传送实时激发信号和实时致动响应信号的混合网络。

所公开的构思能在通信链路424上的串行数据流中使用“额外数据”。例如，从驱动器控制电路110回到控制器104的数据流可包含，例如但不限于，三相温度数据，三相电流信息以及两个DC母线测量。另外，控制器104能向驱动器控制电路110传送配置信息，使得用于过电流检测的预先设置的电流阈值和用于同步传送系统的电流控制被交卸（off-load）到驱动器控制电路110。这改进了系统性能，并减轻了主驱动器控制器104的负担。

实例3

示例性串行解码器432、436和串行编码器434、438为SERDES硬件。示例性驱动器控制器104和示例性驱动器控制电路110包括用于胶合逻辑的CPLD 404、406和SERDES硬件。示例性SERDES硬件能提供包协议，其由位于传输链路424各端上的CPLD 404、406解码，以便形成能够传送实时激发和状态信息的混合网络，并作为附加地作为驱动器控制器104和驱动器控制电路110之间的相对较高速度的通信链路。SERDES硬件由加利福尼亚州圣何塞市的Pericom Semiconductor Corporation发售。SERDES（SERializer/DESerializer）将n位并行总线翻译为有分别的（differential）串行流，接收有分别的串行流，并将之转换回到n位并行总线。

实例4

示例性的集成控制模块110包含μP 442，用于输入/输出模拟和数字I/O，例如示例性检测电压、温度和电流。模块110还包含DSP 444，其用于提供改变逆变器上的激发序列所需要的额外处理能力。

尽管已经详细介绍了所公开构思的特定实施例，本领域技术人员将会明了，在本公开的整体教导之下，可开发出对这些细节的多种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅仅是说明性的，不对所公开构思的范围进行限制，所公开构思的范围由所附权利要求及其任意以及全部等价内容的全部广度给出。

附图标记列表

2 逆变器控制与监视系统

4 控制器

5 控制器模块

6 逆变器

8 整流器/电容器DC母线

10 三相电动机

12 IGBT

14 六个功率半导体装置，例如IGBT

16 温度传感器，例如示例性的RTD

18 隔离电压传感器

20 电流传感器，例如霍尔电流传感器

22 三个电缆连接

24 两个电缆连接

26 三个电缆连接

28 十二个光缆

30 十二个光缆

100 电力系统，例如示例性逆变器控制与监视系统

102 逆变器

104 控制器

104’ 控制器

106 主控制与HMI

108 控制器模块

108’ 控制器模块

110 控制电路，例如示例性的集成控制模块

112 复数个第一激发信号

114 复数个第一致动响应信号

116 第一接口电路

118 第一串行信号

118’ 第一串行信号

119 光缆

119’ 光缆

120 第二串行信号

120’ 第二串行信号

121 光缆

121’ 光缆

122 第二接口电路

124 复数个第二致动响应信号

126 复数个第二激发信号

202 逆变器控制与监视系统

204 逆变器

206 逆变器

302 逆变器控制与监视系统

304 逆变器

306 逆变器

308 逆变器

310 第一光纤接收器（RX）

314 第二光纤接收器（RX）

318 第二光纤发送器（TX）

402 逆变器IGBT栅极驱动器隔离电路

403 逆变器致动响应隔离电路

404 复杂可编程逻辑装置（CPLD）

406 CPLD

408 N位串行化器

410 N位串行化器

412 栅极激发消息

414 控制消息

416 配置消息

418 状态消息

420 状态消息

422 数字信号处理器（DSP）

424 串行高速通信链路

424’ 第二串行高速通信链路

428 主处理器（μP）

432 串行解码器

434 串行编码器

436 串行解码器

438 串行编码器

442 μP

444 DSP

Claims

1.一种电力系统(100)，包含：

复数个功率半导体装置(14)；

控制电路(110)，其被结构化为输出复数个第一激发信号(112)，每个所述第一激发信号用于所述功率半导体装置的对应一个，并且，被结构化为输出复数个第一致动响应信号(114)，每个所述第一致动响应信号与所述功率半导体装置的对应一个相关联；

与所述控制电路协作的第一接口电路(116)，其输入第一串行信号(118)并输出所述第一激发信号，并且，输入所述第一致动响应信号并输出第二串行信号(120)；

控制器(104)；以及

与所述控制器协作的第二接口电路(122)，其输入所述第二串行信号，向所述控制器输出与所述第一致动响应信号对应的复数个第二致动响应信号(124)，从所述控制器输入与所述第一激发信号对应的复数个第二激发信号(126)，并输出所述第一串行信号，

其中，所述控制器被结构化为用所述第二激发信号对所述功率半导体装置进行控制，且

其中，所述控制器被进一步结构化为用所述第二致动响应信号来监视所述功率半导体装置。

2.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述第一接口电路包含：串行解码器(432)，其被结构化为输入所述第一串行信号并输出所述第一激发信号；串行编码器(434)，其输入所述第一致动响应信号并输出所述第二串行信号；且其中，所述第二接口电路包含：串行解码器(436)，其被结构化为输入所述第二串行信号并输出所述第二致动响应信号；串行编码器(438)，其输入所述第二激发信号并输出所述第一串行信号。

3.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，各个所述功率半导体装置(14)为包含集电极到发射极结的IGBT；其中，所述控制电路包含输入所述第一致动响应信号的电路(406，403)；且其中，所述第一致动响应信号中的一个在所述功率半导体装置中对应一个的IGBT集电极到发射极结上的电压小于预定值时有效。

4.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述功率半导体装置构成三电平驱动器；其中，所述复数个第一激发信号为十二个第一激发信号；且其中，所述复数个第一致动响应信号为十二个第一致动响应信号。

5.根据权利要求1的电力系统，其中，所述第一接口电路被结构化为，作为第二串行信号的一部分，输出：与所述功率半导体装置可操作地关联的复数个温度值，与所述功率半导体装置可操作地关联的复数个电流值，以及，与所述功率半导体装置可操作地关联的复数个直流电压值。

6.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述第二接口电路被结构化为，作为第一串行信号的一部分，输出：用于过电流检测的复数个电流阈值；以及，复数个电流控制信号。

7.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述第一与第二接口电路被结构化为提供包协议，以便形成能够在所述控制器和所述控制电路之间传送实时激发信号和实时致动响应信号的混合网络。

8.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述电力系统为逆变器系统。

9.根据权利要求8的电力系统(100)，其中，所述逆变器系统为可变频率驱动器。

10.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述控制电路被进一步结构化为，对于所述第一激发信号的对应一个以及对于所述第一致动响应信号的对应一个，当所述第一致动响应信号的所述对应一个为有效时，中断所述第一激发信号的所述对应一个。

11.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述第一与第二接口电路被结构化为从所述控制器向所述控制电路传送实时激发信号，以及在所述控制器和所述控制电路之间传送非实时信号。

12.根据权利要求11的电力系统(100)，其中，所述非实时信号选自类-实例-属性数据、状态信号、控制信号和配置信号。

13.根据权利要求11的电力系统(100)，其中，所述第一与第二接口电路被结构化为使用奇数包组和偶数包组；其中，所述实时激发信号在所述奇数和偶数包组的一者中传送；且其中，所述非实时信号在所述奇数和偶数包组的另一者中传送。