CN103650382A - 功率电子转换器的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率电子转换器的通信系统，该功率电子转换器具有多个转换器模块，其包括可控功率半导体开关并且能单独安装到转换器柜或者框架上。该通信系统涉及分别设置在转换器模块和转换器柜上的光元件之间的光信号的无引导传输。提出的转换器的两个不同部分之间的自由空间光信号传输结合了无线电传输提供的灵活性方面的优点和光通信的数据率和可靠性方面的优点，而同时避免了光纤方案的电缆复杂和昂贵的问题。

Description

功率电子转换器的通信系统

技术领域

本发明涉及功率电子转换器领域，尤其是控制或者监控转换器的至少一个功率半导体开关的通信系统。

背景技术

功率电子转换器被广泛用于将电功率从AC转换到DC，从DC转换到AC，从第一DC电压转换到第二DC电压，或者从第一AC频率转换为第二AC频率。转换器由多个可能相同的设置在转换器柜或者壳中的转换器模块构成，进而包括功率半导体开关或者电子管(valve)例如IGCT(集成门极换流晶闸管)或者IGBT(绝缘栅双极晶体管)和它们相应的控制单元或者驱动器。取决于计划应用领域，模块可以处于关于地电位的超过1kV并且范围高达30kV的中等至高电位上。因此从地电位上的较高级转换器控制单元传递开关命令的通信线路需要电隔离或者桥接该电位差。

通常地，该上下文中的通信信号通过能够支持高数据速率且能够耐受大电压的光纤传送，但是以严重老化行为为代价。然而这种方案需要在光纤的两个末端都具有机械连接器，这致使转换器模块安装和替换笨重，并且对光纤的成本增加了机械连接器的成本。因此，DE-102004004621-A1提出在电-光电路板上刚性地装配一段光纤，以及通过透镜和反射镜来耦合光信号。这种方式达到的板内隔离看似在高达500V的电压工作良好。

发明内容

本发明的目的是在处于不同电位的通信转换器部件之间实现灵活的和成本有效的电隔离。该目的通过根据独立权利要求的用于功率电子转换器的通信系统和转换器模块达到。进一步从从属专利权利要求中明显得出优选的实施例。

根据本发明，具有多个转换器模块的功率电子转换器，该多个转换器模块包括可控功率半导体开关并且可各自安装到转换器柜或者框架上，该功率电子转换器具有通信系统，其涉及分别设置在转换器模块和转换器柜上的光学元件之间的光信号的无引导性传输。提出的在转换器的两个不同部分之间的自由空间光信号传输结合了无线电传输提供的灵活性的优点和光学通信在数据速率、可靠性和电磁抗扰方面的优点，而同时避免了光纤方案的缆线复杂和昂贵的问题。

第一光学元件、例如具有光电收发器、反射镜或者透镜的收发器盖设置在合适支撑物上，例如安装在转换器柜上的印刷电路板上。第二光学元件设置在作为转换器模块的一部分的不同支撑物上。第一和第二光学元件适于从或者到相应的收发器传播光信号，例如可见光、红外线IR或者紫外线UV信号。在第一和第二光学元件之间，限定了沿着视线的直线光通路，其穿过包括例如空气或者玻璃的光透明介质。直线光通路不包括在光透明介质的横向边界的光信号的任何反射或者其它引导。

在本发明的有益实施例中，直线光通路适于或者被设计为隔离或者承受处于地电位的转换器柜和处于超过1kV或甚至超过3kV的电位的转换器模块之间的电位差或者电压差。

在进一步有益实施例中，光传输通路被保护以屏蔽不透明的微粒或者其它障碍物。与无线电传输相比，有选择地引导并且保护光传输通路的可能性允许进一步增加数据速率和传输可靠性。

附图说明

本发明的主题在下文参照附图示出的优选实施例来更详细说明，其中：

图1示意性示出了带有两个柜的功率电子转换器；

图2示出了模块-收发器对的放大图；和

图3示出了带有机械保护的光通路。

原则上，图中同样的部件提供有同样的参考符号。

具体实施方式

图1示意性示出了带有两个柜1，1’的功率电子转换器，每个中都安装了多个转换器模块10。转换器模块10包括功率电子半导体开关或者电子管，适于开关从转换器或向转换器在功率导体(未示出)中流经的大电流。在本说明的上下文中，术语柜表示具有支撑框架和专用柜外壳以及电源的转换器的可分离部分。有线骨干网络2在更高级转换器控制器3和柜控制器4、4’、4”之间传送通信信号。在左边的柜1中，柜控制器4连接到若干电光收发器11，其进而安装到或者附连到柜外壳。基于来自转换器控制器3或者柜控制器4的通信信号，每个收发器11生成传送到多个功率电子模块10中的关联的一个的光信号。在右边的柜1’中，两个柜控制器4’、4”包含电光收发器，其在柜1’中的模块10’关注下生成和赋址光信号。这些信号以点到多点的形式并行传播到多个模块。这借助适当的无源第一光元件12’、例如分束器或者按要求使光信号重定向的反射镜，或者通过在电光收发器的情况下无需任何聚焦或者其它波生成元件而恢复成漫射传播来进行。

图2示出了图1中柜1的模块-收发器对的放大图。电光收发器11通过调制激光器或者光发射二极管的输出而生成光数据信号。例如光电收发器的透明罩或者透明盖的第一光元件12、独立反射镜、或者独立的透镜被设置在合适支撑物13上、例如安装在转换器柜上的印刷电路板上。通过第二光元件14收集光信号并且通过作为模块的通信单元15的一部分的光电二极管检测光信号。此外，第二光元件14可以为光电二极管或者通信单元15的透明罩或者透明盖，或者可以为合适地设置在模块10上的独立反射镜或者透镜。因此，光元件12和14可以但是不需要各自形成电光收发器11和通信单元15的一体式部分。光电二极管将接收到的光信号转换为电信号，基于此，模块控制器向模块10的个体功率半导体开关100发出控制命令。第一光元件12和第二光元件14之间的距离、即光通路的长度典型地在5cm到2m之间。需要注意的是，在图1中的柜2的设置中，第一光元件、即反射镜12’附连到柜1’所借助的支撑物不同于唯一的电光收发器的支撑物。

在图1和2中，点到点和点到多点光通路由双线表示，其中转换器柜和转换器模块之间电压差全部在两个光元件12、14之间被吸收。第一光元件12、12’以独立于在相同柜中的模块10、10’安装(承载第二光元件14)的形式被机械固定在柜1、1’。因此，假设两个光元件被合适对准，则当安装和拆除模块时没有单独的手工步骤、例如出于通信目的必须要被特别观察的连接(断连)机械连接器。光元件的合适对准可优选借助滑入安装机制来设置以便快速组装和维修转换器模块。

光信号在直线中在两个光元件之间传播，即光信号不被另一反射镜或者在两个不同介质之间的转变处、例如光纤表面处被反射或者重定向。因此，尽管漫射光信号传播也是可能的，只要通过第二光元件收集发射光的足够份额，光信号传播优选地在定向光束中发生。如果转换器柜和模块的机械设计需要，光反射镜可被用于围绕转换器模块10内的拐角或者在支撑物13上引导光信号。

提出的光通信可以双向发生，即除了向功率半导体开关的控制命令的由上至下的通信之外，传感、监控或者其它诊断信号可从模块传递到更高级的转换器控制器。为了达到这个目的，模块上同样提供电光收发器，同时安装在柜上的相对应的支撑物同样包括光电检测器或者光电二极管。为了附加的可靠性，可以实施冗余的双向链路。

携带通信信号到转换器柜内的电光收发器的物理位置的有线骨干网络可以是模块化的，因此允许以模块化方式添加或者移除光链路以便例如在每个柜中容纳可限定数目的链路。

自由空间中的光通信可由环境中的固体微粒例如灰尘或者其它光学上不透明的介质，以及由设备发出的例如烟的微粒，以及由例如弧光等外部光源而被减弱。因此，光传播通路优选通过防护件或者管道被保护。

图3示出了分别设置在转换器模块10和支撑物13上的通信单元15和电光收发器11，以及用于光通路的机械保护的防护件16。防护件具有设置在模块和支撑物之间的薄壁管的形式。特别地，防护件包括两部分，附连到模块10的第一部分161和附连到支撑物13的第二部分162，二者以合适的装配接合。第一部分161具有波纹形式的表面形状，提供用于高电压隔离的可限定漏电距离(creepage distance)。

备选地，例如一定体积的环氧树脂的任何固体材料在转换器柜和转换器模块之间提供电隔离，因此大致在与光通路垂直的方向上延伸，该任何固体材料可以具有光束传播所通过的开孔或者洞。在任何情况下，如果在收发器和通信单元以及防护件或者开孔的相应末端之间仅留有小空隙，则实现光链路的最佳保护。通过单独防护件或者开孔，或者在公共的防护件或开孔中可存在双向传输和冗余通路。

在两个相邻的转换器模块之间的直接内部模块通信的情况下，提出的自由空间光信号传输也是可能的。

总之，在提出的自由空间信号传输中，光信号当对定向到转换器模块的功率半导体开关的控制信息编码时，通过连接到功率电子转换器的中央转换器控制单元的发射器生成，以及通过连接到功率半导体开关的控制器的检测器检测。备选地，光信号当对来自功率半导体开关的诊断信息编码时，通过连接到功率半导体开关的控制器的发射器生成，以及通过连接到转换器控制单元的检测器检测。

参考符号列表

1  转换器柜

2  骨干网络

3  转换器控制器

4  柜控制器

10  转换器模块

11  电光收发器

12  第一光元件

13  支撑物

14  第二光元件

15  通信单元

100  功率半导体

161，162  防护件

Claims (7)

1.一种用于功率电子转换器的通信系统，该功率电子转换器具有多个能单独安装在转换器柜(1，1’)中的转换器模块(10，10’)，该通信系统包括：

第一光学元件(12，12’)和第二光学元件(14)，其适于向相应其它光学元件或者从相应其它光学元件传播光信号，所述第一和第二光学元件分别设置在转换器柜和转换器模块上，以及

在所述第一光学元件和所述第二光学元件之间具有直线光通路的光透明介质。

2.根据权利要求1的通信系统，其特征在于，所述直线光通路适于隔离转换器柜和转换器模块之间的超过1kV的电位差、尤其是超过3kV的电位差。

3.根据权利要求1的通信系统，其特征在于，透明光介质是空气，并且特征在于，防护件(161，162)保护直线光通路不受非透明障碍物的影响。

4.根据权利要求2的通信系统，其特征在于，光透明介质是空气，并且特征在于，直线光通路穿过设置在所述第一和第二光学元件之间的固体电隔离器中的开孔。

5.根据权利要求1的通信系统，其特征在于，包括电-光收发器，其生成多个光信号以便采用点到多点的传输而被传播到两个转换器模块(10’)。

6.一种用于功率电子转换器的转换器模块，所述功率电子转换器具有多个能单独安装在转换器柜(1，1’)中的转换器模块(10，10’)，所述转换器模块包括功率半导体开关(100)、通信单元(15)和第二光学元件(14)，所述第二光学元件(14)适于跨光学透明介质将从设置在转换器柜上的第一光学元件(12)接收的光信号传播到所述通信单元，所述光学透明介质包括处于所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的直线光通路。

7.根据权利要求6的转换器模块，其特征在于，所述通信单元(15)适于在采用点到多点传输所传播的多个光信号之中识别定向到所述半导体开关(100)的光信号。