CN104054265B - 容错功率半导体开关设备控制系统 - Google Patents

容错功率半导体开关设备控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明描述了容错功率半导体开关设备控制系统(100)，该控制系统包括：协调控制系统(110)；以及多个开关设备控制器(120)，每一个开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备(130)；其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；以及其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关。

Description

容错功率半导体开关设备控制系统
技术领域
本发明涉及用于控制功率半导体开关设备的容错系统和方法。
背景技术
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。
该设备的示例包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)，以及诸如MOSFETS(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。
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。
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。
我们将描述致力于这些和其它问题的技术。
发明内容
根据本发明，提供了一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括：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耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备；其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；以及其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关。
上述的控制系统的实施方式便于在关键数据容易被毁坏的噪声环境中控制多于10、100或1000个功率半导体开关设备。理论上，开关控制数据可以在避免电噪声开关间隔的时间被发送，但是在大系统中是很难达到的，并且相反的，使用“前后紧接”方法，其中在开关阶段之后进一步开关依赖于确认数据的内容，被发现是更好控制的。这提供了在不是所有设备同步开关的大型系统中有效的有源控制。此外，如下文所述，在一些优选实施方式中，确认数据包括故障检测数据。
在系统的一些优选实施方式中，开关设备控制器被布置为监控开关设备控制器控制的功率半导体开关设备的开关，并且响应于生成指示了何时(潜在的)故障存在的故障检测数据。该故障检测数据可以从各种源中推倒出来，其中该源包括但不仅限于以下一者或多者：测得的电流、测得的电压、测得的电流改变率、测得的电压改变率、及在开关设备的全关闭状态、饱和开启状态和中间状态的一个或多个状态下的电压和/或电流。协调控制系统读取并处理故障检测数据，并且如果故障被识别到，做出故障处理决定。广义地来说，这可以是是否将一个或一组开关设备从一个当前状态转移至下一个状态的决定和/或关闭开关设备组或网络的部分或全部的决定和/或反退至较早的开关状态的决定和/或检测故障监测数据本身是否处于错误的决定。
在处于噪声环境的巨大的开关控制系统中，在故障检测数据比特中的错误可能是相对普遍的。因此对故障检测数据动作之前的一个优选的预备步骤是重新请求故障检测数据，尤其是包括故障检测数据的确认数据。在一些优选系统架构中，这可以包括针对开关设备控制器的树或组重新请求确认数据的协调控制系统：在一个优选架构中，中央控制器通过一个或多个共享总线与一个或多个子控制器通信，并且子控制器与其通过专用连接附着至的一组设备控制器通信。在这种布置中，开关控制信号可以源于中央控制器并且被一个或多个子控制器广播至连接至子控制器的每个设备控制器。
在实施方式中，使用半双工协议在系统的组件之间发送数据，在每个(串行或并行)数据总线上发送一个或多个数据分组。(在实施方式中，分组是实时的，被标有标记来指示其可以优先于其他非实时数据分组)。在这种类型的架构中，故障检测数据可以由中央控制器来重新请求，为所有耦合至特定子控制器的设备重新请求确认数据(在该情况下，子控制器可以仅将该请求广播至开关设备控制器)，或者中央控制器可以为整个树重新请求确认数据。在实施方式中，确认数据在子控制器被合并，并且潜在地，子控制器可以保持开关设备控制器已经在故障检测数据中标记了故障的记录。然而，优选的是，当潜在故障被检测到时，保持子控制器相对简单并且允许中央控制器控制并同步开关和重新请求数据。
在系统的一些优选实施方式中，开关设备控制器能够控制对应的功率半导体开关设备进入包括在饱和开启状态和全关闭状态之间的至少一个中间状态的状态。例如，这种中间状态可以包括预备状态，在预备状态中设备流过低电流(在全关闭和饱和开启之间的中间状态)来在串联连接串中平衡设备电压；和/或低电压状态(在全关闭和饱和开启电压之间的中间状态)来平衡并联连接设备中的电流。在实施方式中有多个这种中间状态。
以这种方式实施中间状态有助于实现容错架构，这是由于当故障被检测到时，开关设备或开关设备组可以被控制至安全状态，该安全状态可以是先前的中间或起始状态，或不是正常切换周期的一部分的单独状态。由于一个功率半导体开关设备的故障可能经常引起一个或多个其它设备的故障，这可以有助于限制附带损坏。通过将设备控制回至先前的“良好”状态或一些其它安全状态，故障可以被控制并且采取矫正动作。
在实施方式中，设备在中间状态基本上是稳定的——该状态可以持续长于0.5ms、1ms、2ms或5ms(在该上下文中是相对长的持续时间)。这提供了调查故障的时间(如果需要的话)和/或采取进一步动作。例如协调控制系统可以向一个或多个开关设备控制器发送一个或广播询问信号，请求与开关设备或开关设备组有关的测量数据。在实施方式中，该数据非实时地从开关设备控制器被发送回，其中非实时的方式具有低于实时开关控制数据/数据分组的优先级。在实施方式中，协调控制系统向系统的子树中的所有设备广播请求，虽然可选择地，故障设备的特定地址被包含在广播分组的地址中。被返回的测量数据可以仅以示例的方式包括：电流或电压数据；电流或电压数据的改变率；温度数据；或其他任何需要的/相关的数据。结果可以被协调控制系统采用来确定采取什么动作，在该情况中可以包括一个或多个降低一些或所有设备的温度的动作，以及(例如通过(半)永久地关闭电路的另一部分)降低或转移来自开关设备的一些或全部的电压的动作。通过基于上述的树的架构，识别潜在故障设备(例如被连接至子控制器的特定端口的一个或多个设备)的小列表并且接着采取适合的动作是相对直接的。
对于进一步的容错，在一些优选实施方式中，协调控制系统，尤其是中央控制器(该系统包括耦合至多个子控制器的中央控制器)，具有两个用于与开关设备控制器通信的独立通信信道。在这种方式中，数据可以在两个信道中的每一个上被发送，并且在开关设备控制器进行比较来在采取动作(例如将被控制的开关设备转移至随后的状态)之前证实开关控制信号。在该方法的一些优选实施方式中，当控制多个开关设备控制器/开关设备时，一个子控制器被用于针对设备/设备控制器中的每一者的第一信道组(A)并且不同的第二子控制器(耦合至相同的中央控制器)被用于针对设备/设备控制器中的每一者的第二信道组(B)，每个开关设备/设备控制器通过A信道和B信道二者来接收指令。
在系统的实施方式中，包括来自开关设备控制器的故障检测数据的确认数据在子控制器被合并(在实施方式中被或运算)。这便于对从任意设备控制器返回的数据快速检测是否存在错误。在类似的方法中，定义了开关设备已经达到的状态的确认数据也可以被合并或者被或运算，当所有开关设备处于所要求的目标状态时，再次为了快速检测来建立。如上文所述，可能地，子控制器可以记录哪个设备控制器导致定义了故障的或运算的数据，但这是不需要被采用的改进，并且通常情况下，优选的是保持子控制器相对简单。
由于故障检测数据本身可能是故障的，在一些优选实施方式中，故障检测数据包括错误检测和/或纠正数据，用于检测/纠正在故障检测数据中的错误。当巨大数量的开关设备(在一些应用中会有几千个受控的设备)被控制时这是尤其重要的。
在功率半导体开关设备中，开关系统常常是重要的，因此延时被最小化以更好地同步开关存在的大的电压/电流。因此当数据在串联总线上被发送(例如在分组数据通信系统中)时，如果错误检测/纠正数据被至少部分地与故障检测数据在时间上交错则这是是有帮助的。因此故障检测数据中的一个或多个比特可以紧接着错误检测/纠正数据的一个或多个比特，从而错误检测/纠正数据中的至少一个比特被提供在故障检测数据的比特之间。在这种方式中，当故障检测数据已经在协调控制系统被接收到时(在实施方式中是子控制器)，错误检测/纠正数据中的一些或大部分也可能已经被接收到。接下来只需要短暂的延时来确认故障检测数据是否正确。优选地，该方法与允许对错误检测/纠正数据的渐进处理的错误检测(和/或纠正)码相结合，从而当最后的错误检测/纠正数据比特到达时，数据的大部分已经被处理。可以被采用以实现这一点的一个该错误检测/纠正码是海明码，虽然可替换的码也可以被采用。
在上述的方法中，实施方式中允许错误检测在一定的时间范围内，例如为1ns的级别，这相比较于开关控制/确认数据的传播延时来说是很小的。
本发明的相关方面提供了一种容错控制多个功率半导体开关设备的开关的方法，该方法包括：从协调控制系统向多个开关设备控制器发送实时开关控制数据；使用所述开关设备控制器控制所述功率半导体开关设备的开关；监控对所述功率半导体开关设备的所述开关的所述控制；从所述开关设备控制器向所述协调控制系统发送确认数据；以及响应于发送的确认数据控制所述功率半导体开关设备中的一者或多者的进一步开关。
上文中描述的容错控制系统中的特征还可以被采用在上述方法的实施方式中。
本发明还提供了一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括：用于从协调控制系统向多个开关设备控制器发送实时开关控制数据的装置；用于使用所述开关设备控制器控制所述功率半导体开关设备的开关的装置；用于监控对所述功率半导体开关设备的所述开关的所述控制的装置；用于从所述开关设备控制器向所述协调控制系统发送确认数据的装置；以及用于响应于发送的确认数据控制所述功率半导体开关设备中的一者或多者的进一步开关的装置。
如上所述，本发明还进一步分别提供了协调控制系统和开关设备控制器。
因此在本发明的进一步的相关方面中，提供了一种用于容错功率半导体开关设备控制系统的协调控制系统，该协调控制系统包括：一种向多个开关设备控制器发送开关控制数据的系统，每一个开关设备控制器被耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备，以控制各自的功率半导体开关设备的开关；以及该系统从所述开关设备控制器接收实时确认数据；以及响应于所述确认数据的内容控制所述功率半导体开关设备的进一步开关的系统；其中所述确认数据包括故障检测数据，并且其中所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备的所述开关时是否存在故障。
协调控制系统的实施方式可以在硬件、软件或二者的结合中被实现。例如，系统的部分或全部可以在诸如磁盘的物理数据载体上的代码中被实现；该代码可以包括用于控制诸如数字信号处理器的处理器的代码和/或用于硬件描述语言的代码。协调控制系统的功能可以分布在多个彼此通信的耦合的组件之间。
附图说明
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；
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；
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；
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；
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
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
参照图1，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1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。
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。
虽然诸如MOSFET、JFET等的其它设备也可以被采用，但在图1的示例中，功率半导体开关设备是IGBT 132。
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将开关设备控制器130连接至子控制器120。在优选实施方式中，开关设备控制器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开关设备控制器/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。
数字逻辑140与在示出的示例中耦合至驱动IGBT 132的门驱动器136的反馈控制电路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“PowerSemiconductor 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)。
更一般地，图1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。
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-桥电功率转换器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。每个功率半导体开关设备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、120b中的一个。
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。
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)：
状态1：全关闭-开关被关闭，只有漏电流流通；
状态2：低栅极电压关闭-开关被关闭但接近栅极阈值电压；
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；
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；
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；
状态6：饱和开启-开关处于饱和开启情况。
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。
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。
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-1μs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。
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。
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Imin，也就是IC＝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Vce＝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Vg＝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。
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。
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。
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。
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。
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Ic和集电极电流发射极电压Vce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，Ic是0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，Vce降至低电压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Vs，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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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)。
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)。
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)。
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)。
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+/-1MVHVDC的系统的连通性级别。
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。
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)。
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。
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MOSFET)转移通过6个开关状态中的每一个。
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_LOW_VOLTAGE)状态，这是由于其被用于同步的多开关设备。
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。
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。
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B 404a、404b。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、410b，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。
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100Mbit/s或1Gbit/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。
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。
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。
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。
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。
示例性低级帧结构在后文中被描述；一些特征为：
·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。
·两个帧均包含海明码以允许错误检测和纠正。
·在下游帧中的类型比特(T)指示了其是否包含实时(RT)和非实时(NRT)数据。
·上游帧包含RT和NRT数据二者(即，没有类型比特)。
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。
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。
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。
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。
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～1-10μs(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～1μs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。
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)。
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。
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。
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。
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104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1Gbit/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。
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。
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。
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。
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。
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。
数据链路层
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：
其中下述缩写被采用：
T分组类型
P[5∶0]校验
F[5∶0]RT标记
D[9∶0]数据
E错误
ME合并错误
在外传分组(CC-＞SD)中，数据可以是基于T(类型)标记的RT或NRT数据。在入站分组(SD-＞CC)中，RT和NRT数据二者均存在。RT数据包括用于从SD向CC传送关键信息的标记组。校验比特P[5∶0]和P[4∶0]是SECDED(“单错误纠正，双错误检测”)海明码。如果节点接收到坏分组，错误比特E被设置。这可以是从CC接收毁坏分组的SD，或者从SD接收毁坏分组的SC。错误比特在上游分组中被晚发送，从而如果输入的上游分组处于错误则SC可以报告故障(由于E比特无法被传送直到最后的校验比特已经被接收并且被检查，这需要在SC内的几比特的延时)。如果子控制器从两个或更多下游设备接收到非空NRT数据，则合并比特ME被设置(这只会在有两个具有识别地址的设备时发生)。
协议具有请求-响应模式：对于每个由CC发送的分组，具有从SD接收到的分组。CC负责保证RT业务优先于NRT业务。
所有来自CC的分组由SC转发至所有SD。当分组由被SD接收到时，海明码被检查。
·如果检测到单比特错误，则错误被纠正并且帧的内容基于T标记转发至相关的上层。为了统计的目的，单比特错误计数器被增加。
·如果检测到双比特错误，帧的内容被丢弃并且E(错误)标记在应答分组中被设置。在每种情况中(如果帧被毁坏与未被毁坏)，外传分组被发送回CC。
·如果CC接收具有E标记设置的帧，则之前的帧被重新传送直到应答帧的E标记被清除或者重操作计时器到期。
如果由CC接收到的应答帧被毁坏并无法被纠正(2比特错误)，接收到的分组的内容不能被信任并且CC再次发送分组。
如果单比特错误被检测到(在可能纠正错误的情况中)，可选地，帧可以被丢弃，因为这可以降低接受不正确的帧的可能性。
每个帧具有SECDED(“单错误纠正，双错误检测”)海明码。对于外传通信，每个SD具有检测并纠正单比特错误的能力。这被用于避免单比特错误上的重新传输，因为由于巨大数量的SD和高速传输，这种类型的错误很可能发生。
子控制器以最小的延时将下游数据CC-＞SD发送出所有输出端口(即，不等待整个分组被接收到)。如上所述，分组将从SD上游至CC，每个SC执行F[5∶0]，D[8∶0]和E的或函数。SC为输出数据传送纠正校验比特(P[5∶0])(校验比特不被“或”在一起)。
我们现在考虑RT层数据分组。这些数据分组具有下述格式：
其中下述缩写被采用：
G[4∶0]组地址
S[3∶0]开关状态
A[3∶0]动作
RT分组类型
(对于RT分组类型，0＝RT状态即，开关状态从CC被发送至节点(SD)；1＝RT动作)
OC过流
OV过压
XX备用
CE通信错误
AIP动作进行中
SIP开关状态改变进行中
组地址被用于发送RT数据至不同的SD组，例如多级逆变器的不同级。组0是广播组。设备仅在作为RT寻址组的成员时在RT请求上起作用。组地址通过使用NRT数据分组被发送至SD并且通过使用RT动作指令分组进行激活。开关状态是代表了针对SD组的被期望的开关状态的4比特数字。
动作指令是4比特数字；示例性动作为：将设备重置为开启状态；重置NRT通信系统；应用存储在设备“影像寄存器”中的配置。从23至18的比特是被用于从SD向CC传送时间关键信息的标记组。
当SD接收RT动作指令或开关状态改变时AIP和SIP标记被设置。当动作或开关状态改变完成时，标记被重置。由于SC的标记“或”运算，CC得知是否至少一个SD还没有完成动作/改变。
RT数据分组包含报告SD组的状态的故障标记组(OC、OV等等)。可以被报告的示例性故障包括过流(去饱和)、过压、建立开启(或关闭)状态(可以指示故障栅极驱动)的故障、过温以及连续处于钳位电压状态的转换设备控制器的状态(可以指示控制系统中的别处的故障)。
如果SD有故障，例如过压故障，比特在RT数据中被设置并且被向上传送至SC。SC执行或操作并且将其向前发送。当数据到达CC，可用的信息为，在网络中的某处有故障，并且接下来NRT数据信道被用于(例如通过询问个别设备)明确地确定错误在哪。
每个SD具有可以被读取以检查其故障状态的寄存器。然而在实施方式中，来自每个下游端口的最新故障状态被SC缓存，并且接下来可以通过由故障状态寄存器引导向下浏览SC树来确定故障的位置。当检测到故障时，如果需要，可以通过控制节点来将系统的部分或全部返回至先前的已知良好状态，以返回进行转变和开始故障状态的状态(或者可替换地转移至随后的“安全”状态)。
接下来我们考虑NRT传输层，在该NRT运输层中数据分组具有以下格式：
其中下述缩写被采用：
D[7∶0]数据
C[7∶0]控制
NT分组类型
S序列标记
POR上电/重置
NRT分组包含8比特数据字节或8比特控制码。如果设备被开启或重置并且维持设置直到设备具有被分配的地址，开启/重置比特POR被设置。(这使得CC能够检测设备在操作期间何时被附着至系统。)控制比特尤其表征了分组的开始和结束(由NRT数据帧有效载荷的可变数量构成，并且可以具有多至64字节)。
序列标记被用于提供可靠广播数据报服务。当NRT帧被接收到时，帧的S标记与在接收节点内的内部序列标记相比较。如果两个标记不相同，则来自外传帧的数据被忽略，否则新数据被插入到入站帧中，并且内部序列标记无效。
NRT通信协议利用20比特设备地址。具有三个类别的地址：
1.“设备地址”采取形式a.b.c.d，其中第一组成部分是1..30，并且所有其它组成部分是0..30。该地址定义了个体设备。
2.“通配地址”是作为设备地址，但是一个或多个组成部分采取意味着“任意设备”的值31。例如1.2.31.0指的是所有设备1.2.x.0，其中x是0..30。
3.“组地址”采取形式0.x.y.z，其中15比特数字xyz标识了设备组。
所有从属设备(即，不是中央控制器)具有单个设备标识符。中央控制器负责基于设备在网络中的位置向这些设备分配地址。参照图5b，示出了被附着至单个中央控制器输出端口(端口1)的小网络来演示分配地址方案。圆代表了子控制器节点，矩形代表了个体设备。在图表的每层，数字添加至地址。
通配地址允许基于节点组在树中的位置来为节点组分配地址。地址的通配部分用值31(是无效端口数字)表示。例如：
1. 31.0.0.0将作为所有被直接连接至中央控制器的设备的地址。
2. 31.31.0.0将作为所有在树的第一和第二层中的设备的地址。
3. 1.2.3.31作为所有被连接至具有地址1.2.3.0的子控制器的设备地址
4. 31.31.31.31作为在网络上的所有设备的地址。
组地址允许基于动态管理的组来为设备分配地址。这些组可以通过中央控制器在设备内设置组地址寄存器来被管理，或者可以基于设备的性能(例如，NRT地址是否已经被分配给设备)。下面的组被预定义：
当对设备分配地址时设备列举方案被使用。在地址被分配给设备之前，无法被单独地分配地址，只能通过使用广播/组地址来被访问。因此算法被使用从而保证如果组地址被用于设置设备地址，该组只包含该设备而没有其他。这通过操纵在子控制器上的有效NRT输出端口组来完成。算法在每个CC输出端口N上执行，并且将地址N.a.b.c分配给节点。算法以下面步骤开始：
1.向广播RT组发送重置动作(因此所有节点的地址被清除，并且所有SC输出对NRT业务关闭)。
2.使用组地址组_无_地址(GROUP_NO_ADDRESS)来分配地址N(该节点是所有输出失效的SD或SC，因此只有一个设备响应)。
3.从地址N开始执行“列举算法”。
列举算法从地址N开始在设备上递推。过程读取设备类型并且当设备不是SC时算法结束。否则，如果设备是子控制器：使所有在SC上的输出端口失效，接下来对于每个输出端口i：
1.使输出端口i生效。
2.使用组地址组_无_地址为设备i分配地址。
3.在设备i上运行列举算法(沿着树向下进行深度优先搜索)。
4.使输出端口i失效。
接下来使所有输出端口生效。
现在参照图5c，示出了根据本发明实施方式的被配置实施上述技术的子控制器550的框图。因此，子控制器包括端口组552a-c，其中每一个端口(除了本地端口端口0以外)包括数据收发信机554、用于被传送的数据的编码器556、用于接收到的数据的解码器和数据恢复功能558和FIFO 560，以及优选地，校验解码器562。来自被解码的接收到的数据和来自针对每个端口的校验解码器的输出被提供给端口或运算模块500，宽泛地如上所述，接下来是用于向前重新传输至中央控制器的校验和数据编码器功能570、572。物理接口包括一对数据收发信机574，并且接收到的数据被提供给向块500提供时钟信号的以及通过本地端口0向该块提供输入的解码器和数据恢复功能576。在具有多于一个子控制器层的控制系统中，数据收发信机574可以与另一子控制器通信。因此在实施方式中，有32个双向端口：一个“入站”、30个“外传”以及一个内置。由于在实施方式中每个端口是半双工的，在实施方式中一对缓冲器被提供给每个由子控制器逻辑控制的外部端口。
在实施方式中，在操作中，编码器556、572中的一者或两者使用三进制码(例如，混合(H-)三进制码)将数字1/0级比特流编码为3个级别：正、零和负。解码器和数据恢复功能558、576将该三个级别解码为二个级别数字比特流，并且将数据与内部时钟对准。FIFO 560将输入的数据储存至完整帧。校验解码器562检查输入帧的海明码。在实施方式中，端口0包括本地节点模块578，该本地节点模块578是类似于其他至SD的节点的内部节点，被用于配置子控制器本身。
入站数据(来自中央控制器)基本上不修改地被发送至所有外传端口(至节点/SD)以及至本地端口。在进行过程中，入站数据流被解码以允许内部子控制器逻辑识别帧的起始并且相应地驱动缓冲器；对于外部外传端口，数据流接下来在转发前被重新编码。
从节点/SD(以及内部端口)来的数据在逐个比特基础上被合并。优选地，每个(可选地通过另一个子控制器)来自节点/SD的输入数据流被临时储存在FIFO中。因此不需要对从子控制器到其目的地(其它子控制器或节点)的缆线中进行长度匹配，允许了输入数据比特在不同时间到达。当帧的第一比特被用于所有端口的FIFO储存时，子控制器逻辑开始从FIFO读取数据，逐个比特地对数据流进行或运算。除了校验比特，所有比特被或运算。在NRT分组中只有一个端口接收到数据并且其它端口接收到包括所有0的空分组的情况中，或运算不改变数据。如果超过一个端口接收到NRT数据分组，合并错误被标记，使得中央控制器采取纠正动作。接下来在4比特延时之后每个比特被转发至入站端口(见下文)。
优选地，被合并的数据流被尽快地并且在完整帧被储存之前(并且因此诸如帧末端有校验流的循环冗余检查的校验机制不被使用)转发。在实施方式中，校验比特串不被储存在帧末端，而是被分散在帧中，并且当帧尾被SC接收到时，被合并的帧的大部分已经被转发至CC。海明码校验方案由于是分布式校验机制而被使用，并且当校验比特(P)被接收到时，该比特(仅)覆盖目前接收到的帧数据比特(D)，如下所示：
每个校验比特可以在到达时立即被检查，并且不需要等待完整帧。这提高了当发送最后数据比特(比特3，错误标记)时被转发的帧失效的可能性，虽然其仍然被校验方案覆盖。为了达到这一点，接下来在4比特延时之后每个比特被转发至入站端口(并且因此帧被以4比特延时转发)。在帧末端，SC接收最后3个校验比特(P2至P0)并且检查它们。接下来如果分组被毁坏(一个或两个比特错误)，则SC设置错误标记，并且在帧的最后四个比特被转发之前为P2-P0计算新值。
该协议为下面的外传(来自SC)和入站(向SC)数据提供了不同的错误检查/纠正能力：在实施方式中，对于外传数据流，每个SD或SC本地节点可以纠正单比特错误并且检查双比特错误。对于入站数据流，单或双比特错误可以由每个SC检测，但是纠错是不可能的。因此在实施方式中，只有帧在CC和直接连接至CC的SC(与通过另一个SC被连接的相反)之间被毁坏时单比特错误可以被CC纠正。
可以期待能够在确定的时间(例如当开关动作不发生时)更新开关设备控制器的配置。然而配置数据可能太大而无法在实时分组中发送，并且因此在实施方式中，配置信息利用在每个开关设备控制器(SD)中的“阴影配置”以二阶段过程来更新。
现在参照图6a，示出了图1的数字逻辑140的细节。如上文所述，开关状态被来自中央控制器的实时消息请求(并且当获得时被类似地确认)，同时配置和监控数据可以由非实时消息发送和接收。因此至总线122的接口包括实时逻辑150和非实时逻辑152。在实施方式中，控制器包括两个寄存器储备154a、154b，用于存储可以被多路复用器156选择的配置数据。寄存器储备通过数字逻辑编程，该数字逻辑也控制哪个寄存器储备是激活的以及哪个可以被写入。激活的寄存器储备提供配置了开关设备控制器的参数信息。没有激活的寄存器储备可以通过通信接口被更新，并且接下来进行激活以使得新参数数据控制系统状态。这使得控制器配置能够实时更新，并且同步地在具有多个开关/控制器的系统中更新。
因此在操作中，寄存器储备中的一者用于储存阴影配置数据，并且另一者用于储存激活的配置数据。阴影配置针对节点使用NRT帧进行更新，对于该节点需要配置改变。然而对阴影配置的改变对于设备的开关表现没有影响。接下来使用实时动作指令将阴影配置复制至激活的配置寄存器储备(或者其目的是遮蔽并且激活的寄存器储备被切换)。在数据链路层中的错误比特允许中央控制器检测是否一个或多个设备没有接收到该动作指令，从而命令可以被重发送。在一种实施方式中，寄存器储备包括可寻址存储器的4K 32比特字。
图6b示出了用于将来自中央控制器的数据写入寄存器内的示例性过程(地址可以是单独设备地址或设备组的地址)。可以看到的是，NRT消息提供设备地址以及该消息的有效载荷，寄存器地址和寄存器内容；以及进一步的NRT消息被用于状态数据(有效的或错误)的确认。类似地，图6c示出了读取请求，在该读取请求中，中央控制器读取在单独的分配地址设备内的一个或多个寄存器的内容。NRT消息的有效载荷运载了寄存器地址，并且寄存器内容在进一步的NRT消息的有效载荷中被提供回来。返回的数据可以例如是配置和/或测量数据。
无疑义的是，对于本领域技术人员来说有很多其他有效可替换技术。应该理解的是，本发明并不仅限于被描述的实施方式，还包括在所附权利要求的思想和范围之内的对于本领域技术人员来说显而易见的改变。

Claims (16)

1.一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括：
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耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备；
其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；
其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；
其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关；
其中所述确认数据包括故障检测数据；
其中所述开关设备控制器被配置为监控所述功率半导体开关设备的开关及响应于所述监控生成所述故障检测数据；
其中所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备进行所述开关时是否存在故障；
其中所述协调控制系统被配置为处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应；
其中所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体开关设备到安全开关状态的决定；以及
其中所述安全开关状态包括在全关闭状态和饱和开启状态之间的至少一个中间状态。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述故障处理决定包括重新请求所述确认数据的决定。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述决定包括调查所述故障的决定；
其中所述协调控制系统被配置为向存在所述故障的所述功率半导体开关设备发送询问信号；以及
其中响应于请求所述询问信号，所述开关设备控制器被配置为将关于所述功率半导体开关设备的测量数据发送回至所述协调控制系统。
4.根据权利要求1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，其中所述一个或多个子控制器通过共享总线被耦合至所述中央控制器，并且其中所述子控制器通过专用总线被耦合至所述开关设备控制器。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述开关设备控制器通过两个独立的信道被耦合至所述协调控制系统，其中所述协调控制系统被配置为在所述两个独立的信道上向所述开关设备控制器发送所述实时开关控制数据，并且其中所述开关设备控制器被配置为在控制开关所述功率半导体开关设备之前，比较通过所述两个独立信道接收到的所述实时开关控制数据。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述协调控制系统被配置为合并来自所述多个开关设备控制器的所述故障检测数据来识别所述故障是否存在。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述协调控制系统被配置为或运算来自所述多个开关设备控制器的所述故障检测数据以合并所述故障检测数据。
8.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述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，其中每一个所述子控制器被耦合至所述开关设备控制器组，并且其中每一个所述子控制器被配置为合并来自子控制器所耦合至的所述开关设备控制器组的所述故障检测数据，以使得所述合并的故障检测数据标识出是否所述故障存在于所述开关设备控制器组中。
9.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述故障检测数据包括用于检测在所述故障检测数据中的错误的错误检测数据。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中所述错误检测数据的一个或多个比特被提供在所述故障检测数据的比特之间，以使得所述故障检测数据中的错误可以在接收所有所述故障检测数据之前是可检测的。
11.根据权利要求1所述的控制系统，其中在所述协调控制系统和所述多个开关设备控制器之间的通信包括分组数据通信，并且其中所述实时开关控制数据和所述实时确认数据被格式化为所述分组数据通信的数据分组。
12.一种容错控制多个功率半导体开关设备的开关的方法，该方法包括：
从协调控制系统向多个开关设备控制器发送实时开关控制数据；
使用所述开关设备控制器控制所述功率半导体开关设备的开关；
监控对所述功率半导体开关设备的所述开关的所述控制；
从所述开关设备控制器向所述协调控制系统发送确认数据；
响应于发送的确认数据，控制所述功率半导体开关设备中的一者或多者的进一步开关，
其中所述确认数据包括故障检测数据；
响应于所述监控生成所述故障检测数据，
其中所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备进行所述开关时是否存在故障；
处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应，
其中所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体开关设备到安全开关状态的决定，
其中所述安全开关状态包括在全关闭状态和饱和开启状态之间的至少一个中间状态。
13.一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括：
用于从协调控制系统向多个开关设备控制器发送实时开关控制数据的装置；
用于使用所述开关设备控制器控制所述功率半导体开关设备的开关的装置；
用于监控对所述功率半导体开关设备的所述开关的所述控制的装置；
用于从所述开关设备控制器向所述协调控制系统发送确认数据的装置；
用于响应于发送的确认数据控制所述功率半导体开关设备中的一者或多者的进一步开关的装置，所述确认数据包括故障检测数据；
用于响应于所述监控生成所述故障检测数据的装置，所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备进行所述开关时是否存在故障；以及
用于处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应的装置，所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体开关设备到安全开关状态的决定，
其中所述安全开关状态包括在全关闭状态和饱和开启状态之间的至少一个中间状态。
14.一种协调控制系统，包括在容错功率半导体开关设备控制系统中，所述容错功率半导体开关设备控制系统包括：
所述协调控制系统；以及
多个开关设备控制器，每一个开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备；
其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；
其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；
其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关；
其中所述确认数据包括故障检测数据；
其中所述开关设备控制器被配置为监控所述功率半导体开关设备的开关及响应于所述监控生成所述故障检测数据；
其中所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备进行所述开关时是否存在故障；
其中所述协调控制系统被配置为处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应；
其中所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体开关设备到安全开关状态的决定；以及
其中所述安全开关状态包括在全关闭状态和饱和开启状态之间的至少一个中间状态。
15.一种开关设备控制器，包括在容错功率半导体开关设备控制系统中，所述容错功率半导体开关设备控制系统包括：
协调控制系统；以及
多个所述开关设备控制器，每一个开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备；
其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；
其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；
其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关；
其中所述确认数据包括故障检测数据；
其中所述开关设备控制器被配置为监控所述功率半导体开关设备的开关及响应于所述监控生成所述故障检测数据；
其中所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备进行所述开关时是否存在故障；
其中所述协调控制系统被配置为处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应；
其中所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体开关设备到安全开关状态的决定；以及
其中所述安全开关状态包括在全关闭状态和饱和开启状态之间的至少一个中间状态。
16.一种用于容错功率半导体开关设备控制系统的协调控制系统，该协调控制系统包括：
向多个开关设备控制器发送开关控制数据的系统，每一个开关设备控制器被耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备，以控制各自的功率半导体开关设备的开关；以及该系统从所述开关设备控制器接收实时确认数据；以及
响应于所述确认数据的内容控制所述功率半导体开关设备的进一步开关的系统；
其中所述确认数据包括故障检测数据，并且其中所述故障检测数据指示在所述功率半导体开关设备进行所述开关时是否存在故障；
其中所述协调控制系统被配置为处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应；
其中所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体开关设备到安全开关状态的决定；以及
其中所述安全开关状态包括在全关闭状态和饱和开启状态之间的至少一个中间状态。
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