CN104247265B - 设备驱动器、驱动控制器、电力开关装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请主要涉及用于驱动诸如IGBT的高压电力开关设备的装置。一个方面提供了一种将感应能力添加到用于驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的设备驱动器的方法，电力开关装置具有包括至少一个设备和驱动器的设备端电路以及具有包括驱动器控制器的控制端电路，设备驱动器被布置成通过通信链路耦合至驱动器控制器，设备驱动器被布置成响应于在通信链路上从驱动器控制器接收到的开关信号驱动至少一个设备开启或关闭，设备驱动器还被布置成响应于接收到的开关信号传送确认信号到驱动器控制器，确认信号在驱动器控制器处可被检测为有效确认信号，该方法包括：提供感应电路以输出对设备端电路的条件的指示；提供调制电路以在传输之前根据条件指示对确认信号进行调制，由此调制的确认信号为由设备驱动器响应于接收收到的开关信号传送到驱动器控制器并且在驱动器控制器处可被检测为有效确认信号的确认信号。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种用于驱动高压电力开关设备(例如IGBT)的装置，并且特别地，涉及一种将感应能力添加到用于驱动至少一个高压电力开关设备的设备驱动器的方法、一种将监控能力添加到用于控制设备驱动器驱动至少一个高压电力开关设备的驱动器控制器的方法、一种将感应和监控能力添加到包括驱动器控制器和设备驱动器的电力开关装置的方法、一种用于驱动至少一个高压电力开关设备的设备驱动器、一种用于控制设备驱动器驱动至少一个高压电力开关设备的驱动器控制器、一种包括至少一个高压电力开关设备的电力开关装置，更特别地，涉及一种逆变器。
背景技术
功率半导体开关设备被广泛使用在大范围的电力应用中。我们通常所关注的功率半导体开关设备具有大于1安培的载流能力，并且其可操作电压大于100伏特，举例来说，这样的设备能够运载大于10安培、50安培或100安培的电流和/或能够维持设备两端大于500伏特或1千伏(KV)的电压差。
此类设备的实例包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及FET(例如MOSFET(纵向或横向)和JFET)，还包括例如LILET(lateral inversion layer emitter transistors，横向倒置层发射极晶体管)、SCR等可能的设备。我们将要描述的技术不局限于任意特定类型的设备架构，并且因此电力开关设备例如可以是纵向设备或横向设备；所述电力开关设备可以通过包括但不局限于硅及碳化硅在内的一系列技术来制造。
此类开关设备具有以下应用：用在高压传输线、特别是例如从离岸风装置运载电力的这类dc传输线中的开关，以及用于电机(例如机车电机)等等的中压(例如大于1KV)开关。特别地，IGBT用于通过利用低电平电压或电流来控制大电流，某些IGBT具有例如1600V和1200A的额定值。
通常利用此类开关设备，数十或数百个设备可被串联和/或并联连接以在期望的电压/电流下运行。对此类设备的开关进行控制存在特定的问题，这是由于电气环境相对嘈杂，诸如负载电流和温度的运行条件不断改变，并且还由于被开关的电压/电流非常大，由此导致存在重大的设备故障风险。此外，当此类系统中的一个开关设备发生故障时，该系统中的其他开关设备很容易受其影响发生故障。
通常地，为了避免使用更昂贵和/或开关速度慢的高功率设备，更容易使用以串联拓扑结构布置的多个设备来构建用于对中压或高压进行开关的系统。在一个示例逆变器中，可以在电力供给线之间堆叠(stack)和放置IGBT以构成如图1a中所示的相臂，该相臂可代表一个单臂逆变器或多臂逆变器中的一个相臂。图1b示出了在每一相臂的上侧和下侧均堆叠有两个IGBT的多相臂逆变器。将多个IGBT进行串联可使得整体电压(例如逆变器相臂两端的电压或逆变器相臂的下侧或上侧的IGBT两端的电压)能够跨IGBT被分开(split)，从而可使用低压IGBT和/或更高整体电压。尽管如此，即使使用了串联连接的IGBT，仍然存在如上所述的可靠性问题。
鉴于上述情况，仍然需要对监控和/或控制电力开关设备网络作出改进，例如以实现故障预测/避免、增加可靠性、可扩展性(例如允许更大数量的IGBT串联连接)、成本效率、功率效率(即低功耗，例如通过降低开关损耗)、和/或更高质量的输出电压和/或电流波形。
更具体地，鉴于来自指定制造商的设备的制造公差和/或来自不同制造商的电力开关设备之间的差别，上述对监控和/或控制的改进是有益的。这样的设备可以结合在电力开关设备网络中，由此电力开关设备的运行特性可以根据诸如逆变器这样的装置的网络上的不同设备而变化。这将会导致如上文所述的弊端，例如在不同的串联连接的电力开关设备(例如在一个或多个半 个相臂)中由于低电压分配引起的低可靠性。例如，这种低分配的发生可能是由于设备开启和/或关闭次数(times)的差别引起的。由此，对独立设备的动作进行远程监控和/或控制是有帮助的。
最优选地以一种与现有电力开关设备控制产品兼容的方式克服上述和/或其他困难，这是有必要的。
我们将描述能够解决这些和其他问题的技术。
出于理解本发明的目的，可参考下述公开的内容：
1SP0335V/1SP0335S/1SP0335D Description and Application Manual(http://www.igbt-driver.com/fileadmin/Public/PDF/Products/ENG/SCALE-2/PnP/1SP0335/Manual/1SP0335_Manual.pdf.
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供一种将感应能力添加到用于驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的设备驱动器的方法，该电力开关装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括驱动器控制器的控制端电路，所述设备驱动器被布置成通过通信链路耦合至所述驱动器控制器，所述设备驱动器被布置成响应于在所述通信链路上从所述驱动器控制器接收的开关信号而驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述设备驱动器还被布置成响应于接收到的所述开关信号传送确认信号到所述驱动器控制器，所述确认信号可在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号，所述方法包括：提供感应电路以输出所述设备端电路的条件指示；提供调制电路以在所述传输之前基于所述条件指示对所述确认信号进行调制，由此调制后的所述确认信号是由所述设备驱动器响应于接收到的所述开关信号传送到所述驱动器控制器的所述确认信号并且可在所述驱动器控制器处被检测为有效的所述确认信号。举例来说，可在所述驱动器控制器处被检测为有 效的所述确认信号可具有诸如持续时间、振幅、频率等等特性符合与例如在驱动器控制器处的持续时间和/或到达时间(所述到达时间例如与关联的、前述开关信号的传输时间相关)有关的预定的最小和/或最大值。特别地，最小持续时间可以为大约(例如精确的或在正负1％、2％、5％或10％之内)0.6us和/或最大持续时间可以为大约1.8us。更广泛地说，调制后的信号的有效性可通过以下方式来确定：所述调制后的信号是否可由所述驱动器控制器识别作为有效确认信号。
由此，电力开关装置(例如逆变器)的现有设备驱动器可通过安装(fit)感应电路和调制电路得以修改。有益的是，修改后的设备驱动器可继续与现有的驱动器控制器通信以提供现有功能，特别是向驱动器控制器提供可被驱动器控制器识别作为对开关信号的响应的确认信号。由此，电力开关装置或此类装置的设备驱动器可以被改造(retrofit)以添加感应能力，而无需任何额外的发射机和/或通信链路来将感应的信号从设备驱动器传递到驱动器控制器。优选地，感应的设备条件数据(例如高压开关设备的温度)通过调制被“隐藏”在现有的确认信号内。
此处还提供一种方法，其中所述条件表示设备端电路(例如电力开关设备)的状态或者设备端电路(例如电力开关设备)的参数测量值，并且所述调制包括对一个或多个所述确认信号进行调制以将所述状态或测量值编码到所述一个或多个确认信号内，每一所述确认信号响应于各自的开关信号而生成。举例来说，多个确认信号中的每一确认信号可被调制以表示所述值的单个比特，和/或单个确认信号可被调制以表示所述值的多个比特。这种条件可表示参数(例如所述设备的温度、电压和/或电流)是否在阈值之下，例如用以指示所述电力开关设备是否在所述设备的安全运行极限内运行。例如，可通过比当所述阈值未被超过时的持续时间更长的确认信号来指示所述阈值被超过。
所述参数可包括：所述设备的温度、电压或电流；或者事件的定时(例如所述设备的电压或电流峰值)。更具体地，所述参数可包括：电力开关设备栅极或栅极-发射极电压；电源电压；电力开关设备集电极-发射极饱和电压；电力开关设备集电极或集电极-发射极电压；环境温度；或电力开关设备开关时间(例如开启或关闭的开关时间，例如在开启状态电流的大约10％与开启状态电流的大约90％之间切换的时间)。由此，所述方法可允许多比特数据从设备驱动器传递到驱动器控制器，而无需任何额外的发射机和/或通信链路来将感应的信号从设备驱动器传递到驱动器控制器。由此，对高压开关设备的任何一个或更多个参数进行监控以提供广泛的综合监控功能而无需额外的通信手段是可能的。
此处还提供了一种方法，其中所述调制对多个所述确认信号中的每一确认信号进行调制以表示用于表示所述条件的多比特值中的各自的单个比特，由此从设备驱动器传送所述多比特值。可替换地，包括至少两个比特的所述值中的两个或多个比特可被编码到任一个或更多个所述确认信号中。
一个示例性实施方式可通过对多个确认信号进行编码来输出具有优选的预定结构的数据分组，例如其中成功确认信号中的一者或多者的子组表示根据各自的模数转换器(ADC)指示的条件。可选地，这样的分组可包括例如用于同步、分组或数据标识和/或差错校验的控制数据。无论如何，从设备端传送一个或多个条件指示(优选地通过分组这样的手段)可随时发生(例如由开启设备端电源之类的事件触发)，或者可不断地重复而优选地无需任何外部触发)。
此处还提供了一种方法，其中所述调制对确认信号进行调制以表示用于表示所述条件的多比特值的多个比特。例如，确认脉冲可被调制以在周期内提供多个转变(transition)和/或子脉冲，所述周期由有效确认脉冲的最小和最大持续时间来定义。这样的周期可称作“不在意(don’t care)”周期，并 且例如可在确认脉冲开始之后延长0.6us至1.8usus。
此处还提供了一种方法，其中所述确认信号包括脉冲，并且所述调制对所述脉冲信号的持续时间进行调整，由此调整的持续时间在有效确认脉冲的最小持续时间与最大持续时间之间。根据一种实施方式，所述最小持续时间可以为大约(例如精确地或在正负1％、2％、5％或10％之内)0.6us和/或最大持续时间可以为大约1.8us。举例来说，所述调制可将所述持续时间调整为大约0.8us以指示一个数据比特(例如“1”或“真”)和/或调整为大约1.6us以指示另一数据比特(例如“0”或“伪”)。由此，将数据的单个比特编码成确认信号可得以实现。尽管如此，所述方法可被扩展以允许将多于一个二进制数据比特编码成单个有效确认信号，举例来说，一个中间持续时间(例如1.2us)可指示除了“0”或“1”之外的值(例如一个2比特二进制值，或n进制系统的一个比特，其中n>2)。
此处还提供了一种方法，其中所述调制包括频率调制、振幅调制、和/或脉冲宽度调制，优选地，其中所述调制用于对多级数字数据进行编码。举例来说，三个或更多个不同定义的频率、振幅和/或脉冲宽度中的每一个可用于表示各自的数据比特。由此，对单个确认信号的调制可不被限制于表示单比特二进制值，即“0”/“1”或“真”/“伪”。
根据本发明的第二个方面，提供了一种将监控能力添加到用于控制设备驱动器以驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的驱动器控制器的方法，所述装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括所述驱动器控制器的控制端电路，所述驱动器控制器被布置成通过通信链路耦合至设备驱动器，所述驱动器控制器被布置成在所述通信链路上传送开关信号以控制所述设备驱动器驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述驱动器控制器还被布置成从所述通信链路接收确认信号并检测作为对所述开关信号的响应的有效的接收到的确认信号，所述方法包括：提供解调 电路以对检测到的有效确认信号进行解调从而输出所述设备端电路的条件，所述条件被编码在所述确认信号内。所述条件可与第一个方面一样，例如为所述设备的条件(例如状态或参数的测量值)。
优选地，所述驱动器控制器被布置成与上述设备驱动器通信，也即，发送开关信号以控制所述设备驱动器对设备进行开启/关闭操作并且识别来自所述设备驱动器的有效确认信号。在这点上，所述驱动器控制器可具有用于检测确认信号何时有效的持续时间鉴别器。优选地，所述解调电路使用该持续时间鉴别器或包括另一持续时间鉴别器以根据持续时间来确定被编码到所述确认信号中的一个或多个数据比特。
有益的是，电力开关装置(例如逆变器)的现有驱动器控制器可通过安装解调电路得以修改，优选地，如此使得修改的驱动器控制器可继续与现有的设备驱动器通信以提供现有功能，特别是向设备驱动器提供开关信号并从所述设备驱动器接收并识别响应于该开关信号的有效确认信号。由此，电力开关装置或该装置的驱动器控制器可被改造以添加监控能力，而无需任何额外的接收机和/或用于将感应的信号从设备驱动器传递到驱动器控制器的通信链路。优选地，感应的设备条件的数据(例如高压开关设备的温度)被“隐藏”在现有的确认信号内并且可通过驱动器控制器处的解调得以检测。
此处还提供了一种将感应和监控能力添加到包括驱动器控制器和设备驱动器的电力开关装置的方法，所述设备驱动器用于驱动至少一个高压开关设备，并且所述驱动器控制器被布置成控制所述设备驱动器对所述设备进行开启和关闭操作，所述方法包括上述的将感应能力添加到所述设备驱动器的方法以及上述的将监控能力添加到所述驱动器控制器的方法。采用这种方式，每一个用于驱动电力开关装置(例如逆变器)的高压开关设备的现有网络的驱动器控制器-设备驱动器对可被更新以允许对所有设备进行监控，有益的是，无需增加将增加尺寸、成本和/或复杂度的额外通信手段。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的设备驱动器，所述装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括驱动器控制器的控制端电路，所述设备驱动器被布置成通过通信链路耦合至所述驱动器控制器，所述设备驱动器被布置成响应于在所述通信链路上从所述驱动器控制器接收到的开关信号而驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述设备驱动器还被布置成响应于接收到的开关信号传送确认信号到所述驱动器控制器，所述确认信号可在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号，所述设备驱动器包括：被布置成接收所述设备端电路的条件指示的输入；以及被配置成根据接收到的条件指示对所述确认信号进行调制的调制器，其中所述设备驱动器被配置成传送调制的确认信号作为可在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号的确认信号。
优选地，电力开关装置的现有设备驱动器可替换成上述的设备驱动器而基本不会对该装置的现有功能降级，特别地，允许对所述设备驱动器的控制基本如替换之前一样继续。此外，有益的是，根据一个实施方式的设备驱动器使得用于监控一个或多个所述高压电力开关设备的可用数据可供兼容电路(例如下述驱动器控制器)使用，优选地，这种可用性提供对现有电路的最小修改，例如无需任何额外的通信链路。
根据本发明的第四个方面，提供了一种用于控制设备驱动器驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的驱动器控制器，所述装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括所述驱动器控制器的控制端电路，所述驱动器控制器被布置成通过通信链路耦合至所述设备驱动器，所述驱动器控制器被布置成在所述通信链路上传送开关信号以控制所述设备驱动器驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述驱动器控制器被布置成在所述通信链路上从所述设备驱动器接收确认信号并检测有效的接收 到的确认信号，所述驱动器控制器包括：被配置成对接收到的确认信号进行解调由此确定被编码到所述确认信号中的数据的解调器；以及被配置成基于确定的数据提供所述设备端电路的条件指示的输出。优选地，驱动器控制器用于控制根据上述实施方式的设备驱动器。
与上述有关设备驱动器的描述类似，电力开关装置的现有驱动器控制器可替换成上述的驱动器控制器，优选地，基本不会对该装置的现有功能降级，特别地，允许对一个或多个所述设备驱动器的控制基本如替换之前一样继续。此外，有益的是，根据一个实施方式的驱动器控制器对被编码到确认信号中的监控数据进行检测，以对一个或多个高压电力开关设备进行监控，优选地，在提供对现有电路的最小修改(例如无需任何额外的通信链路)的情况下对一个或多个所述设备的监控由此能得以实现。
此处还提供了一种电力开关装置，该电力开关装置具有设备端电路和控制端电路，该设备端电路包括至少一个高压电力开关设备和被配置成驱动所述至少一个高压电力开关设备的上述设备驱动器，该控制端设备包括被配置成控制所述设备驱动器开启或关闭所述至少一个高压电力开关设备的上述驱动器控制器。所述控制端电路和设备端电路可位于通信链路的相对端以进行隔离并可由各自的电源供电；由此所述至少一个设备及关联的一个或多个设备驱动器可由与所述驱动器控制器的电源分离的电源来供电。这样的电力开关装置例如可以是逆变器，优选地，包括多个相臂和/或在相臂的在每半个/每一个相臂中的多个高压电力开关设备。所述逆变器例如可在电动车辆中使用，用于机车牵引或船舶驱动、用于工业电机驱动、风力或太阳能逆变器、数据中心不间断供电或用于电网的高压DC基础设施。
此处还提供了一种电力开关装置，其中所述电力开关设备包括IGBT或FET(例如JFET或MOSFET),并且其中所述设备驱动器被布置成驱动所述IGBT或FET的栅极。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在功率半导体开关设备控制系统中传递配置/测量数据的方法，所述功率半导体开关设备控制系统包括协调控制系统和多个开关设备控制器，每一个所述开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个所述开关设备控制器被配置成针对一个或多个各自的功率半导体开关设备；所述方法包括：发送控制数据，所述控制数据包括用于控制切换至所述开关设备控制器中的一者或多者的数据；在所述协调控制系统处接收确认信号，其中所述确认信号包括具有前沿和后沿的脉冲，并且其中所述前沿与后沿之间的定时间隔具有允许的变化范围，所述确认信号在该允许的变化范围内为有效信号；所述方法还包括：在由所述允许的变化范围定义的定时窗口内将所述配置/测量数据编码到所述确认信号中，由此所述确认信号为编码的确认信号；将所述编码的确认信号从所述开关设备控制器发送到所述协调控制系统；以及在所述协调控制系统处解码来自所述编码的确认信号的所述配置/测量数据；其中所述配置/测量数据包括与所述开关设备控制器或所述功率半导体开关设备的配置或测量分别相关的数据。
根据一些优选实施方式，所述编码包括改变所述定时间隔以在所述脉冲的持续时间的允许的变化范围内对所述配置/测量数据进行编码，以使所述确认信号有效。
本发明还提供了一种改造现有功率半导体开关设备控制系统的配置/测量能力的方法，使用该技术在所述系统中的有效确认信号的定时容差内编码配置/测量数据。
优选实施方式在所附的从属权利要求中定义。
上述方面中的任意一者或多者，无论该方面具有或不具有上述优选实施方式中的可选特征中的一者或者多者的任意组合，都可以任意方式进行组合。
附图说明
为了更好地理解本发明并且示出如何实施本发明进行说明，现在将结合附图并以示例的方式给出参考，其中：
图1a和1b示出了：(a)逆变器的单臂(逆变器可具有一个或多个这样的臂，该臂的每一半具有例如一个或多个IGBT的一个或多个电力开关设备)；以及(b)包括电力开关设备网络的示例多相臂逆变器；
图2a和2b分别示出了：在电力开关装置(例如逆变器)中的控制电路块；此类装置可在一个或多个相臂的每半个相臂中具有一个或多个电力开关设备，并且每一设备驱动器2可耦合至各自的驱动器控制器1和/或多个设备驱动器2可共同耦合至驱动器控制器1；以及图2a的可替换布置；
图3示出了光信令，其中使用光纤Rx线路上的灯来开启电力开关设备，并且随后对开启信号的确认在光纤Tx线路上作为“no light”脉冲被传送；
图4示出了根据一种实施方式的光信令，其中电力开关设备如图3中所示被开启，但光纤Tx线路上的确认脉冲的持续时间为用0.8微秒(us)来指示数据“0”，或者用1.6微秒来指示数据“1”；
图5示出了用于实施一种实施方式的栅极驱动器中/处的电路框图；以及
图6示出了一种包含在设备端调制并且在控制端解调的方法实施方式的流程图。
具体实施方式
图2a示出了电力开关装置4(例如逆变器)的实施方式，该电力开关装置4在设备端包括一个或多个电力开关设备5a、5b，电力开关设备5a、5b耦合至各自的为栅极驱动器2形式的设备驱动器以由其控制。所述设备驱动器耦合至控制端的至少一个驱动器控制器(例如栅极驱动器控制器1)以由 其控制。
图2a中的所述电力开关设备5a、5b被示为IGBT，尽管如此，可额外地或可替换地包括一个或多个FET(例如MOSFET或JFET)、LILET、SCR等等。每一个此类设备5a、5b被示为具有并联连接的可选的续流二极管，以保护所述开关设备防止反向电压和电流。
每一设备驱动器与其对应的驱动器控制器之间的耦合优选地提供了电压隔离(例如通过变压器或光耦合)。由此，图2a中的每一双向链路3可包括光纤(例如用于双方向通信的光纤或每一方向上各自的光纤)或变压器。
本领域技术人员会认识到，图2a中未示出的电路可以存在，特别是在到供电轨的一条线路或两条线路(例如VSS和0V)中均可存在一个或多个电力开关设备，这些线路在图2中被阻断以对此进行指示。
图2b的扩展图示出了类似的但规模更大的系统，在该系统中单个可控开关202包括九个功率半导体开关设备210，例如每一功率半导体开关设备210包括碳化硅芯片(die)，多个设备并联连接以生成电压电平，随后多设备组被串联连接以串接所述电压电平。根据其他布置，单个开关设备控制器可对两个或更多个开关或设备模进行控制。每一开关210具有各自的开关设备控制器130，所述开关设备控制器130依次耦合至子控制器120a和120b中的一者。如所示，有一条单独的总线在子控制器与开关设备控制器之间运行，因此每一个开关设备控制器都有一条这样的总线，不过这仅是作为一个示例。在具有多个开关的高压和/或电流电力电子电路中，上百或者可能上千个半导体开关设备可被用于串联和/或并联连接，并且所述开关设备控制器系统对这些设备的开关进行控制以使得这些设备同步开关(实际上基本同时)。有益的是，可以降低在此类系统中运载配置/测量数据的通信开销。同样有益的是，能够将现有系统改造成具有这样的能力，这样的能力在现有系统中并不存在，或者仅以有限形式存在。
举例来说，需要一种使得中央控制器从所述开关设备控制器接收高级别故障信息(优选地具有可行地尽可能短的延时)的机制——这可用于检测故障条件以采取正确的动作。我们还将在此专门描述一种使得中央控制器针对故障诊断、初始设备配置对开关设备控制器(SD)和子控制器(SC)进行询问并且针对故障诊断等读取测量数据(优选地具有尽可能小的整体通信延迟)的机制。
返回的测量数据可包括(例如仅包括)：电流或电压数据；电流或电压变动率数据；温度数据；或者任意其他所需的/相关的数据。所获得的结果可由协调控制系统采用，例如用于确定采用何种动作，所述动作在此情况下可以包括下列动作中的一个或多个：降低开关设备中的一些或全部的温度的动作，从开关设备中的一些或全部降低或消除电压的动作(例如通过(半)永久地关闭电路的另一部分)。可能地，发送设备的地址或其他标识符可被包括在内，虽然在下文中我们描述的协议的某些优选实施方式中，只有数据中的一个或几个比特被编码到确认协议中。可被返回的示例配置/控制数据是将开关设备/节点定义为休眠模式、关闭模式等的数据。
图3示出了可在这样的实施方式中执行的第一信令协议。驱动信号(例如用于表示命令对IGBT进行开启/关闭操作的数据的开关信号)由栅极驱动器控制器1传送到栅极驱动器2。举例来说，在常规操作中，当IGBT打算导通时，光纤Rx线路上的灯总是为ON(亮)，否则为OFF(暗)。响应于该驱动信号，确认(ack)信号通过链路3被从栅极驱动器2传送到栅极驱动器控制器1。这样的确认信号可响应于在栅极驱动器处检测到的每一驱动信号(例如检测到驱动信号的每一开关边沿(转变))被传送。
在栅极驱动器控制器处接收到的确认信号(优选为脉冲)的实际持续时间(例如700ns或1us)可基于耦合至链路3的接收机和/或发射机电路，例如取决于与这样的电路的任意RC时间常数相关联的电容量。然而，通常地， 所述栅极驱动器控制器仅会在接收到的信号符合特定要求(例如持续时间在最小(例如0.6us)和最大(例如1.8us)长度内和/或在传输驱动信号之后的预定时间周期(例如在传输之后的固定时间(例如大约380ns))内和/或由与所述传输相关的最小和/或最大时间定义的周期内到达)时将确认信号识别为有效。
由此，IGBT可以通过开启光纤Rx线路上的灯被开启，并且可由光纤Tx线路上的脉冲确认。光纤灯的每一开启-关闭或关闭-开启转变以无灯(no light)的短确认脉冲来进行确认，该短确认脉冲通常在光纤Rx线路上的转变后380ns发生。要返回给控制器的有效确认脉冲可具有0.6us的最小持续时间和1.8us的最大持续时间。
可从栅极驱动器传送到栅极驱动器控制器的另一信号(例如在图3或图4的光纤Tx线路上)可以是故障信号。这样的信号例如可指示电力开关设备的短路。通常地，所述故障信号是无灯脉冲并且具有比所述确认信号更长的持续时间来区别于所述确定信号。举例来说，有效确认脉冲的持续时间在0.6-1.8us内，而所述故障信号需要具有大于1.8us的任意长度的持续时间。
在栅极驱动器控制器处对有效确认信号的检测通常至少被用来指示双向链路3在两个方向上均可工作并且在栅极驱动器处已接收到驱动信号。如果确认信号被检测出未如所期望的在驱动信号的传输之后，这可指示光纤链路3的至少一个方向的信道无法正常工作，例如，光纤断开和/或损坏，和/或关联的电光接收机和/或发射机电路故障。
一种实施方式实现了如图3所示的通信协议，但其被修改为使用例如图4所示的经调制的确认信号来传送对电力开关设备的条件的指示(例如栅极驱动监控数据)。这种实施方式可在如图2所示的结构中实现。所述实施方式可被配置成根据所述修改的协议和/或根据图3来操作。根据图4的修改的协议，可通过改变栅极驱动器的传送光纤上的脉冲的定时(例如变化宽度) 来将条件指示编码到确认脉冲中，这实现了确认脉冲上的数据比特的传送。举例来说，图3中的确认脉冲可被编码以提供每开关边沿一个数据比特。示例定时在图4中示出为用800ns确认脉冲指示数据‘1’并用1600ns确认脉冲指示数据‘0’，用以发回监控数据。
更具体地，使用PWM，发生在有效脉冲的最小持续时间之后(例如在所述脉冲的“不在意”范围之内(例如确定脉冲开始之后的1.6-1.8us))的确认信号结束转变(endtransition)的具体定时可用于指示数据比特。可替换地，多个开启/关闭转变可在这样的脉冲/范围中被提供，以提供一个或多个额外的、相对短的脉冲，这些短脉冲中的每一个短脉冲可单独地或者结合在一起指示数据比特。
有益的是，在栅极驱动器控制器1耦合到被配置成根据图4工作的替换栅极驱动器2时，被配置成根据图3工作的系统的栅极驱动器控制器1的工作基本不受影响。类似地，在栅极驱动器2耦合到被配置成根据图4工作的替换栅极驱动器控制器1时，被配置成根据图3工作的系统的栅极驱动器2的工作基本不受影响。此外，现有的电力开关装置可通过一种实施方式的栅极驱动器控制器1和/或栅极驱动器2被改造并且基本照旧继续工作。
被编码到确认信号中的数据可以是与电力开关设备的状态相关的一比特指示(例如根据所监控的状态表示开启/关闭、“1“/“0”或“真”/“伪”)。举例来说，状态指示可涉及一个或多个参数(例如温度、电力开关设备两端的电压(例如Vce)和/或通过的电流(例如Ic))是否在预编程极限内，优选地，该预编程极限对应于设备数据表中提供的设备额定值。一比特数据传送通常足以提供这样的状态指示。
额外地或者可替换地，被编码到一个或多个确认信号中的数据可表示电力开关设备的参数测量值，例如温度、该设备的电压(例如集电极电压Vc或集电极-发射极电压Vce)或电流(例如集电极电流Vc)、或者事件的定时 (例如绝对或相对时间、或持续时间(例如该设备的开关操作(开启或关闭)的持续时间或在所述电压或电流中的峰值的持续时间)。
测量的参数可以是允许对参数(诸如包括电力开关设备的装置的电源电流或电源电压)进行估计或计算的指示。举例来说，取决于电力开关设备网络的配置，总的电源电压可被估计为被传送的电力开关设备两端电压的测量值的倍数。
有益的是，诸如全电源电压的参数由此可被监控而无需任何额外的通信组件(例如用于在栅极驱动器与栅极驱动器控制器之间通信的额外光纤和/或电光接收机和/或发射机)。提供任何一个这样的额外电路通常都很困难，这是由于电路设计需要电压隔离以考虑可能出现在电力开关装置处的高电压。
所述设备的栅极驱动器的一个或多个参数(例如温度、故障条件、可编程电阻值、与被控制的设备电压(例如设备集电极电压)有关的驱动器的反馈控制参考电压等等同样可被监控。
确认信号作为对开关信号的响应存在优势。举例来说，设备的开启/关闭可被用作对设备端参数进行采样的采样窗口；其中开启/关闭有规律地发生，这样的采样可以例如1kHz的平均速率发生。就这方面而言，优选地在所述设备已经关闭(开启)了相对长的持续时间的情况下，对参数的采样基本可在开启(关闭)的时刻发生。由此，电力开关设备电流可保持基本稳定，以使得在测量时刻呈现低噪声(例如低EMI)条件。尽管如此，需要注意的是，一旦提供了某些形式的存储器，就可以对参数进行测量并且相应的测量数据可在稍后的时刻在一个或多个确认信号中传送。
如上所述地对状态或者参数的监控可在驱动器控制器处执行-或者在被耦合以从一个或多个驱动器控制器接收一个或多个条件指示的中央控制设备处进行-例如作为电力开关设备和/或驱动器的可能发生故障的警告。则可 采取诸如更换模块或设备等预防动作。
被编码到一个或多个确认信号中的数据可表示下列六个主要参数中的一者或多者：
-电力开关设备栅极电压Vg或栅极-发射极电压Vge；
-正次级电源电压V+，例如通信链路的栅极驱动端上的隔离电源的电压；
-电力开关设备集电极-发射极饱和电压Vcesat；
-电力开关设备集电极电压或集电极-发射极电压Vce；
-电力开关设备和/或栅极驱动器处的环境温度；和/或
-电力开关设备开关时间(从命令ON(开启)(例如从在栅极驱动器处检测到开关信号开始)到Vce饱和的时间)。
根据这些主要参数中的一者或多者，所述电力开关设备的下列次要参数中的一者或多者可在例如栅极驱动器控制器处或在耦合至栅极驱动器控制器的中央控制设备处被计算或推定：
-设备Vge台阶电压(plateau voltage)；
-设备栅极电荷(例如必须供应给栅极的电荷，以按给定量来摆动(swing)栅极或实现完全切换)。对所述电荷显著改变(例如改变5％、10％或20％)的指示可用于指示设备损坏(wear-out)；这样的改变可通过监控例如(优选稳定的)栅极电流和/或供给这样的栅极电流的时间来检测，由此按预定量改变栅极电压或达到完全切换(例如大约在最终电流的10％内))。
-驱动器电源电流(例如设备驱动器(例如栅极驱动)耗费了多少电流-这是由于该电流的一定比例用于对设备进行开关操作，随着时间的变化，该电流可用于给出向所述设备供给的电荷的指示并且有益的是与栅极电荷相联系；由此，根据一种实施方式的条件指示可指示栅极驱动供电电流并且控制端可监控对改变的指示(例如5％、10％或20％的改变可用于指示设备损坏))。
-设备集电极过电压(在关闭所述设备(例如IGBT)时，在集电极处测量的电压(Vce)可由于电路中的杂散电感而过冲(overshoot)；如果该过冲未保持在特定极限内则会损坏设备。设备驱动器优选地采用电路来限制该值。根据一种实施方式，传送的条件指示对Vce值进行编码，所述指示可在控制端被监控以检查限制电路是否起到作用，或者如果未配有这样的电路，所述设备则在其规范内被驱动)。
-设备(例如IGBT)温度
-设备集电极电流Ic
-设备dVce/dt
如上所述，根据一种实施方式，可在每一确认信号中传送单比特信息。由此，优选地，需要多于一比特的值可由一系列连续的确认信号来表示。在这方面，监控数据可被模数转换器(ADC)采样。微控制器可收集数据分组并随后串行化所述数据以将其应用于可编程逻辑设备(例如复杂可编程逻辑设备(CPLD)、PAL或FPGA)，可编程逻辑设备驱动光纤输出在“0”或“1”时适当地改变宽度。根据图5实施方式的框图适于以这种方式来传送值。
图5示出了在链路3的栅极驱动器端的微控制器(uC),优选地为栅极驱动器2的主要/专有微控制器。所述uC包括用于转换由采样/保持电路采样并随后输入给微控制器的模拟信号的模数转换器(ADC)。(可替换地，所述ADC可在所述微控制器外部)。对一个或多个所述模拟信号进行采样的时间可由微控制器通过输入到采样/保持电路的方式来进行控制。温度值可作为来自温度传感器(“TEMP SENSOR”)的数字值被直接提供，或者可类似于上述模拟信号被采样和/或转换。获得的数字数据从所述uC提供给电路，优选地在可编程逻辑设备(PLD)中实施以通过通信链路(例如通过光纤_TX线路)输出到栅极驱动器控制器。优选地，所述PLD被配置成如上所述地根据来自所述微控制器的数字数据对一个或多个确认信号进行调制。
由此，所述微控制器(uC)可执行下列各项：
1.使用一个或多个ADC对一个或多个电压和/或一个或多个温度进行采样
2.计算检查和
3.将报头、值和检查和写入移位寄存器
4.每一确认信号移出一比特，即，每开关信号边沿一比特
5.前往1。
在确认信号上移出的数据(例如一个64比特组)的格式示例如下：
[16-比特] 报头
[16-比特] 计数
[16-比特] 温度
[16-比特] ADC0
[16-比特] ADC1
[16-比特] ADC2
[16-比特] ADC3
[16-比特] 检查和,
其中ADC信道0-3可用于传递一个或多个测量的条件(例如以下所示的电压)：
ADC0:Vge 栅极电压
ADC1:Vdd 正电源(来自通信链路的栅极驱动端上的隔离PSU的次级输出)
ADC2:Vcesat 饱和电压(在IGBT开启的某些时刻测量的Vce<50V)
ADC3:Vce 集电极电压(在设备关闭时测量的)
优选地，所述报头使得接收机能够对数据进行同步。所述计数可增加， 由此分组可被标识。ADC0-3为与测量的参数(例如电压)对应的模数信道。优选地，所述检查和使得数据在接收机的损毁(corruption)和/或同步失败的情况下被确定为无效数据。
然而，该协议可以被扩展，以写入聚集在栅极驱动上的任意信息量。
上述实施方式还可以变形为允许每一确认信号的一个或多个比特通过确认脉冲的各种调制类型(例如振幅调制(AM；例如多级(2、3或更多级)数字数据编码)、频率调制(FM)、脉冲宽度调制(PWM)等等)中的任一者或多者被编码。本领域技术人员应当了解，对于频率调制，所述实施方式可被配置成根据所述数据来改变光的波长；由此，这样的实施方式可在设备驱动器端包括发射机以用于波长变换，以及在控制端包括接收机以用于根据波长变换后的信号来恢复数据。另一方面，实施振幅调制的实施方式可能需要接收机能够区分投射到其上的不同等级的光。
根据以上描述，某些实施方式的益处是允许跨现有光链路对参数进行远程测量，即不需要任何额外的通信链路(例如任何额外的光纤)。此外，根据一种实施方式的被配置成传送编码的确认脉冲的栅极驱动器可以与现有栅极驱动器控制器的常规工作兼容。类似地，根据一种实施方式的被配置成用于接收及响应编码的确认脉冲的栅极驱动器控制器可与现有栅极驱动器的常规工作兼容。由此，根据一种实施方式的元素与现有驱动电路反向兼容，这是有利的。
此外，实施方式可使得监控数据从驱动输出，而无需现有系统控制器“知晓”其是否正在控制运行通信协议的栅极驱动。在这种情况下，优选地，用于数据编码的确认脉冲的定时改变在与将该确认脉冲识别为有效确认脉冲相关联的约束范围(例如最小和/或最大持续时间)内。由此，现有系统控制器可提供栅极驱动控制而无需进行任何修改，即，优选地，对于现有栅极驱动器控制器的常规工作没有影响。
实施方式的特定优势包括：1)在现有栅极驱动控制继续无误工作的同时允许更多的复杂诊断功能；和/或2)允许栅极驱动用户可选择其置换出哪个(些)栅极驱动以在包括多个电力设备的现有配置中实现本通信协议的功能。
本发明还提供了实施上述系统和控制过程的处理器控制代码(例如在嵌入式处理器上)。所述代码可被提供在载体(例如磁盘、CD-ROM或DVD-ROM、诸如只读存储器(固件)的可编程存储器)上，或者在诸如光或电信号载体的数据载体上。实施本发明实施方式的代码(和/或数据)可包括诸如C语言的常规编程语言(编译或解释)中的源代码、对象代码或可执行代码、或者汇编代码、用于建立或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)的代码、或者诸如Verilog(商标)或VHDL(甚高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言的代码。本领域技术人员将理解，这样的代码和/或数据可分布在相互通信的多个耦合组件之间。
本领域技术人员无疑可以了解存在大量有效的替换实施方式。举例来说，虽然已经描述了在有效确认信号的定时容差内的编码配置/测量数据，本发明的各个方面也考虑了其他方式，例如在其中配置/测量数据在从开关设备控制器返回到协调系统控制器的信号(优选为确认信号但不限于此)的其他一些参数的容差内被编码。举例来说，可采用返回信号的振幅容差或频率容差来对从开关设备控制器返回到协调系统控制器的返回数据进行编码。本领域技术人员同样应该理解，尤为有利的是，所描述的方法的实施方式改进了能力，使其能够利用信号内的容差对从开关设备控制器返回到协调系统控制器的信号(诸如确认信号)的参数中的返回数据进行编码，尤其是在通常可在被允许的容差变化范围内可良好操作的系统中。根据进一步的实施方式，许可的编码技术(定时值和/或比特数等)可在该系统的工作中得以了解。
应当了解的是，本发明不限于上述实施方式，并包含在所附权利要求的 精神和范围内对于本领域技术人员显而易见的修改。
Claims (25)
1.一种将感应能力添加到用于驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的设备驱动器的方法，所述电力开关装置具有设备端电路和控制端电路，所述设备端电路包括所述至少一个设备和所述驱动器，所述控制端电路包括驱动器控制器，所述设备驱动器被布置成通过通信链路耦合至所述驱动器控制器，所述设备驱动器被布置成响应于在所述通信链路上从所述驱动器控制器接收到的开关信号来驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述设备驱动器还被布置成响应于接收的开关信号传送确认信号到所述驱动器控制器，所述确认信号能够在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号，该方法包括：
提供感应电路以输出所述设备端电路的条件指示；
提供调制电路以在所述传送之前根据所述条件指示对所述确认信号进行调制，由此调制的确认信号是由所述设备驱动器响应于接收的开关信号传送到所述驱动器控制器并且能够在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号的所述确认信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中能够在所述驱动器控制器处被检测为有效的所述确认信号具有符合预定的最小值和/或最大值的持续时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述条件表示所述设备端电路的状态或者所述设备端电路的参数的测量值；以及
所述调制包括对一个或多个所述确认信号进行调制以将所述状态或所述测量值编码到所述一个或多个所述确认信号中，每一所述确认信号响应于对应的所述开关信号被生成。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述状态表示所述设备端电路的参数是否在阈值之下，以指示所述电力开关设备是否在所述设备的安全运行极限内运行。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述参数包括：
所述设备的温度、电压或电流；或
事件的定时。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述事件包括所述设备的峰值电压或峰值电流。
7.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述参数包括：
电力开关设备栅极电压或栅极-发射极电压；
所述设备端电路的电源电压；
电力开关设备集电极-发射极饱和电压；
电力开关设备集电极电压或集电极-发射极电压；
所述设备端电路的环境温度；或
电力开关设备开关时间。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述调制对多个所述确认信号中的每一者进行调制以表示用于表示所述条件的多比特值中的至少一个比特，由此从所述设备驱动器传送所述多比特值。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述调制对所述确认信号进行调制以表示用于表示所述条件的多比特值的多个比特。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述确认信号包括脉冲信号，并且所述调制基于所述条件对所述脉冲信号的持续时间进行调整，由此使得调整后的持续时间在有效确认脉冲的最小持续时间与最大持续时间之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述有效确认脉冲的所述最小持续时间为0.6us，并且所述有效确认脉冲的所述最大持续时间为1.8us。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述调制将所述持续时间调整为0.8us以指示一个数据比特并且将所述持续时间调整为1.6us以指示另一数据比特。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述调制包括频率调制、振幅调制、和/或脉冲宽度调制。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述调制用于对多级数字数据进行编码。
15.一种将监控能力添加到用于控制设备驱动器驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的驱动器控制器的方法，所述装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括所述驱动器控制器的控制端电路，所述驱动器控制器被布置成通过通信链路耦合至设备驱动器，所述驱动器控制器被布置成在所述通信链路上传送开关信号以控制所述设备驱动器驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述驱动器控制器还被布置成从所述通信链路接收确认信号并且检测作为对所述开关信号的响应的有效的接收到的确认信号，该方法包括：
提供用于对检测到的有效确认信号进行解调由此输出所述设备端电路的条件的解调电路，所述条件被编码在所述确认信号中。
16.一种用于将感应能力和监控能力添加到包括驱动器控制器和设备驱动器的电力开关装置的方法，所述设备驱动器用于驱动至少一个高压开关设备，并且所述驱动器控制器被布置成控制所述设备驱动器对所述设备进行开启和关闭操作，该方法包括权利要求1中的将感应能力添加到所述设备驱动器的方法以及权利要求15中的将监控能力添加到所述驱动器控制器的方法。
17.一种用于驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的设备驱动器，该装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括驱动器控制器的控制端电路，所述设备驱动器被布置成通过通信链路耦合至所述驱动器控制器，所述设备驱动器被布置成响应于在所述通信链路上从所述驱动器控制器接收到的开关信号驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述设备驱动器还被布置成响应于接收到的开关信号传送确认信号到所述驱动器控制器，所述确认信号能够在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号，所述设备驱动器包括：
输入，被布置成接收所述设备端电路的条件指示；以及
调制器，被配置成根据接收到的条件指示对所述确认信号进行调制，其中，
所述设备驱动器被配置成传送调制的确认信号作为能够在所述驱动器控制器处被检测为有效确认信号的所述确认信号。
18.一种用于控制设备驱动器驱动电力开关装置的至少一个高压电力开关设备的驱动器控制器，所述装置具有包括所述至少一个设备和所述驱动器的设备端电路以及具有包括所述驱动器控制器的控制端电路，所述驱动器控制器被布置成通过通信链路耦合至所述设备驱动器，所述驱动器控制器被布置成在所述通信链路上传送开关信号以控制所述设备驱动器驱动所述至少一个设备开启或关闭，所述驱动器控制器被布置成在所述通信链路上从所述设备驱动器接收确认信号以及检测有效的接收到的确认信号，所述驱动器控制器包括：
解调器，被配置成对所述接收到的确认信号进行解调由此确定被编码在所述确认信号中的数据；以及
输出，被配置成基于所确定的数据提供对所述设备端电路的条件的指示。
19.一种具有设备端电路和控制端电路的电力开关装置，所述设备端电路包括至少一个高压电力开关设备和权利要求17中的被配置成驱动所述至少一个高压电力开关设备的设备驱动器，所述控制端电路包括权利要求18中的被配置成控制所述设备驱动器对所述至少一个高压电力开关设备进行开启和关闭操作的驱动器控制器。
20.根据权利要求19所述的电力开关装置，其中该装置是逆变器。
21.根据权利要求19或20所述的电力开关装置，其中所述电力开关设备是IGBT或FET，并且其中所述设备驱动器被布置成驱动所述IGBT或FET的栅极。
22.根据权利要求21所述的电力开关装置，其中FET是JFET或MOSFET。
23.一种在功率半导体开关设备控制系统中传递配置/测量数据的方法，所述功率半导体开关设备控制系统包括协调控制系统和多个开关设备控制器，每一个所述开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个所述开关设备控制器被配置成针对一个或多个对应的功率半导体开关设备；该方法包括：
发送控制数据，所述控制数据包括用于控制切换至所述开关设备控制器中的一者或多者的数据；
在所述协调控制系统处接收确认信号，其中所述确认信号包括具有前沿和后沿的脉冲，并且其中所述前沿与后沿之间的定时间隔具有允许的变化范围，所述确认信号在该允许的变化范围内为有效信号；所述方法还包括：
在由所述允许的变化范围定义的定时窗口内将所述配置/测量数据编码到所述确认信号中，由此所述确认信号为编码的确认信号；
将所述编码的确认信号从所述开关设备控制器发送到所述协调控制系统；以及
在所述协调控制系统处对来自所述编码的确认信号的所述配置/测量数据进行解码；
其中所述配置/测量数据包括与所述开关设备控制器或所述功率半导体开关设备的配置相关的数据、或与所述开关设备控制器或所述功率半导体开关设备的测量相关的数据。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述编码包括改变所述定时间隔以在所述脉冲的持续时间的允许的变化范围内对所述配置/测量数据进行编码，以使所述确认信号有效。
25.一种为功率半导体开关设备控制系统提供配置/测量能力的方法，所述功率半导体开关设备控制系统包括协调控制系统和多个开关设备控制器，每一个所述开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个所述开关设备控制器被配置成控制一个或多个对应的功率半导体开关设备；该方法包括：
在所述功率半导体开关设备控制系统中使用权利要求23或24所述的方法，在所述脉冲的持续时间的允许的变化范围内对所述配置/测量数据进行编码，以使所述确认信号有效。
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