CN105144131A

CN105144131A - 功率栈控制系统

Info

Publication number: CN105144131A
Application number: CN201380072698.1A
Authority: CN
Inventors: A.沙尔庞捷; A.K.史密斯; R.L.韦伯
Original assignee: AGILESWITCH LLC
Current assignee: AGILESWITCH LLC
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-12-09
Also published as: KR20150095805A; WO2014093208A3; WO2014093208A2; EP2932395A4; US20140164668A1; EP2932395A2; US8984197B2; JP2016506712A

Abstract

所公开的发明涉及功率控制电子设备的领域。更特别地，所公开的发明涉及功率栈控制系统，其被用于控制从DC或AC输入电压产生AC功率。所公开的功率栈控制系统包括串行接口连接，所述串行接口连接与多个功率栈串行电通信，所述多个功率栈包括至少一个接口板和至少一个IGBT驱动板，所述至少一个接口板与至少一个IGBT驱动板并行通信。

Description

功率栈控制系统

对相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月1日提交的美国专利申请No.14/069,526“功率栈控制系统”的优先权的权益，其要求2012年12月11日提交的美国临时申请No.61/735,714“被用于控制从DC或AC输入电压产生AC功率的IGBT接口板”的优先权的权益。每个申请的整体通过引用的方式为了所有目的被并入此处。

技术领域

所公开的发明处于功率控制电子设备的领域。更特别地，所公开的发明涉及功率栈控制系统，其被用于控制从DC或AC输入电压产生AC功率。

背景技术

功率栈控制系统被用于控制从DC或AC输入电压产生AC功率。现代的功率栈控制系统并入了一个或多个晶体管，例如绝缘栅双极晶体管（IGBT）。IGBT主要是三端子功率半导体器件，其形成了用于在电子器件中结合高效率和快速切换的电子开关。在现有技术中已知的功率栈控制系统在图1中被描绘，并且包括IGBT接口板（108）、IGBT驱动板（112）、主控制单元板（104）、主机CPU板（未被显示）和IGBT（116）。所述IGBT接口板（108）、IGBT驱动板（112）和IGBT（116）也被称为功率栈（108，112，116）。

已知的功率栈（108，112，116）当前由主控制单元（104）驱动，所述主控制单元（104）通常是独立的嵌入式控制板。典型的主控制单元（104）当前经由带状电缆使用并行接口（106），其使得能够直接控制所述IGBT接口板（108），其直接接口到所述IGBT驱动板（112）。所述IGBT接口板（108）和驱动板（112）两者是所述功率栈的独立部件。

所述现有的并行接口（106）方案在所述带状电缆上实施时存在一些问题：

1.在所述电缆上供给的功率和接地无法充分地支持所述IGBT接口板和驱动板（108，112）的功率和接地要求。

2.在并行接口（106）上实施的数字逻辑水平不是工业标准，其使得到所述接口板（108）上的数字逻辑部件的应用接口复杂化。

3.归因于所述并行接口（106）上的针脚的有限的数量，将足够的状态/错误信息提供回所述主控制单元（104）是不可能的。

4.所述现有的接口不支持控制多个IGBT接口板（108）或多个一般的功率栈（108，112，116）。

5.所述现有的接口不支持全局时钟的概念，其可以被用于以高精确度控制所述主控制单元和所述功率栈（108，112，116）之间的定时。

因此，存在对解决这些问题的新的功率栈控制系统的需求。本发明意在这些和其他重要的需求。

发明内容

本发明提供了功率栈控制系统，包括：串行接口连接，所述串行接口连接与多个功率栈串行电通信，所述多个功率栈包括至少一个接口板和至少一个IGBT驱动板，所述至少一个接口板与至少一个IGBT驱动板并行通信。

总体描述和下面的详细描述仅是示例性的和说明性的，并且不是对本发明的限制，如在随附的权利要求中所限定的。考虑到如此处所提供的本发明的详细描述，本发明的其他方面对本领域技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

当结合附图阅读时，概要以及下面的详细描述被进一步理解。为了例示本发明的目的，在附图中显示了本发明的示例性实施例；然而，本发明不限于所公开的特定的方法、组成和装置。此外，附图不一定按照比例绘制。在附图中：

图1描绘了现有技术的概要。

图2(A,B,C)显示了本发明的概要。本发明适用于任何组合中的功率栈控制系统（204,210,214,218）中的所有部件，并且不依赖于特定的实施（例如，组合的接口/驱动板对单独的接口板和驱动板）。

图3描绘了串行接口星型构造，在其中所述主控制单元（302）驱动多端口开关单元（308），所述多端口开关单元（308）而又驱动各个接口板（314）或更一般地驱动所述功率栈控制系统。

图4描绘了串行接口雏菊链构造，在其中所述主控制单元（402）驱动该链中的第一接口板（408）（或更一般地驱动所述功率栈控制系统），其随后将所述主控制单元（402）的控制信息连同其状态/错误信息一起传递到该链中的下一个接口板（408）或更一般地传递到该链中的下一个功率栈控制系统。

图5（A,B）提供了当使用全局同步时钟时的主和从事件缓冲操作的概要。

图6提供了控制包的实例。注意：此包数据代表所述包的用户（应用）数据部分。这将是以太网（或USB）包的数据负载部分，其也将包括标准的以太网（USB）包头部信息。

图7提供了状态包的实例。注意：此包数据代表所述包的用户（应用）数据部分。这将是以太网（或USB）包的数据负载部分，其也将包括标准的以太网（USB）包头部信息。

图8提供了在IEEE1588精确时间协议中使用的时钟同步过程的概要。

图9提供了错误包的实例。注意：此包数据代表所述包的用户（应用）数据部分。这将是以太网（或USB）包的数据负载部分，其也将包括标准的以太网（USB）包头部信息。

图10提供了中断包的实例。注意：此包数据代表所述包的用户（应用）数据部分。这将是以太网（或USB）包的数据负载部分，其也将包括标准的以太网（USB）包头部信息。

图11提供了基于全局同步时钟时间戳时间从从事件缓冲器输出的IGBT触发器的实例。

图12提供了使用26针带状电缆（1216）的一个串行接口电缆引出线选择的实例。

图13提供了使用20针带状电缆（1314）和4针电源电缆（1320）的第二串行接口电缆引出线选择的实例。

图14提供了使用14针带状电缆（1410）、8针CAT5、CAT6等类型电缆（1420）和4针电源电缆（1426）的第三串行接口电缆引出线选择的实例。

图15提供了使用8针CAT5、CAT6等类型电缆（1510）和4针电源电缆（1516）的第四串行接口电缆引出线选择的实例。

具体实施方式

通过参考下面结合附图和实例进行的详细描述，本发明可以被更容易地理解，其形成本公开的一部分。将被理解的是：本发明不限于此处所描述和/或显示的特定的装置、方法、应用、条件或参数，并且此处所使用的术语仅仅是为了通过实例的方式描述特定的实施例的目的。而不是意在限制所要求权利的发明。并且，如在包括随附的权利要求的说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数，并且参考特定的数值包括至少该特定值，除非上下文清楚地指示别的方式。如此处所使用的，术语“多个”意思是多于一个。当表达了值的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。相似地，当利用先行词“大约”将值表达为近似时，如下将被理解：所述特定的值形成另一个实施例。所有的范围是包括的并且是可组合的。

将被理解的是：为了清晰，在独立的实施例的上下文中此处所描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中以组合的方式被提供。相反地，为了简洁，在单个实施例的上下文中所描述的本发明的各种特征也可以单独地被提供或者以任何子组合的方式被提供。此外，参考范围内规定的值包括该范围内的每一或每个值。

如此处所描述的适当的功率栈控制系统包括被用于控制功率的产生的系统的部件，包括主控制单元、接口板、IGBT驱动板、IGBT和任何所期望的电连接。

如此处所使用的，“功率栈”指的是工业认证的术语，其可以指接口板、IGBT驱动板、IGBT、金属外壳、电容器组以及冷却选项。功率栈可以具有组合的接口和驱动板。

如此处所使用的，“IGBT”指的是晶体管开关，其能够将输入电压切换至所述功率栈中的输出，可以通过合适的主控制单元控制IGBTs的切换。

如此处所使用的，“IGBT驱动板”指的是能够被用于直接驱动IGBT的板。IGBT驱动板可以包括用以驱动和保护所述IGBT的转换电路。IGBT驱动板可以与接口板相结合。

如此处所使用的，“接口板”指的是被用于在主控制单元和IGBT驱动板电路之间提供接口的板。所述接口板典型地包括在主控制单元和IGBT驱动板之间的转换电路、保护电路和期望用于在所述主控制单元和（一个或多个）IGBT驱动板之间转换信息的任何其他电路。接口板可以与IGBT驱动板相结合。

如此处所使用的，“并行接口”指的是电子接口，其包括在专用于一个特定功能（例如供电、接地、控制信号、错误信号、状态信号）的电缆束中的单独的电线。并行接口典型地依据所述系统接口复杂性而要求许多单个的电线。

如此处所使用的，“串行接口”指的是电子接口，其使用各自用于发送和接收的单个电线（例如单端的串行接口）或各自用于发送和接收的两个电线（例如，差分串行接口）而被实施为发送/接收功能。合适的差分接口典型地使用加（+）和减（-）线对，与所述单端的串行接口相比较具有更强的抗噪性并且能够跨越更长的距离。串行接口典型地减少了将两个系统部件接口所要求的电线的数量并且典型地使用包结构来顺次地发送和接收数据（例如，一次一个比特）。

此处所描述的合适的功率栈控制系统包括串行接口连接，所述串行接口连接与多个功率栈串行地电通信，所述多个功率栈包括至少一个接口板和至少一个IGBT驱动板，所述至少一个接口板与至少一个IGBT驱动板并行地通信。可以通过任何合适的功率源（诸如将电功率提供至至少一个功率栈的电源电缆）将功率供给至所述功率栈控制系统。

合适的串行接口连接可以包括支持下列串行接口标准中的一个或多个的串行接口：RS232、RS422、RS485、以太网、PCIe、火线和USB。

在所述功率栈控制系统的各种实施例中，所述多个功率栈可以进一步包括与IGBT驱动板电通信的至少一个IGBT。电通信可以由所述IGBT驱动板提供，所述IGBT驱动板通过导电连接而被焊接到、被螺丝固定到或任何其他电方式而被连接到IGBT。

所述功率栈控制系统的其他构造也是可能的，诸如星型构造或雏菊链构造。例如，在星型构造中，可以连接多个单独的串行接口连接和多个单独的接口板，其中所述单独的串行接口连接中的每个与所述单独的接口板中的每个串行电通信，其中所述单独的接口板中的每个能够与独立的IGBT驱动板并行通信。同样，在雏菊链构造中可以连接多个独立的串行接口连接和多个独立的接口板，其中所述独立的串行接口连接中的两个与所述独立的接口板中的两个串行电通信，所述两个接口板进一步与一个其他的接口板串行电通信，并且可选的附加独立串行接口板与两个其他的接口板串行通信，其中所述独立的接口板中的每个能够与独立的IGBT驱动板并行通信。

在某些实施例中，所述功率栈控制系统可以具有一个或多个的组分功率栈，其包括用以支持与主时钟的时钟同步的本地（从）时钟。

所述功率栈控制系统的合适的串行接口连接可以针对由主控制单元发送至所述功率栈中的一个或多个的控制信息支持变化的串行数据包结构。例如，所述变化的串行数据包结构可以编码由所述功率栈中的一个或多个发送至主控制单元的状态/错误信息。因此，所述主控制单元可以以固定的采样速率或可变的采样速率或两者来发送所述变化的串行数据包结构。

合适的串行接口也能够被连接至网络来向用户提供远程访问，以便控制、监视或控制并监视所述功率栈中的一个或多个或者整个功率栈控制系统的状态。如此处所使用的，合适的网络可以包括局域网（LAN）、广域网（WAN）或因特网，并且所述串行接口能够无线地、有线地或光学地连接至所述网络。不同类型的网络连接是可能的，例如，WiFi、MaxFi、4G无线、DSL等等。优选的网络连接包括WiFi、MaxFi、4G无线、DSL、3G无线、有线以太网10/100/1000Mbits、10Gbits、以及无线以太网（A、B、G、N等等）。光学以太网也是合适的网络连接，例如用于广域连接的FIOS或用于局域网的标准光学以太网。

如此处进一步描述的，所描述的功率栈控制系统可以进一步具有若干不同的特征。例如，所述功率栈控制系统中的一个或多个可以能够数据记录以支持所述一个或多个功率栈的故障分析、或针对潜在的故障功率栈抢先维护，或者两者。另一特征是：IGBT接口可以包括微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、或两者，以提供与主控制单元的实时通信接口。

在相关的实施例中，所述功率栈控制系统可以进一步包括经由所述串行接口连接与所述接口板串行通信的主控制单元。合适的主控制单元包括主时钟、以及包括本地（从）时钟来支持与所述主时钟的时钟同步的所述功率栈中的一个或多个。在这些实施例中，所述串行接口连接可以被特征化为是全双工模式。全双工允许同时的发送和接收连接。当期望经由所述串行接口将触发器信息发送到所述功率栈时这可能是有用的，因为此信息传送将不会被正从所述功率栈发送的状态/错误信息中断或者与所述状态/错误信息相干涉。半双工可以被用在在其中不使用所述串行接口连接将所述触发器发送到所述功率栈的应用中。

在包括主控制单元的实施例中，所述串行接口连接也可以支持变化的串行数据包结构，用于控制由所述主控制单元发送至所述功率栈中的一个或多个的信息。例如，所述变化的串行数据包结构编码由所述功率栈中的任何一个发送至所述主控制单元的状态/错误信息。因此，所述变化的串行数据包结构可以由所述主控制单元以固定的采样速率、或可变的采样速率、或两者发送至所述一个或多个功率栈。同样，所述功率栈中的一个或多个可以能够数据记录以支持所述一个或多个功率栈的故障分析、或针对潜在的故障功率栈抢先维护，或者两者。此外，这些实施例中的IGBT接口可以包括微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、或两者，以提供与所述主控制单元的实时通信接口。

参考图2A、图2B及图2C，描述了如此处所公开的功率栈控制系统，其包括具有多个电缆连接选择的串行接口电缆（208）。此外，支持精确时间协议，其可以被用于将全局时钟时间的概念在所述串行接口上引入到所述功率栈控制系统（204，210，214，218）中。下面在图12至15中解释并讨论了所述串行接口电缆（208）选择的一些实例。

1.26针带状电缆（1216），所述26针带状电缆（1216）当前以针连接的方式在使用，其被重新定义为包括串行接口，所述串行接口可以支持全双工模式以在所述功率栈控制系统和改进的功率连接内发送控制信息并接收状态/错误信息。参考图12。在用于接收的引脚15和引脚16（1206）以及用于发送的引脚19和引脚20（1210）上实施所述串行接口。

2.独立的供电电缆（1320）和20针带状电缆（1314），其可以支持全双工模式以在所述功率栈控制系统内发送控制信息并接收状态/错误信息以及独立的IGBT触发器信号。参考图13。在用于接收的引脚15和引脚16（1306）以及用于发送的引脚19和引脚20（1310）上实施所述串行接口。

3.独立的供电电缆（1426）、可以支持包括全局故障状态和重设信号的IGBT触发器信号的14针带状电缆（1410）、以及可以支持全双工模式以在所述功率栈控制系统内发送控制信息并接收状态/错误信息的CAT5、CAT6等电缆（1420）。参考图14。在用于接收的引脚1和引脚2（1412）以及用于发送的引脚5和引脚6（1416）上实施所述串行接口。

4.标准以太网CAT5、CAT6等串行接口电缆（1510）和独立的供电电缆（1516）。所述标准以太网CAT5、CAT6等类型的电缆（1510）可以支持包括IGBT触发器、所有状态报告、重设等的所有控制和状态功能。参考图15。在用于发送的引脚1和引脚2（1502，1506）以及用于接收的引脚3和引脚6（1504，1508）上实施所述串行接口。

此外，可编程逻辑可以被添加到所述IGBT接口板（210）上以致其可以能够是可现场升级的，以支持更新和/或新特征。此可编程逻辑可以采取嵌入式微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）或两者的形式。可编程逻辑也可以允许基于不同的应用需求来定制所述接口板（210）。

通过切换至串行接口，控制和状态/错误信息可以被包格式化并且依据所述应用的特定需求支持变化的复杂性等级。此外，所述串行接口电缆也可以支持嵌入式时钟/定时信息，其可以允许多个IGBT接口板（210）或一般的功率栈（210，214，218）被同步至可由所述主控制单元（204）提供的主系统时钟（全局时钟）。

本发明提供了具有多个电缆连接选择的串行接口电缆。此外，支持精确时间协议，其可以被用于将全局时钟时间的概念在所述串行接口上引入到所述功率栈控制系统中。所述串行接口电缆连接选择的一些实例在下面被解释并且在图12-15中被显示：

1.26针带状电缆（1216），其当前以针连接的方式在使用，其被重新定义为包括串行接口，所述串行接口可以支持全双工模式以在所述功率栈控制系统和改进的功率连接内发送控制信息并接收状态/错误信息。参考图12。在用于接收的引脚15和引脚16（1206）以及用于发送的引脚19和引脚20（1210）上实施所述串行接口。

此外，可编程逻辑可以被添加到所述IGBT接口板（210）上以致其可以能够是现场可升级的，以支持更新和/或新特征。此可编程逻辑可以采取嵌入式微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）或两者的形式。可编程逻辑也可以允许基于不同的应用需求来定制所述接口板（210）。

通过切换至串行接口，控制和状态/错误信息可以被包格式化并且依据所述应用的特定需求支持变化的复杂性等级。此外，所述串行接口电缆也可以支持嵌入式时钟/定时信息，其可以允许多个IGBT接口板（210）或一般的功率栈被同步至可以由所述主控制单元（204）提供的主系统时钟（全局时钟）。

串行接口。图2(A,B,C)显示了本发明的各种实施例的概要。这些附图尤其描绘了电源电缆（206）和全双工串行接口电缆（208）。

所述串行接口电缆（208）可以被用于向/从所述功率栈传输控制和状态/错误信息。可以依据应用需求在变化的复杂性等级和温度范围内提供所述串行接口实现。例如，两个不同的串行接口选择可以包括：

1）RS422全双工接口

2）以太网全双工接口

其他潜在的串行接口选择包括USB或潜在的任何其他串行接口标准（RS232/RS485）。

任一种串行接口选择可以支持单个或多个功率栈应用并且它们也可以支持星型（300）或雏菊链（400）互连构造。此外，任一种串行接口选择可以支持所述主控制单元（204）（主（全局）时钟）和所述功率栈的本地（从）时钟之间的主到本地（从）时钟同步。

图3显示了串行接口星型构造（300），在其中所述主控制单元（302）驱动多端口开关单元（308），其而又驱动各个接口板（314）（或更一般地，所述功率栈控制系统）。所述多端口开关单元（308）的功能可以取决于所使用的串行接口的类型。

针对诸如RS422的串行接口实现，所述多端口开关（308）可以简单地重复将从所述主控制单元（302）到任意数量的输出端口的输入发送到所述接口板（314）（或更一般地，所述功率栈控制系统）。针对所述接收端口，其可以多路复用从所述接口板（314）（或更一般地，所述功率栈控制系统）回到所述主控制单元（302）的接收器输入。

针对以太网串行接口方案，所述多端口开关（308）可以是以太网开关。其也可以重复将从所述主控制单元（302）到任意数量的输出端口的输入发送到所述接口板（314）（或更一般地，所述功率栈控制系统）。并且针对所述接收端口，其可以多路复用从所述接口板（314）（或更一般地，所述功率栈控制系统）回到所述主控制单元（302）的接收器输入。针对以太网，这是所述开关（308）的标准功能。也可以提供RS422实现。

串行接口的实现也可以支持时钟同步方案，其可以保持所述功率栈本地（从）时钟与位于所述主控制单元（204）中的主（全局）时钟同步。此时钟同步可以支持变化的精确度等级并且可以取决于所述功率系统的特定需求。较高等级的时钟同步精确度可以允许更精确地控制实时功率产生、转换和/或控制过程。

合适的时钟同步方案可以是IEEE1588精确时间协议、或IEEE802.1AS精确时间协议。其他合适的时间协议也是可能的。

图4显示了所述串行接口雏菊链构造（400），在其中所述主控制单元（402）驱动该链中的第一（最左边的）接口板（408）（或更一般地，所述功率栈控制系统），其随后将所述主控制单元（402）的控制信息连同其状态/错误信息一起传递至该链中的下一个（在右方）接口板（408），等等。该链中的最后（最右边）的接口板（408）可以将所有先前的接口板（408）的状态/错误信息转发回到所述主控制单元（402）。所述串行接口雏菊链构造的状态/错误信息随后可以被发送或显示到监视所述系统的部件。

任一种串行接口实现可以支持控制和状态/错误数据包两者。这些包的结构和内容可以依据应用需求和实现而变化。针对控制包的实例参考图6，针对状态包的实例参考图7，针对错误包的实例参考图9，并且针对中断包的实例参考图10。也可以使用定制的包头部信息实施其他串行接口实现（RS232、RS422等）。针对串行电缆实现和引出线的实例参考图12、图13、图14以及图15。

所述串行接口包典型地包括用于标记各种控制/状态包的时间的全局时钟时间戳（秒和毫微秒）。所述主控制单元（204）和所述功率栈典型地被同步至全局时钟时间，其包括进入所述控制和状态包的全局时钟时间戳。这允许通过所述主控制单元精确控制和监视所有功能。图5A和5B呈现了主（主控制单元（204））和从（功率栈）操作的概要。所述主控制单元（204）将控制信息（IGBT触发器开/关）存储到所述主事件缓冲器（500A）内。所述主事件缓冲器（500A）是用于来自所述主控制单元（204）的发送包的数据源。所述从（功率栈）维持从事件缓冲器（500B）,所述从事件缓冲器（500B）包含从所述主控制单元（204）发送的数据。所述主事件缓冲器和从事件缓冲器（500A，500B）两者跟踪所述全局时钟时间戳。当其本地（从）全局时钟时间戳匹配如从所述主控制单元（204）接收的被记录在所述从事件缓冲器（500B）内的全局时钟时间戳时，所述从（功率栈）可以输出从所述主控制单元（204）接收的控制数据。所述从事件缓冲器操作在图11中被更详细地概述，其显示了时间戳比较器控制器（1120），其监视被记录在所述从事件缓冲器（1102）中的时间戳并且将这些时间戳与其本地（从）全局时钟时间（1118）相比较。当发生时间戳匹配时，其可以针对该时间戳开始从所述从事件缓冲器（1102）输出所述数据。在所述实例中，一旦所述全局时钟时间戳达到500000（1104），所述数据AAAAA（十六进制格式）可以被一次一个比特地输出到特定的IGBT驱动器（1126）。所述数据模式AAAAA（十六进制格式）代表20个单独的IGBT驱动器（1126）触发器值，其中每个单独的触发器以1微秒的间隔发生。

在此实例中，所述数据是用于控制IGBT驱动器（1126）的被标记的触发器1。此数据也可以被用于控制在所述功率栈控制系统内需要精确控制的任何事。

时钟同步。所述时钟同步方案后的主要概念是：所述主器件和所有从器件具有以一些指定的精确度与相同时间同步的时钟。此全局时钟时间与常规的挂钟的概念相同，其中差异仅是时间单位。针对挂钟，所述时间单位可以是小时、分钟和秒。针对各种实施例（包括IEEE精确时间协议的使用），所述单位可以是秒和毫微秒，其允许所述主器件和从器件之间更大程度的时钟同步。此全局时间单位上的更大程度的精确度也可以允许针对控制包和状态包两者的更大程度的精确度。此方案在控制和监视功率栈方面以及在功率产生、转换和/或控制过程方面提供了更大程度的精确度。

合适的主时钟器件可以是所述主控制单元（204）并且所述（一个或多个）从时钟器件可以是所述（一个或多个）功率栈。在IEEE1588协议中，首先从支持所述精确时间协议的网络上的所有器件中动态地选择所述主时钟。所述主器件随后负责生成所述主（全局）时钟时间，并且所述从器件使用在所述器件的初始化时间上的功率处开始的特定协议将其自身同步至此全局时钟时间。在所述IEEE1588精确时间协议规范中充分描述了所述时钟同步协议，但是与所述主时钟的时钟时间同步简要地以两步完成（参考图8）。

所述通信路径延迟由所述从器件（806）计算。这通过记录当在所述主器件（804）与从器件（806）之间发送IEEE1588包（路径延迟请求（808）、路径延迟响应（814）以及路径延迟响应跟踪（820））时所生成的时间戳而被进行。

所述从时钟偏差由所述从器件（806）计算。这通过使用当所述主器件（804）发送同步帧（828）时生成的时间戳而被完成。所述主器件（804）可以以特定的时间间隔（其通常是一秒）发送同步帧（828）。在所述同步帧（828）、同步跟踪帧（832）以及所述通信路径延迟（822）中发送的时间戳可以被用于计算所述主时钟计数器和所述从时钟计数器之间的偏差。所述时钟偏差（834）随后被用于调节从时钟计数器增加率以减慢或加速所述从时钟计数器以便向所述主时钟聚合。

这是不间断的过程，因为所述主器件（804）可以周期性地发送出同步帧（828）并且所述从器件（806）可以连续地监视和调节其从时钟计数以保持其与所述主时钟计数同步。

参考图8，针对如在所述IEEE1588规范中描述的初始全局时钟同步过程的概要。

也可以针对各种应用定制所述时钟同步协议。

所述从时钟时间对所述主（全局）时钟时间的精确度取决于所述设计。该精确度可以小到1毫微秒到几毫秒，并且取决于应用的需求。针对较低成本的系统，所述同步协议可以在软件中被实施并且产生毫秒或微秒范围内的同步精确度。针对较高端系统或需要更高精确度的系统，所述同步协议可以在硬件中被实施并且产生低的微秒或毫微秒范围内的同步精确度。

所述主器件和所述从器件两者中的主（全局）时钟时间可以被实施为能够保持秒和毫微秒时钟计数的计数器。此计时器代表所述系统（主器件和从器件两者）的全局时间并且此时间可以被用作所述事件时间。所述事件时间可以被用于利用在所述串行接口包（图6）中发送的控制数据驱动所述IGBT（218）的开或关。在所述包中发送的所述控制数据可以被转换成毫微秒或微秒事件（取决于所述系统精确度需求），其可以被用于直接驱动所述IGBT栅极（218）。此数据可以被存储在事件缓冲器中并且可以通过所述全局时钟时间戳来触发事件缓冲器输出。参见图5和图11，图5针对所述主（500A）和所述从（500B）事件缓冲器操作的概要，图11针对所述从事件缓冲器（1102）操作的更详细的图。

IEEE1588精确时间协议。所述IEEE1588精确时间协议被开发为针对在其中期望精确控制设备的各种部件的应用的标准。例如，像工厂自动化、装配线等等工业控制应用。该标准可应用于在设备的多个部件之间具有期望的精确时间控制的任何产品类型。当前存在两种不同的版本（版本1和2）。最近的版本（2）包括用以改进所述主到从时钟同步的精确度的变化。

所述IEEE802.1AS精确时间协议是将所述IEEE1588精确时间协议在以太网上应用于音频/视频领域的合适的标准。

所述IEEE1588精确时间协议可以被应用于功率栈控制系统的领域，所述功率栈控制系统被使用在风力、太阳能、汽车、电机控制和工业金属工业中。所述精确时间协议可以被用于在所述功率栈控制系统内精确地控制所述IGBT驱动器和错误以及状态报告。这样的精确时间控制有助于控制功率产生和控制过程的控制环。

串行接口包。所述串行接口包可以包含来自所述主控制单元的针对所述功率栈的控制数据或从所述功率栈到所述主控制单元的状态/错误信息。

不同的包类型可以被实施并且这些包类型可以针对各种应用而被修改，并且也可以提供现场更新。所述包类型中的一些可以被用于系统控制，例如维持所述主器件和所述从器件之间的全局时钟同步，而其他包类型可以被用于器件控制，例如驱动IGBT栅极、报告IGBT状态等等。一些可能的包类型是：

1）全局时钟同步-被用于维持主全局时间计数器和从全局时间计数器之间的锁定。此包特定于所述IEEE1588精确时间协议规范并且不能传输用户数据。

2）IGBT控制-被用于直接控制所述（一个或多个）功率栈。这可以包含针对每个IGBT驱动器的触发器开或关信息。参考图6，其针对IGBT控制包的实例。

3）IGBT状态-被用于报告像温度测量值的IGBT信息。参考图7，其针对IGBT状态包的实例。

4）IGBT错误-被用于报告IGBT故障状况和特定的IGBT器件。例如特定的IGBT器件上的高温故障。参考图9，其针对IGBT错误包的实例。

5）中断-被用于报告需要立即注意的从主到次或从次到主的任何高优先级信息。例如，关闭所有IGBT器件。参考图10，其针对中断包的实例。

串行接口包速率。为了控制的目的而被发送的主控制单元（204）串行接口包可以是周期性的或可变的。通常，这些包可以以固定的采样速率而被发送并且代表在其中用以控制所述功率栈的固定的时间周期。例如，所述控制包可以以50Khz速率（每20微秒）而被发送并且代表基于在所述包内发送的时间戳的针对20微秒周期的用于所述功率栈的控制数据。在此包内，所述控制信息可以指示IGBT在相对于在所述控制包内发送的时间戳的1微秒时间处打开以及在10微秒时间处关闭。参考图11，其针对用于当其关于所述时间戳和所述主（全局）时钟时的一个IGBT触发器的数据的实例。

如下也是可能的：用于所述功率栈的控制数据代表更长的时间周期，因为其完全取决于所述IGBT控制数据如何被编码。这暗示了可以以可变的采样速率发送所述包，在其中仅当期望对所述功率栈的改变将最优化系统性能时发送包。如上面所记述的，这完全取决于所述主控制单元（204）如何编码所述IGBT控制数据。例如，可以使用开/关时隙格式直接编码所述IGBT控制数据或者可以以止回至零格式或任何其他编码方案编码所述IGBT控制数据。

可变包速率的主要优势是：其可以减小所述串行接口的带宽并且空出可以被用于其他目的的时间。

用于所述串行接口包速率的基本计算实例。这些实例计算提供了关于当在串行接口电缆上使用时钟同步协议时能够针对所述IGBT触发器而被实现的时间精度的一些一般指南。

存在一些影响在所述IGBT控制包中发送的IGBT触发器的分辨率的因素：

串行接口包速率-所述IGBT控制包被传送的速率

串行协议-以太网、USB、RS232、RS422等

时钟同步协议-IEEE1588

时钟同步协议实现-仅软件、硬件/软件组合、仅硬件

针对所述实例计算，我们可以进行下面的假设：

用仅硬件实现使用IEEE1588时钟协议，其可以支持最精确的主/从时钟校准。

忽略所述串行协议需要的任何开支-例如以太网闸、报头、头部等信息。

包采样速率可以是50Khz（20微秒周期）

使用以太网和标称的数据速率（即，在时钟公差内不会计入因素）。

实例1-100Mbit以太网

所述标称的包速率是每秒100Mbits或每秒12.5兆字节。

采样速率是50Khz（20微秒）

每包的总数据负载字节=12.5兆字节/50Khz

每包的总数据负载字节=250字节

针对6个IGBT触发器，这可以是大约每个触发器40字节或每个触发器320比特

触发器分辨率=20微秒/每个触发器320比特

触发器分辨率=60毫微秒（大约）

实例2-千兆位以太网

所述标称的包速率是每秒1000Mbits或每秒125兆字节。

采样速率是50Khz（20微秒）

每包的总数据负载字节=125兆字节/50Khz

每包的总数据负载字节=2500字节

针对6个IGBT触发器，这可以是大约每个触发器400字节或每个触发器3200比特

触发器分辨率=20微秒/每个触发器3200比特

触发器分辨率=6毫微秒（大约）

串行接口时钟粒度。所述系统中的时钟粒度可以依赖于所述串行接口实现-例如RS232、RS422、以太网、USB以及所挑选的实际接口硬件。针对以太网实现，所述时钟粒度可以处在8至40毫微秒的范围内。优选地，时钟粒度将处在10至20毫微秒的范围内。

当在此处所使用的范围针对诸如分子重量的物理特性或诸如化学式的化学特性时，意在包括针对其中的特定实施例的范围的所有组合和子组合。

每个发明、发明申请以及本文档中所引用或所描述的公开文献的公开由此以引用的方式被整体并入此处。

本领域技术人员将理解：可以对本发明的优选实施例进行许多改变和修改并且这样的改变和修改可以被进行，而不背离本发明的精神。因此，其意在于：随附的权利要求将所有这样的等同变体涵盖为落入本发明的真实精神和范围中。

Claims

1.一种功率栈控制系统，包括：

串行接口连接，所述串行接口连接与多个功率栈串行电通信，所述多个功率栈包括至少一个接口板和至少一个IGBT驱动板，所述至少一个接口板与至少一个IGBT驱动板并行通信。

2.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，进一步包括功率电缆，其向至少一个功率栈提供电功率。

3.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，其中，所述串行接口连接包括支持下面的串行接口标准中的一个或多个的串行接口：RS232、RS422、RS485、以太网、PCIe、火线以及USB。

4.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，进一步包括主控制单元，其经由所述串行接口连接与所述接口板串行通信。

5.根据权利要求4所述的功率栈控制系统，其中，所述串行接口连接被特征化为是全双工模式。

6.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，所述多个功率栈进一步包括与IGBT驱动板电通信的至少一个IGBT。

7.根据权利要求4所述的功率栈控制系统，所述多个功率栈进一步包括与所述IGBT驱动板中的一个电通信的IGBT。

8.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，在星型构造中包括多个独立的串行接口连接和多个独立的接口板，其中所述独立的串行接口连接中的每个与所述独立的接口板中的每个串行电通信，其中所述独立的接口板中的每个能够与独立的IGBT驱动板并行通信。

9.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，在雏菊链构造中包括多个独立的串行接口连接和多个独立的接口板，其中所述独立的串行接口连接中的两个与所述独立的接口板中的两个串行电通信，所述两个接口板进一步与一个其他的接口板串行电通信，并且可选的附加独立串行接口板与两个其他的接口板串行通信，其中所述独立的接口板中的每个能够与独立的IGBT驱动板并行通信。

10.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，其中，所述功率栈中的一个或多个包括本地（从）时钟以支持与主时钟的时钟同步。

11.根据权利要求4所述的功率栈控制系统，其中，所述主控制单元包括主时钟，并且所述功率栈中的一个或多个包括本地（从）时钟以支持与所述主时钟的时钟同步。

12.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，其中，所述串行接口连接针对由主控制单元发送至所述功率栈中的一个或多个的控制信息支持变化的串行数据包结构。

13.根据权利要求12所述的功率栈控制系统，其中，所述变化的串行数据包结构编码由所述功率栈中的一个或多个发送至主控制单元的状态/错误信息。

14.根据权利要求13所述的功率栈控制系统，其中，所述主控制单元以固定的采样速率或可变的采样速率、或两者来发送所述变化的串行数据包结构。

15.根据权利要求4所述的功率栈控制系统，其中，所述串行接口连接针对由所述主控制单元发送至所述功率栈中的一个或多个的控制信息支持变化的串行数据包结构。

16.根据权利要求15所述的功率栈控制系统，其中，所述变化的串行数据包结构编码由所述功率栈中的任一个发送至所述主控制单元的状态/错误信息。

17.根据权利要求16所述的功率栈控制系统，其中，所述主控制单元以固定的采样速率、或可变的采样速率、或两者来将所述变化的串行数据包结构发送至所述一个或多个功率栈。

18.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，其中，所述功率栈中的一个或两个能够数据记录以支持所述一个或多个功率栈的故障分析、或针对潜在的故障功率栈抢先维护，或者两者。

19.根据权利要求4所述的功率栈控制系统，其中，所述功率栈中的一个或两个能够数据记录以支持所述一个或多个功率栈的故障分析、或针对潜在的故障功率栈抢先维护，或者两者。

20.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，其中，所述IGBT接口包括微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、或两者，以提供与主控制单元的实时通信接口。

21.根据权利要求2所述的功率栈控制系统，其中，所述IGBT接口包括微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、或两者，以提供与所述主控制单元的实时通信接口。

22.根据权利要求1所述的功率栈控制系统，其中，所述串行接口能够被连接至网络以向用户提供远程访问，以便控制、监视或控制并监视所述功率栈中的一个或多个或整个功率栈控制系统的状态。

23.根据权利要求22所述的功率栈控制系统，其中，所述网络包括局域网（LAN）、广域网（WAN）或因特网。

24.根据权利要求22所述的功率栈控制系统，其中，所述串行接口无线地、有线地或光学地连接至所述网络。