CN105339920A - 低时滞通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一般而言涉及电力转换器，并且更具体而言涉及用于控制电力转换器的至少一个电力开关设备的通信方法、用于电力转换器的通信系统以及包括该通信系统的电力转换器。例如，提供了用于控制电力转换器的至少一个电力开关设备的通信方法，该方法包括：将信号输入到通信链路的发送端；将数据输入到通信链路的发送端；确定信号是否包括过渡；当所述确定指示信号包括过渡时，将包括过渡的信号发送到通信链路的通信信道中，其中发送的信号相对于输入的信号被延迟预定的时间延迟，所述预定的时间延迟允许所述确定；在通信信道上发送数据，其中当所述确定指示信号包括过渡时，发送该数据被一直延迟到所述发送该信号之后；以及如果信号已经被发送，则在通信链路的接收端处接收所发送的信号并且依赖于所述接收的信号控制至少一个所述电力开关设备。

Description

低时滞通信系统
技术领域
本发明一般而言涉及电力转换器，并且更具体而言涉及用于控制电力转换器的至少一个电力开关设备的通信方法、用于电力转换器的通信系统以及包括该通信系统的电力转换器。
背景技术
通信系统可以被用来将电力转换器(诸如AC到DC转换器或DC到AC逆变器)的组件连接在一起。转换器可以用于从低压芯片到计算机、机车和高压输电线路的应用。更具体的示例应用是用于在可以例如携带来自离岸风装置的电力这种类型的高压dc输电线路中的开关，以及用于马达等(例如机车马达)的中压(例如，大于1kV)开关。
由通信系统连接的转换器的组件可能是控制器(诸如确定电力开关设备的集合的所需状态的智能设备)、诸如控制单独电力开关设备(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT))的状态的智能“门驱动”的开关单元、诸如温度或电流传感器的传感器或者诸如冷却系统泵的致动器。这种电力开关设备的例子包括如上提到的IGBT，但是另选地可以是诸如MOSFETS(垂直或横向)和JFET的FET，或者有可能是诸如LILET(横向反转层发射极晶体管)、SCR等的设备。但是，我们将描述的技术不限于任何特定类型的通用转换器体系架构或任何特定类型的电力开关设备。
具体地考虑电力电子系统的控制设备(CD)和一个或多个电力开关单元(SU)之间的通信，一般存在传送开关信息的控制信道以及传送配置信息的数据信道，在电力电子器件中，在CD和SU之间一般要求电压隔离。因此，物理通信链路可以通过光学手段(光耦合器或光纤收发器)、电气手段(感应式或电容式耦合)或RF手段被提供。
例如，电力电子系统可以包括控制器和开关单元之间的点到点光纤对——被称为传统光纤网络(LFON)。在这个方案中，一根光纤将来自控制器的控制数据携带到开关设备，其中“lighton”的意思是“开启”；另一根光纤将来自开关设备的故障数据携带到控制器，其中“lightoff”的意思是“故障”。任何进一步的信息都必须由另选的通信信道发送，例如使得控制/故障和数据流在物理上分开的信道(电线)上被携带。但是，任何附加物理链路的成本就板面积和组件成本两个方面而言都高。
因此，仍然需要改进的通信方法或系统，除其它之外，优选地具有以下优点，诸如每个电力开关设备的可靠开关操作、电力转换器的高效率和/或低功耗(例如降低与电力开关设备的开关相关联的功耗)、已知的等待时间、低时滞、降低的制造成本、减小的尺寸和/或与现有系统组件(例如，为LFON设计的组件)的向后兼容，等等。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于控制电力转换器的至少一个电力开关设备的通信方法，该方法包括：将信号输入到通信链路的发送端；将数据输入到通信链路的发送端；确定信号是否包括过渡；当所述确定指示信号包括过渡时，将包括过渡的信号发送到通信链路的通信信道中，其中发送的信号相对于输入的信号被延迟预定的时间延迟，所述预定的时间延迟允许所述确定；在通信信道上发送数据，其中，当所述确定指示信号包括过渡时，发送该数据被一直延迟到所述发送该信号之后；以及，如果信号已经被发送，则在通信链路的接收端处接收所发送的信号并且依赖于所述接收的信号控制至少一个所述电力开关设备。
因此，实施例可以允许通过单个物理通信链路(例如，光纤或电气)传输数据(例如，用于设置或确认配置设置)以及控制或故障信号，有利地是使用单个通信信道(逻辑连接)，同时在适当的时候确保信号的传输优先于数据，使得信号的过渡总是以已知的和/或低等待时间被输送。当存在基本上实时的需求时，例如对于故障指示，这种低等待时间尤其有利。等待时间可以由预定的时间延迟确定，该时间延迟优选地是利用缓冲器(例如串行缓冲器)实现的，用于使信号在传输之前经过。发送数据的延迟可以有效地防止数据与信号在通信信道上的冲突，当这种数据和信号可以在输入到发送端之前异步生成时，这具有特别的优势。此外，控制/故障和数据流在每个方向中通过一个物理信道的传送对于与现有方案的向后兼容会是有利的。还有，通过以这种方式减少信道的数目(其中信道在实施例中可以被描述为逻辑连接)，材料使用和/或成本(例如板面积和组件成本)可以降低。
实施例可以允许信号过渡(例如像高-低或数字‘1’->‘0’(或者反过来)的状态改变)的通信有效地先于不太时间关键的数据消息在通信链路上传播。作为控制信号的一部分的这种过渡可以被用来在通信链路的接收端处触发电力开关设备的开关，优选地经由诸如用于IGBT模块的门驱动的驱动器。当这种开关被触发时，从属的控制可以被认为是直接对控制信号进行响应。另选地，当这种过渡作为故障信号的一部分时，从属的控制可以控制在前面提及的链路的接收端处的电力开关设备和/或转换器内的其它电力开关设备，例如在转换器的一个或多个相腿(phaseleg)中串联和/或并联耦合的这种设备(见例如图9)。因此，在任何一个设备发生故障的情况下，由这种网络中的这种设备传导的电流可以在设备之间重新分布。
如以上所指示的，在任何实施例中，电力开关设备的任何控制都优选地借由驱动电路(例如用于IGBT的门驱动)来执行——由此任何实施例中的电力开关设备都可以经由驱动电路耦合到通信链路，其中驱动电路接收控制信号并控制设备以相应地开关以及/或者经由通信链路向控制器发送与驱动电路和/或(一个或多个)电力开关设备相关的故障信号。通信链路的发送和/或接收端可以包括接口，例如是到驱动电路和/或电力开关设备或者到控制器的接口。
还可以提供通信方法，其中通信链路是第一通信链路，信号是第一信号，数据是第一数据并且预定的时间延迟是第一预定的时间延迟，该方法还包括经由第二通信链路传送第二信号和第二数据，其中经由第二链路传送包括：将第二信号输入到第二通信链路的发送端；将第二数据输入到第二通信链路的发送端；确定第二信号是否包括过渡；当所述确定指示第二信号包括过渡时，将第二信号发送到第二通信链路的通信信道中，其中发送的第二信号相对于输入的第二信号被延迟第二预定的时间延迟，所述第二预定的时间延迟允许所述确定第二信号是否包括过渡；在第二通信信道上发送第二数据，其中，当所述确定指示第二信号包括过渡时，发送第二数据被一直延迟到所述发送第二信号之后；并且，如果第二信号已经被发送，则在通信链路的接收端处接收所发送的信号并且依赖于所述接收的第二信号控制至少一个另一电力开关设备。
因此，即使单个物理通信链路/信道可以用于到每个目的地的信号和数据目的地，实施例也可以提供数据传输，同时确保诸如控制或故障信号的信号的过渡在相应目的地的到达之间的低时滞。当信号是用于开和关诸如IGBT的电力开关设备的控制信号时，这是特别有兴趣的。例如，关于电力转换器中串联连接的IGBT的电压平衡或者对于并联连接的IGBT中的电流共享(参见图9)，低时滞会是有利的，除其它之外，这种平衡影响可靠性和/或功耗。
鉴于以上，为了同步多个电力开关设备的开关，实施例可以允许到多个开关单元中每一个的控制信道具有已知的等待时间并且还允许这种单元之间的低时滞。类似的优点可以关于从开关设备或单元到控制器的通信发现，其中这种通信用于传送状态信息和监视信息。
优选地，第一和第二预定的时间延迟用于在第一和第二信号同时发送时，使依赖于接收到的第一信号对至少一个电力开关设备的控制和依赖于接收到的第二信号对至少一个另一电力开关设备的控制基本上(例如，精确地或近似地)同步。当每个所述控制包括开或关至少一个电力开关设备时，时间延迟可以因此改善例如可靠性和/或功率效率以及/或者减小在开关的时点对一个或多个开关设备的应力。
为了提供从信道到信道相一致的已知定时延迟，第一和第二预定的时间延迟可以基本上相等，以由此减小第一信号在第一通信链路的接收端处的到达与第二信号在第二通信链路的接收端处的到达之间的时滞。
还可以提供通信方法，其中数据利用调制方案在通信信道上被发送，该方法包括：如果接收到的脉冲具有大于数据调制方案的预定脉冲宽度的持续时间，则将在通信链路的接收端处接收到的脉冲作为控制或故障信号脉冲进行处理(例如解码)。这种数据可以是上述第一或第二数据。优选地，如果脉冲长度大于阈值长度，例如大于调制方案的数据脉冲的预期持续时间，例如数据脉冲的持续时间的两倍，则脉冲被作为控制/故障脉冲来对待。这可以考虑到由于例如传播条件造成的某种脉冲宽度失真。基于脉冲宽度的区分可以被认为是基于频率的控制/故障信号与数据信号之间区分的例子，在这种情况下，是基于控制/故障信号与数据信号相比而言更低的脉冲频率。
第一(第二)延迟数据可以在所述在通信信道上发送所述第一(第二)信号之后以预定的延迟被发送到通信信道上。在这种情况下，数据可能不在控制信号发送之后立即被发送。相反，除了如上所描述的控制/故障信号的改进的等待时间，用于数据传输的固定延迟还可以允许数据传输中的已知和/或低等待时间。但是，我们注意到，在实施例中，预定延迟可能不是总发生，例如，当信号具有高频率并且优先、使得数据会不确定地被延迟而不是具有预定的延迟时和/或如果在缓冲器中存在碰撞——如果在第一过渡之后很短时间信号具有另一个过渡，则数据会被再次延迟。
优选地，可以包括故障或控制信息的任何数据都利用脉冲位置调制(PPM)——优选地是差分PPM(DPPM)——在通信信道上被发送。空符号可以被插入到第一和/或第二数据中，以在通信信道上发送数据时提供延迟。
还可以提供通信方法，其中信号和数据在通信信道上的传输是到包括至少一个所述电力开关设备的模块并且信号是控制信号，其中依赖于接收到的信号的控制对该模块的至少一个所述电力开关设备的开关进行控制。
还可以提供通信方法，其中信号和数据在通信信道上的传输是从至少一个所述电力开关设备的模块并且信号是故障信号，其中依赖于接收到的信号的控制对电力转换器的至少一个所述电力开关设备的开关进行控制。例如，具有实时需求的这种指示。于是，依赖于接收到的信号的控制优选地控制电力转换器的至少一个所述电力开关设备的开关，例如，关闭与故障指示关联的电力开关设备，和/或有可能关闭处于开或关的其它模块的其它电力开关设备，以一般性地切断电力转换器或者至少重新分布本应由故障模块传导的电流。
类似地，还可以提供通信方法，其中信号和数据的传输是从包括至少一个所述电力开关设备的模块，信号包括该模块的状况指示，该方法包括基本实时地监视所述状况，该方法优选地包括基于所述状况指示的基本实时控制。这种状况指示可以包括状态和/或监视信息，例如，传感器测量。优选地，该状况指示可以服务于实时监视需求。所指示的状况可以关于模块的任何参数，例如，模块的电力开关设备和/或驱动电路的参数。状况可以是状态、传感器输出和/或测出的特性，诸如电压、电流、温度、湿度等。
在以上涉及从模块传送信号和数据的任一种情况下，数据都可以仅仅包括从控制器接收的信号(例如，故障信号、或用于触发开关电力开关设备的控制信号、和/或确认数据的接收的信号)的确认。
还可以提供通信方法，其中信号和数据的传输是到包括至少一个所述电力开关设备的模块，数据指示要在该模块中实现的设置和/或对该模块的状况指示的至少一个请求和/或从该模块接收的信号(例如，控制或故障信号)的至少一个确认。
还可以提供通信方法，其中信号和数据的传输是从包括至少一个所述电力开关设备的模块，数据指示当前模块设置和/或该模块的至少一个状况指示和/或在该模块处接收到的信号的至少一个确认。
仍还可以提供通信方法，包括：在所述通信链路的另一信道上发送时钟信号；以及利用所述时钟信号来同步在该通信链路的发送端和接收端处的逻辑电路操作，所述逻辑电路操作用于处理所述接收到的信号和/或接收到的数据。其优点是减小定时不确定性。一个时钟域是指信号和数据不需要被再次同步到单独的时钟。如果只有一个时钟域，则信号和数据不需要跨越定时边界，其中跨越定时边界一般在信号被重新定时时引入不确定性(时滞和/或抖动)。
为了减小控制信号上的抖动，该方法可以包括：从在接收端处接收到的信号和/或数据恢复时钟信号；以及基于恢复的时钟信号同步在通信信道的发送端和接收端处的逻辑电路操作，所述逻辑电路操作用于处理接收到的信号和/或数据。这种恢复可以利用锁相环来实现。
根据本发明的第二方面，提供了用于电力转换器的通信系统，该电力转换器具有至少一个包括至少一个电力开关设备的模块并且还具有至少一个控制至少一个所述模块的控制器，该系统包括：被配置为接收信号和数据的发送器，该发送器用于通过将所述控制器耦合到至少一个所述模块的通信信道发送接收到的信号和数据，该发送器包括：被配置为存储接收到的信号的信号缓冲器；被配置为存储接收到的数据的数据缓冲器；以及被配置为确定存储的信号是否包括过渡的检测器，其中发送器被配置为延迟存储的信号在通信信道上的传输预定的时间延迟，该预定的时间延迟由所述信号缓冲器确定，该预定的时间延迟用于所述确定；并且其中数据缓冲器被配置为当所述检测器指示存储的信号包括过渡时，延迟在通信信道上发送所述存储的数据一直到所存储的信号在该通信信道上的所述传输之后。
在这种实施例中，信号缓冲器优选地延迟从发送器接收到的控制信号的传输，并且数据缓冲器类似地可以延迟从发送器接收到的数据的传输。由每个缓冲器实现的时间延迟可以实现用于要通过通信链路被发送的缓冲的数据/信号的低和/或已知等待时间。任一延迟或这两个延迟可以例如通过利用串行缓冲器的长度和/或利用用于控制来自缓冲器的输出的定时的定时器来确定。
还可以提供通信系统，其中信号是第一信号并且预定的时间延迟是第一预定的时间延迟，该系统被配置为存储并在耦合到另一所述模块的另一所述通信信道上发送另一所述信号和另一所述数据，该系统包括确定该另一信号是否包括过渡的检测器，该系统被配置为延迟所存储的另一信号在另一通信信道上的传输第二预定的时间延迟，该第二预定的时间延迟由用于所述存储另一信号的信号缓冲器确定，第二预定的时间延迟用于所述确定第二信号是否包括过渡，其中第一和第二预定的时间延迟具有减小第一和第二信号在相应通信信道接收端处的到达之间的时滞的值。
还可以提供通信系统，其中第一和第二预定的时间延迟具有使依赖于接收到的第一信号的至少一个电力开关设备的所述控制与依赖于接收到的另一信号的至少一个另一电力开关设备的所述控制基本上同步的值。
仍还可以提供通信系统，包括用于经由所述通信信道从发送器接收所述发送的信号和数据的接收器，其中发送器被配置为利用调制方案在通信信道上发送数据，接收器包括：被配置为确定接收到的脉冲是否具有比预定的脉冲宽度大的持续时间的检测器，其中所述预定的脉冲宽度是数据调制方案的脉冲宽度：解码器被配置为如果检测器的输出指示接收到的脉冲具有大于所述预定的脉冲宽度的持续时间，则将在通信信道的接收端处接收到的脉冲作为控制信号脉冲进行解码。
还可以提供包括通信系统的电力转换器，该转换器具有至少一个包括至少一个所述电力开关设备的模块以及控制至少一个电力开关设备的开关的驱动电路，转换器使至少一个所述控制器输出用于控制至少一个所述电力开关设备的所述信号，转换器包括用于至少一个所述通信信道的至少一个所述通信链路。
仍还可以提供电力转换器或通信系统，其中至少一个所述电力开关设备包括IGBT。
优选实施例在从属权利要求中限定。
优选实施例的以上各方面中的任何一个或多个和/或以上可选特征中的任何一个或多个可以按任何排列进行组合。
附图说明
为了对本发明的更好理解并且为了示出其可以如何实施，现在作为例子参考附图，其中：
图1示出了系统实施例的框图；
图2(a)和2(b)示出了方法实施例的流程图，2(b)关于例如图2(c)的框图；
图3示出了示出用于实施例的、由通信链路耦合的发送器和接收器的图；
图4示出了编码的数据信号；
图5示出了具有数据/控制信号冲突的编码数据；
图6(a)至6(d)示出了从发送器向接收器传送的数据和控制信号。具体而言：图6(a)示出了data_in＝0，control_in从0过渡到1并且在852ns之后在control_out处出现；图6(b)是图6(a)的放大，示出了脉冲与发送和接收时钟(clk_tx和clk_rx)之间的关系。图6(c)示出了data_in＝1，control_in从1过渡到0并且在850ns之后在control_out处出现。图6(d)是图6(c)的放大；
图7示出了使用锁相环(PLL)来在系统中的接收器处恢复发送时钟；
图8示出了使用锁相环(PLL)和时钟恢复框来从所发送的信号恢复发送时钟的系统；
图9示出了开关设备(仅仅作为例子，表示为IGBT)的网络，如可以在转换器实施例(例如多相脚逆变器)中找到的；
图10(a)示出了诸如逆变器的电力开关装置内的控制电路框；这种装置可以在一个或多个相脚的每一半相脚中具有一个或多个电力开关设备，并且每个设备驱动器2可以耦合到相应的驱动器控制器1和/或多个设备驱动器2可以耦合到共同的驱动器控制器1；并且图10(b)示出了图10(a)的另选布置；及
图11示出了系统实施例的框图。
具体实施方式
实施例提供了可应用到诸如AC到DC转换器或DC到AC逆变器的电力转换器的通信方法。仅仅作为例子，图9示出了在每个相脚的高侧和低侧当中的每一侧中堆叠有两个IGBT的多相脚逆变器。单或多相脚逆变器可以作为图10(a)的电力开关装置4提供，在设备侧包括具有耦合成由门驱动器2控制的IGBT的一个或多个相脚。设备驱动器每个都耦合成由控制侧上的门驱动器控制器1控制。
图10(a)的电力开关设备5a、5b被示为IGBT，但是可以附加地或者另选地包括一个或多个FET(例如，MOSFET或JFET)、LIFET、SCR等等。每个这种设备5a、5b被示为具有并联的可选续流二极管，用于保护开关设备不受逆向电压和电流影响。
每个设备驱动器和其对应的驱动器控制器之间的耦合优选地提供电压隔离，例如通过变压器-或光-耦合。因此，图10(a)的每个优选地双向链路3可以包括光纤(例如，用于在两个方向中通信的光纤，或者用于每个方向的相应的这种光纤)或变压器。实施例的通信方法可以被实现为用于跨这种链路的通信。
如本领域技术人员关于例如图9将认识到的，图10(a)中未示出的电路可以存在，尤其是一个或多个电力开关设备可以在到供电轨(例如，VSS和0V)的任意一条或两条线中都存在——这些线在图10(a)中被中断，以指示这一点。
图10(b)的扩展图示出了类似但更大规模的系统，其中单个可控开关202包括九个电力半导体开关设备210，例如每个都包括碳化硅管芯(die)，多个设备并联连接以创建电压电平，接着多个设备的集合被串联连接以串联连接该电压电平。在其它布置中，单个开关设备控制器可以控制设备管芯的两个或更多个开关。每个开关210具有相应的开关设备控制器130，开关设备控制器130又耦合到子控制器120a、b之一。如图所示，单独的总线在子控制器与开关设备控制器之间延伸，使得对于每个开关设备控制器存在一条这种总线，但这仅仅是例子。在具有多个开关的高电压和/或电流电力电路中，数以百计或者有可能数以千计的半导体开关设备可以被串联和/或并联连接采用并且开关设备控制器系统控制这些设备的开关，使得它们同步开关，实际上是基本上同时。通信方法的实施例的使用可以改进这种同步。
具体地考虑通信方法，优选实施例是有利地用于在单条物理链路上多路复用两个数据流，使得其中一个数据流以已知的等待时间到达目的地。当多于一条物理链路被使用时，这可以意味着在具有已知等待时间的两个信道之间存在低时滞。优选地，非实时数据通过差分脉冲位置调制(DPPM)来传送。DPPM是有利的，因为它与光学和电气接口都兼容、容忍脉冲失真、不需要发送时钟、并且广泛地用在工业应用中。该方法可以可选地利用如下讨论的“洞察(Insight)通信协议”(ICP)在网络中实现。
有利地，因此实施例可以允许经单个信道发送控制信息和数据信息，而不对控制信号添加太多定时不确定性。
为了比较，在不太有利的布置中，如果信道当前在通过PPM/DPPM或者任何其它基于数据包的通信标准发送数据字，则在发送控制信号之前一直等到该字被发送将引入等同于该字的传输时间的定时不确定性。另选地，当前字可以被异常中止以允许控制信号被发送，但是这导致会使大数据包失效的数据字错误。这将导致低效的通信系统，其中将难以区分合法的异常中止的字与信道错误。如果控制和数据的源相同，则有可能在控制信号之间的安静时间期间发送数据。但是，在典型的电力转换器中，控制信号的生成与数据异步，并且可以来自不同的源。为了将该解决方案改进到现有装备中，一般假设原始装备不提供适于识别信道不使用的时间的信号。
实施例优选地利用控制信号的以下特征：
-控制信号的定时通过从低到高或者从高到低的过渡来传送；
-附加的等待时间(通常小于1us)可以被容忍以实现信道之间的低时滞；和/或
-控制信号的带宽小于数据信号的带宽。
实施例有利地在通信信道的每一端处实现缓冲器(定时窗口)。这些缓冲器引入从信道到信道一致的已知定时延迟。
在发送端处，控制和数据信号进入缓冲器。如果在控制信号上没有看到过渡，则数据被发送。如果看到过渡，则数据被一直延迟到控制信号被发送。在控制信号过渡之后，在数据传输恢复之前存在延迟。
在接收端处，进入的信号作为DPPM被解码。如果接收到的脉冲大于两个标准脉冲宽度，则它作为控制信号被解码。以这种方式，协议允许脉冲宽度失真。
设计的扩展涉及通过单独信道发送来自发送端的时钟信号，使得发送和接收逻辑是时间同步的。另选地，如果实现了合适的锁相环(PLL)，则时钟信号可以从进入的数据中恢复。这甚至进一步减小控制信号上的抖动。
这种实施例方案对于光学和电气信道是适当的。它可以独立于连接的速度，因此可以与低带宽塑料光纤收发器(1Mbps的位速率)高至高速差分电气收发器(100Mbps或更高的位速率)一起使用。优选地，信道能够发送DC成分，因此仅AC耦合的接口不太合适，除非采用DC恢复。
实施例可以在门驱动产品中实现，例如用于驱动IGBT的栅极(例如在电力转换器中)。但是，该原理可以应用于其它传感器应用。例如，测量电力转换器中的电压、电流、温度或湿度的任何传感器都可以利用类似的系统。如果传感器数据需要以已知的等待时间被输送，则控制信号将是传感器测量值，并且数据将是用于传感器的配置和状态信息。如果对传感器数据没有实时需求，则它可以在数据信道上被携带并且控制信道用来指示故障。此外，在高电压领域之外可以有其它应用，其中物理信道的数量出于成本或尺寸的原因而必须受限。
图1示出了包括由通信链路耦合到相应模块的控制器的实施例的系统方框。每个模块包括一个或多个电力开关设备(D1-D4；注意，诸如用于设备的门驱动的开关单元未示出)。处于通信链路的发送端的(即，与控制器C0或与模块关联的)每个发送器T0、T0’包括信号和数据缓冲器T1、T2以及过渡检测器。因此，要在通信链路上输出的信号和数据都可以被存储，同时检查信号是控制还是故障信号，即，它是否具有过渡。可选的定时元素ts、td可以被用来分别确定信号和数据的存储(延迟)时间；另选地，任意一个延迟可以由对应缓冲器的结构(例如串行缓冲器的长度)确定。时钟可以在控制器或发送器的内部或外部提供，以允许时钟信号嵌在通信链路上的信号和数据传输中或者在通信链路上的附加信道中发送。因此，接收器R0、R0’可以包括时钟恢复单元R1、R1’，以允许接收器R0、R0’内的脉冲宽度或频率检测，以便解码接收到的传输，例如以区分传输的信号与数据。时钟恢复可以利用锁相环(PLL)来实现。该方法的流程图在图2(a)中示出。在可以同时发生的步骤1和2中，接收要在链路上传送的信号和数据。信号和/或数据可以在不同的输入上被接收和/或在发送器本地生成(例如，在包括该发送器的模块或者控制器当中)。信号和数据可以通过例如调制方案(基于例如频率、振幅或脉冲宽度)来区分，和/或可以以与LFON网络中相同的方式来区分；信号和/或数据可以已经从LFON单元接收。信号的接收可以起动定时器来确定延迟的定时(但是定时延迟实际上可以由例如上述串行缓冲器实现)。在步骤3中，在延迟期间，信号被检查，以检测它是否具有过渡并且因此被看作控制/故障信号。一旦延迟已经过去，如由决定步骤4确定的，信号就被发送(S5)。数据只在信号被发送之后，并且优选地是在预定延迟(例如从S1中信号的接收开始的延迟)之后才被发送。当在步骤S3中没有检测到过渡时，只有数据可以被发送。
图11示出了包括至少一个控制器的通信系统实施例101的通信系统的框，其中控制器用于通过(一条或多条)通信链路耦合到相应的模块。该系统可以具有或不具有(一条或多条)通信链路和/或(一个或多个)模块。实施例可以包括：控制器C01(但是，发送器T01和T02可以包括在相同或分开的控制器中)；具有模块M1’的通信信道接收端，其中模块M1’具有(一个或多个)电力开关设备D11和/或D21；具有发送器T01的发送端，其中发送器用于发送第一信号(例如，控制或故障)和第一数据：具有通信信道的第一通信链路；信号缓冲器，用于实现第一预定时间延迟(Ts1)(也可以提供有数据缓冲器，以允许在发送第一信号之后以预定的延迟Td1发送数据)；检测器T31；具有另一模块M2’的通信信道接收端；(一个或多个)另一电力开关设备D12和/或D22；用于发送另一/第二信号(例如，控制或故障)和另一/第二数据的发送端；具有(另一)通信信道的另一/第二通信链路；检测器T32；和/或用于第二预定时间延迟(Ts2)的信号缓冲器(也可以提供有数据缓冲器，以允许在发送该另一/第二信号之后以预定的延迟Td2发送数据)。
图2(b)是示出信号和数据的输入可以是连续操作的更详细的流程图，并且进一步示出了后置(post)信号延迟，以及如果在缓冲器中存在另一个过渡则数据不可被发送。
优选的系统实施例(诸如图3中所示的实施例)可以包括一个或多个开关设备，这些开关设备一般是电力-电子系统中的控制单独电力晶体管等的开/关状态的元件，或者可以包括少数的这种设备。例如，用于IGBT的门驱动设备。控制器或控制设备(CD)可以确定所有开关设备的所需状态并且经ICP将这种状态传送到它们。控制信号可以从这种控制器设备(CD)到开关设备(SU)，可以指示开关设备的所需电力-电子状态(开或关)。此外，故障信号可以是从开关设备(SU)到控制设备(CD)的信号，以指示故障已发生。基于LFON的实施例可以使用利用塑料光纤(POF)并利用简单协议连接到多个开关设备的单个控制器单元，其中控制器发送“lighton”以开启开关设备，并且发送“lightoff”以关闭开关设备。开关设备可以利用返回光纤上的短(“off”)脉冲来确认每个过渡，并且利用长(“off”)信号指示故障。
实施例是利用被称为“洞察通信协议”(ICP)的申请人的协议在网络中实现的。ICP利用数据信道多路复用开关信号，从而使得能够在设备之间进行数据通信。ICP可以被用来将因特网协议的范围延伸至电力开关设备，以使这些设备能够结合“物联网”。预期可以形成完全由电力电子设备(控制器、开关设备等)组成的“孤岛网络”，而且这些孤岛在一些情况下将被连接到私有和公共互联网，以经广域网提供信息。
更具体而言，ICP可以包括至少物理层、数据链路层、网络层和应用层。因此，实施例的ICP可以包括：
-适于不同环境条件和系统需求的物理层协议集合。除了任何控制/故障信号，这些物理层协议还在通信设备之间提供双向数据位流；
-独立于物理层的数据链路层协议。这使得数据帧能够在通信设备之间传送。数据链路层定义包括硬件地址(MAC地址)定义、帧校验和等；
-使得数据包能够在不同网络分段上的设备之间传送的网络层协议；及
-使得既能进行机器到机器通信又能进行人到机器通信的应用层协议。
物理层和数据链路层协议可以被用来形成局域网，诸如在单个控制设备(CD)与开关设备(SU)集合之间的那些局域网，这可以在从大约一米至几百米的距离之上。但是，网络和应用层使用标准因特网协议并且因此可以在广域网之上被使用，其中ICP较低级别的层只用作“最后的链路”。
我们以下描述用于电力转换器的这种通信系统实施例的物理层(接口)的实现。物理层负责在通信设备之间提供双向位流。但是，依赖于电力开关系统的需求，设想不同的物理层实现。例如，在合理的地理区域(例如HVDC站)之上散布的具有非常高电压隔离需求的系统可以要求光纤通信系统；在例如乘客汽车中的紧凑电力-电子子系统可以由铜电协议(electricalprotocoloncopper)更好地提供。不同的物理层可以提供显著不同的能力，诸如不同的带宽可用性(可能不对称)或者不同的操作模式。
示例实现使用ICP-PHY-5F–5Mbit/s光纤，其中ICP-PHY-5F物理层是申请人的协议，利用一对每秒5M位的光纤来提供叠加在控制/故障信号上的点到点数据链路。它是基于利用异或操作组合两个信号的双向信令机制：
-控制/故障信号；及
-脉冲位置调制(PPM)数据信号。
接收器可以利用低通滤波器区分(相对低频的)控制/故障信号与(相对高频的)数据脉冲。发送器负责确保在脉冲与开关/故障信号上的过渡之间没有冲突。脉冲之间的时间间隔编码三个符号之一：二进制“1”、二进制“0”或者“null”。null符号具有比“1”或“0”更长的时间间隔并且按需插入，以避免冲突，
ICP-PHY-5F具有以下一般特性：
-为多至20m的距离基于塑料光纤(POF)对在CD和SU之间提供点到点连接。
-具有小于1μs的增加的等待时间(与LFON相比)和小于50ns的抖动的控制/故障信号。
-大约为500kbit/s的原始数据率，独立于通常小于100kHz的控制/故障信令频率。在控制/故障信号接近大约200kHz时，数据率一直降到不可能进行数据传输。
在具有ICP-PHY-5F接口的开关设备将正确解释LFON开关信号的程度内，ICP-PHY-5F提供与LFON的兼容，并且提供可以被控制设备正确解释的故障信号。这使得ICP-PHY-5F设备能够被插入到LFON中。
关于物理层逻辑接口，ICP-PHY-5F物理层具有以下接口：
-到光纤发送器的发送输出；
-来自光纤发送器的接收输入；
-来自数据链路层的数据位流输入；
-到数据链路层的数据位流输出；
-控制输入：用于CD的开关信号，或者用于SU的故障信号；
-控制输出：用于CD的故障信号，或者用于SU的开关信号。
图3示出了示出具有这种接口的发送器和接收器的图。
示例物理层数据编码方案是基于差分脉冲位置调制(DPPM)。符号是通过调制相邻脉冲之间的时间间隔来编码的。相邻脉冲之间的间隔由相邻下降边缘之间的时间段指定。
发送器生成数据脉冲，作为输出信号中的反转，数据脉冲的持续时间由参数phyTxPulseDuration(这是用于光纤收发器的名义脉冲宽度)给出。如果输入数据脉冲定时在由phyRxPulseDuration给出的范围内，则接收器应当接受该输入数据脉冲。只有当输入对于至少两倍的phyTxPulseDuration不改变(低通滤波器)时，接收器才应当更新控制输出。
二进制“0”是通过以间隔phyTxZeroDuration发送相邻脉冲来编码的；一是通过以间隔phyTxOneDuration发送相邻脉冲来编码的。如果间隔在由phyRxZeroDuration给出的范围内，则接收器应当识别出“0”，并且如果间隔在由phyRxOneDuration给出的范围内，则接收器应当识别出“1”。在这些范围之外的脉冲间时段是“空符号”并且被接收器忽略(除了重启其脉冲定时之外)。
发送器可以在任何点插入空符号，以便避免开关/故障信号的改变与数据脉冲之间的冲突。如果发送器检测到数据脉冲将在开关/故障信号边缘之前或之后的physCollisionDuration内，则空符号应当被插入。空符号的优点是：
-避免在光纤上发送比光纤收发器的最小脉冲宽度短的脉冲；和/或
-允许在控制信号边缘之前和之后的足够的时间没有数据脉冲，使得边缘可以在接收器处由低通滤波器恢复。
发送器可以通过由phyNullDuration给出的间隔生成空符号。然而，对于空符号持续时间不存在最大值，但是过大的值会降低数据吞吐量。
通过将附加的延迟添加到开关/故障信号中并且检查在该延迟窗口期间不存在过渡，发送器检测数据脉冲与开关/故障信号之间的潜在碰撞。
下表给出了用于ICP-PHY-5F物理层的参数的示例数值：
名称 单位 最小值 典型值 最大值
phyTxPulseDuration ns 180 200 220
phyRxPulseDuration ns 100 200 300
phyTxZeroDuration ns 980 1000 1020
phyTxOneDuration ns 1980 2000 2020
phyRxZeroDuration ns 800 1000 1600
phyRxOneDuration ns 1800 2000 2600
phyCollisionDuration ns 380 400 420
phyNullDuration ns 4800 5000 不限
图4示出了二进制序列“0”、“1”、“0”的示例编码。脉冲之间的间隔编码数据值。
图5示出了与图4中相同的数据序列，除了本将在时间B(在延迟phyTxOneDuration之后)出现的脉冲将在控制线上的过渡的phyCollisionDuration内之外。三条迹线(从顶部至底部)表示要发送的控制信号、脉冲编码的数据信号以及真正发送的信号。发送器可以插入空符号并且整个脉冲串被延迟phyNullDuration，以便防止冲突。
图6(a)至(d)示出了从发送器向接收器传送的数据和控制信号。注意，每个数据脉冲宽度包括多个系统时钟循环，但是时钟的周期不是非常重要。最小脉冲宽度由信道特性来设定。脉冲之间的间隙可以被更改。这里示出的比率是为了在诸如CPLD和FPGA的标准可编程设备中实现而选择的。在该例中，系统时钟是50MHz，即20ns的周期。但是，系统可以缩放至任何频率，并且可以在诸如专用集成电路(ASIC)的定制设备中实现。在波形中，发送和接收时钟被时间同步，但这不是必要的。在图6(a)至(d)的时序图中：
-clk_tx是发送时钟；
-data_in是来自链路层的要发送的数据，在这些图中总是0或总是1；
-control_in是要发送的控制信号，示为从0过渡到1或者从1过渡到0；
-phy_tx是来自物理接口的输出，即跨接口的信号；
-clk_rx是接收时钟，它与clk_tx具有相同的频率，但是不必时间同步；
-data_out是由接收器解码的、到链路层的数据，在这些图中总是0或总是1；
-control_out是由接收器解码的恢复的控制信号。
到目前为止所示出的波形解释控制信号如何以已知的等待时间从CD发送到SU。如果控制输入与发送时钟同步，则引入的唯一定时不确定性是接收时钟的时钟周期，在该例子中是20ns。如果控制输入与发送时钟异步，则在发送器处附加地添加最多20ns。这些不确定性是由于控制信号可以在任何时候由与其异步的时钟采样的事实。最坏的情况是当控制信号边缘刚好在采样点之后。新控制信号值在一个时钟循环之后被采样。于是，最坏的定时不确定性是一个时钟循环周期。
假设信号的传播延迟在CD与多个SU之间匹配(相同长度的光纤或电线)，则控制信号将以相同的等待时间和已知的不确定性(时滞)到达每个SU。
在一些应用中，例如并行或串行连接的SU，设备之间的较低时滞对于确保同步开关会是优选的，在这些情况下，如果发送和接收时钟被同步或锁定到一起，则可以进行改进。实现这一点的通常方式是利用锁相环(PLL)或延迟锁定环路。PLL通常具有高频振荡器(OSC)，以及比较反馈控制电路中的输入参考与输出时钟的相位比较器。这种电路在数字通信系统中是常见的。
在图7中，接收器被锁定到发送时钟的分频版本。时钟分频器被用来将系统时钟降低至通信信道(例如，LFON)可接受的频率。从PLL输出的时钟与发送器时钟处于相同的频率并且相位对准。跨通信信道发送较低频率的时钟就减小的电磁干扰(EMI)而言具有附加的好处。
不幸的是，图7中所示的系统需要在一个方向中(CD到SU)附加的通信信道来携带时钟。另选方案在图8中示出，其中用于PLL的参考时钟是从发送的信号中恢复的。为了让这成功，发送器优选地持续发送数据。如果没有要发送的有效数据，则发送器发送空数据包或标记字符，接收器丢弃该空数据包或标记字符。标记字符确保即使在控制输入是静态时，在信道上也看到持续的过渡，并且系统被设计为使得有足够的过渡来恢复参考时钟。
毫无疑问，许多其它有效的另选方案将是本领域技术人员可以想到的。应当理解，本发明不限于所描述的实施例并且涵盖属于权利要求的精神和范围的、对本领域技术人员显而易见的修改。

Claims (22)

1.一种用于控制电力转换器的至少一个电力开关设备的通信方法，该方法包括：
将信号输入到通信链路的发送端；
将数据输入到该通信链路的发送端；
确定该信号是否包括过渡；
当所述确定指示信号包括过渡时，将包括过渡的该信号发送到通信链路的通信信道中，其中发送的信号相对于输入的信号被延迟预定的时间延迟，所述预定的时间延迟允许所述确定；
在通信信道上发送数据，其中，当所述确定指示信号包括过渡时，发送该数据被延迟直到所述发送该信号之后；及
如果信号已经被发送，则在通信链路的接收端处接收所发送的信号，并且依赖于所述接收的信号控制至少一个所述电力开关设备。
2.如权利要求1所述的通信方法，其中该通信链路是第一通信链路，该信号是第一信号，该数据是第一数据，并且该预定的时间延迟是第一预定的时间延迟，该方法还包括经由第二通信链路传送第二信号和第二数据，其中经由第二链路传送包括：
将第二信号输入到第二通信链路的发送端；
将第二数据输入到该通信链路的发送端；
确定第二信号是否包括过渡；
当所述确定指示第二信号包括过渡时，将第二信号发送到第二通信链路的通信信道中，其中发送的第二信号相对于输入的第二信号被延迟第二预定的时间延迟，所述第二预定的时间延迟允许所述确定第二信号是否包括过渡；
在第二通信信道上发送第二数据，其中，当所述确定指示第二信号包括过渡时，发送第二数据被延迟直到所述发送第二信号之后；及
如果第二信号已经被发送，则在该通信信道的接收端处接收所发送的信号，并且依赖于所述接收的第二信号控制至少一个另一电力开关设备。
3.如权利要求2所述的方法，其中第一预定的时间延迟和第二预定的时间延迟用于在同时发送第一信号和第二信号时使依赖于接收到的第一信号对至少一个电力开关设备的所述控制和依赖于接收到的第二信号对至少一个另一电力开关设备的所述控制基本上同步，其中每个所述控制包括开关至少一个电力开关设备。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中第一预定的时间延迟和第二预定的时间延迟基本上相等，以由此减小第一信号在第一通信链路的接收端处的到达与第二信号在第二通信链路的接收端处的到达之间的时滞。
5.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中数据利用调制方案在通信信道上被发送，该方法包括如果接收到的脉冲具有大于数据调制方案的预定脉冲宽度的持续时间，则将在通信链路的接收端处接收到的脉冲作为所述信号的脉冲进行处理。
6.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中延迟的数据在所述在通信信道上发送所述信号之后以预定的延迟被发送到通信信道上。
7.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，包括将空符号插入到数据中，以提供所述在通信信道上发送数据的所述延迟。
8.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中数据是利用脉冲位置调制(PPM)、优选地是差分PPM(DPPM)在通信信道上发送的。
9.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中信号和数据在通信信道上的传输是到包括至少一个所述电力开关设备的模块的，并且该信号是控制信号，其中依赖于接收到的信号的控制对该模块的至少一个所述电力开关设备的开关进行控制。
10.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中信号和数据在通信信道上的传输是来自包括至少一个所述电力开关设备的模块的，并且该信号是故障信号，其中依赖于接收到的信号的控制对电力转换器的至少一个所述电力开关设备的开关进行控制。
11.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中信号和数据的传输是来自包括至少一个所述电力开关设备的模块的，该信号包括该模块的状况指示，该方法包括基本上实时地监视所述状况，该方法优选地包括基于所述状况指示的基本上实时的控制。
12.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中信号和数据的传输是到包括至少一个所述电力开关设备的模块的，该数据指示要在该模块中实现的设置和/或对该模块的状况指示的至少一个请求和/或从该模块接收到的信号的至少一个确认。
13.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，其中信号和数据的传输是来自包括至少一个所述电力开关设备的模块的，该数据指示当前模块设置和/或该模块的至少一个状况指示和/或在该模块处接收到的信号的至少一个确认。
14.如前面任何一项权利要求所述的通信方法，该方法包括：
在所述通信链路的另一信道上发送时钟信号；及
使用所述时钟信号来同步在该通信链路的发送端和接收端处的逻辑电路操作，所述逻辑电路操作用于处理所述接收到的信号和/或接收到的数据。
15.如权利要求1至14中任何一项所述的通信方法，包括：
从在接收端处接收到的信号和/或数据恢复时钟信号；及
基于恢复的时钟信号同步在通信信道的发送端和接收端处的逻辑电路操作，所述逻辑电路操作用于处理接收到的信号和/或数据。
16.一种用于电力转换器的通信系统，该电力转换器具有至少一个包括至少一个电力开关设备的模块并且还具有至少一个用于控制至少一个所述模块的控制器，该系统包括：
被配置为接收信号和数据的发送器，该发送器用于通过将所述控制器耦合到至少一个所述模块的通信信道发送接收到的信号和数据，
该发送器包括：
信号缓冲器，被配置为存储接收到的信号；
数据缓冲器，被配置为存储接收到的数据；及
检测器，被配置为确定存储的信号是否包括过渡，
其中发送器被配置为将所存储的信号在通信信道上的传输延迟预定的时间延迟，该预定的时间延迟由所述信号缓冲器确定，该预定的时间延迟用于所述确定；及
其中数据缓冲器被配置为当所述检测器指示所存储的信号包括过渡时，延迟在通信信道上发送所述存储的数据直到所存储的信号在该通信信道上的所述传输之后。
17.如权利要求16所述的通信系统，其中信号是第一信号并且预定的时间延迟是第一预定的时间延迟，该系统被配置为存储并在耦合到另一所述模块的另一所述通信信道上发送另一所述信号和另一所述数据，
该系统包括确定该另一信号是否包括过渡的检测器，该系统被配置为将所存储的另一信号在该另一通信信道上的传输延迟第二预定的时间延迟，该第二预定的时间延迟由用于所述存储该另一信号的信号缓冲器确定，该第二预定的时间延迟用于所述确定第二信号是否包括过渡，
其中第一和第二预定的时间延迟具有用于减小第一与第二信号在相应通信信道接收端处的到达之间的时滞的值。
18.如权利要求17所述的通信系统，其中第一和第二预定的时间延迟具有用于使依赖于接收到的第一信号的至少一个电力开关设备的所述控制与依赖于接收到的另一信号的至少一个另一电力开关设备的所述控制基本上同步的值。
19.如权利要求16至18中任何一项所述的通信系统，包括用于经由所述通信信道从发送器接收所述发送的信号和数据的接收器，其中该发送器被配置为使用调制方案在通信信道上发送数据，该接收器包括：
检测器，被配置为确定接收到的脉冲是否具有比预定的脉冲宽度大的持续时间，其中所述预定的脉冲宽度是数据调制方案的脉冲宽度；
解码器，被配置为如果检测器的输出指示接收到的脉冲具有大于所述预定的脉冲宽度的持续时间，则将在通信信道的接收端处接收到的脉冲解码为控制信号脉冲。
20.一种包括如权利要求16至19中任何一项所述的通信系统的电力转换器，该转换器具有至少一个包括至少一个所述电力开关设备的模块以及用于控制至少一个电力开关设备的驱动电路，该转换器使至少一个所述控制器输出用于控制至少一个所述电力开关设备的所述信号，该转换器包括用于至少一个所述通信信道的至少一个所述通信链路。
21.如权利要求16至20中任何一项所述的通信系统或电力转换器，其中至少一个所述电力开关设备包括IGBT。
22.如本文描述和/或说明的电力转换器。
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