CN106664006A - 用于运行负载的功率电子系统和用于功率模块同步的方法 - Google Patents

用于运行负载的功率电子系统和用于功率模块同步的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行负载(5)的特别是转换器的功率电子系统。所述功率电子系统包括多个功率模块(10,…,60)，所述功率模块以预先给定的方式与负载(5)接线，其中功率模块(10,…,60)的每个包括至少一个开关元件(11,…,61)和局部控制部(12,…,62)。此外所述功率电子系统包括上级控制器(70)以用于给出合适的控制信号以控制多个用于驱动负载(5)的功率模块(10,…,60)，以及包括装置总线(80)，在所述装置总线上连接了上级控制器(70)和多个功率模块(10,…,60)，且通过所述装置总线在系统(1)运行中传输或可传输用于控制多个功率模块(10,…,60)的控制信号。上级控制器(70)形成为通过装置总线(80)以预先给定的时间间隔(T)在各电报(200)中将用于针对系统(1)的开关状态控制多个功率模块(10,…,60)的控制信号传输到多个功率模块(10,…,60)，其中所有功率模块(10,…,60)形成为扫描控制器(70)的各接收到的电报(200)的第一通信沿(201)，且将其作为用于处理控制信号的系统(1)的共同的时间基础处理。

Description

用于运行负载的功率电子系统和用于功率模块同步的方法
技术领域
本发明涉及用于运行负载的功率电子系统，特别地涉及变换器。本发明此外涉及用于此用于运行负载的功率电子系统的功率模块同步的方法。
背景技术
例如M2C或MHF逆变器、多相Buck/Boost转换器或DC/DC转换器的功率电子系统日越来越多地由模块化部件构建。但单独的部件或功率模块的接线的灵活性在此受到上级控制器的可供使用的通信接口的当前数量限制。当前的功率电子系统典型地具有星形拓扑结构，其中功率模块通过点对点通信与上级控制器连接。这虽然允许了单独的功率模块的简单的同步但限制了功率模块的最大数量，所述最大数量取决于上级控制器的控制输出的数量。
图1示例地示出了用于控制三相负载5的形成为旋转电流变流器的功率电子系统1的当前使用的典型的接线。旋转电流变流器以专业人员已知的方式包括六个功率模块10,…,60。每个功率模块10,…,60包括例如一个或多个开关元件(例如，IGBT，绝缘栅双极型晶体管)以及用于所述开关元件的局部控制部。基本上也可使用场效应控制的半导体开关元件或另外类型的双极型晶体管。在每个功率模块多个开关元件的情况中，这些开关元件可以以希望的方式相互并联和/或串联接线。
旋转电流电桥包括三个并联地连接在供电电势连接部90、91上的分支2、3、4。在第一分支2中，功率模块10和20在供电电势连接部90、91之间相互串联接线。在第二分支3中，功率模块30和40在供电电势连接部90、91之间串联接线。在第三分支4中，功率模块50和60在供电电势连接部90、91之间串联接线。在供电电势连接部90上例如存在正电势，而在供电电势连接部91上存在负电势。在供电电势连接部90、91之间存在直流电压，所述直流电压由能量存储器或供电网络以相应的直流变流器设备提供。功率模块10、20以及30、40以及50、60之间的节点6、7、8分别与三相负载5的相连接，例如与驱动机连接。
功率模块10,…,60的控制根据预先给定的开关状态模式借助于上级控制器70进行。所述上级控制器70分别具有控制输出71,…,76，以将各功率模块10,…,60相应地切换为导通或阻断。开关状态模式在本实施例中具有旋转电流变流器的至少三个不同的开关状态，其中在给定的时刻的开关状态包括第一部分数量的切换为导通的功率模块和第二开关数量的切换为阻断的阻断的功率模块。对于确定的开关状态的用于功率模块10,…,60的控制信号通过上级控制器70同时地施加到控制输出71,…,76。以此保证全部功率模块使用共同的时间基础。
例如在第一开关状态中，第一分支2内的功率模块10和在第二分支3和第三分支4内的功率模块40和60切换为导通。相应地，在此开关状态中功率模块30、50、20切换为阻断。例如在第二开关状态中，功率模块30、20和60切换为导通，而功率模块10、50、40切换为阻断。在第三开关状态中，功率模块50、20、40切换为导通，而功率模块10、30、60切换为阻断。然后以所述次序重复开关状态。
如果功率模块10,…,60的每个分别具有单开关元件，则如在图1中所示在上级控制器70内提供六个控制输出71,…,76。而如果功率模块10,…,60已具有两个或更多的开关元件，则根据开关元件在各功率模块内的接线可能需要更多数量的上级控制器70的控制输出，以可实现相应的控制。
根据功率电子系统1的构造，所述功率电子系统可包括多个不同的开关元件，使得在上级控制器内提供相应数量的控制输出。这要求上级控制器70的特殊的匹配或要求放弃功率电子系统的模块化。
基于以上所述的问题，力求通过总线系统将功率模块联网。此联网可具有有线连接装置总线的形式以及以无线网络的形式来实现。总线系统的使用实现了所需控制导线的数量的降低，且有助于避免对于最大参与数量的物理限制。
来自通过总线系统的联网的问题在于单独的功率模块和其内包含的开关元件的同步困难。在此考虑到各功率模块的局部控制部由于经济性原因不允许复杂的计算。因此，在使用总线系统以用于系统部件的通信的功率电子系统中，同步通过附加的同步导线实现。但因此所节约的导线复杂性的部分又由于功率模块的同步被抵消。
发明内容
本发明的任务是给出功率电子系统以及用于功率模块的同步的方法，所述功率电子系统在其功率模块的同步方面在结构上和/或功能上得以改进。
此任务通过根据权利要求1的特征的功率电子系统和根据权利要求9的特征的方法解决。有利的构造由从属权利要求得到。
根据本发明的第一方面建议了用于运行负载的功率电子系统。功率电子系统可例如实现为基于单元的变换器，例如M2C或MHF逆变器。功率电子系统也可以是Buch/Boost转换器或DC/DC或AC/DC转换器。
此系统包括多个功率模块，所述功率模块以预先给定的方式与负载接线，其中功率模块的每个包括至少一个开关元件和局部控制部。功率模块可不仅通过单独的开关元件或多个串联和/或并联接线的开关元件形成，而且功率模块可自身通过变换器代表。
功率电子系统进一步包括上级控制器以用于给出合适的控制信号以控制多个用于驱动负载的功率模块。负载可例如是驱动器等。
系统此外包括装置总线，在所述装置总线上连接了上级控制器和多个功率模块，且通过所述装置总线在系统运行中传输或可传输用于控制多个功率模块的控制信号。
上级控制器形成为通过装置总线以预先给定的时间间隔在各电报中将用于针对系统的开关状态控制多个功率模块的控制信号传输到多个功率模块。开关状态对于给定的时刻包括第一部分数量的切换为导通的功率模块和各开关模块的开关元件，以及第二部分数量的切换为阻断的功率模块和各开关模块的开关元件。对于功率电子系统的运行要求多个不同的开关状态，其中不同的开关状态的数量取决于功率电子系统的接线和待运行的负载的接线。对于三相负载和三相换流器，例如要求至少三个不同的开关状态。开关状态的数量此外取决于各功率模块内的开关元件的数量。
所有功率模块此外形成为扫描控制器的接收到的电报的第一通信沿，且将处理所述第一通信沿作为用于处理控制信号的系统的共同的时间基础。
如此形成的功率电子系统为同步功率模块不需要附加的通信导线。而是同步由通过装置总线传输的数据导出。特别地，可在最低位层面导出同步信号，以此不要求昂贵的总线协议。结果是可将通行的基于星形的通信的在同步方面的优点与网络的优点相结合。功率模块的同步在此可无附加成本(如计算时间或附加的硬件)来实现。所建议的功率电子系统特别地对于件数多的产品例如基于单元的变换器是有意义的。
根据另外的构造，上级控制器形成为以规则的时间间隔发出电报。这意味着电报以恒定的时长通过装置总线传输到连接到装置的功率模块。
另外的构造建议，由控制器以恒定的时长通过装置总线传输的电报具有相同的或替代地具有不同的长度。
在电报之间的间歇中，由功率模块发出的返回电报可通过装置总线传输到控制器。以此实现了在上级控制器和功率模块之间的双向通信。
功率模块根据另外的构造分别形成为在扫描控制器的各所接收到的电报的第一通信沿之后生成同步脉冲，且将此同步脉冲在各局部控制部中作为时间基础处理。因为连接到装置总线的功率模块同时接收从控制部发出的电报(或也略微带有最小的延迟)，所以功率模块可同时进行电报的第一通信沿的扫描。因此局部控制部产生了各同步脉冲，所述同步脉冲然后用作所有功率模块的共同的时间基础。以此，将功率模块很好地同步以用于执行其任务。
根据另外的构造，功率模块分别形成为将在一个时段内通过装置总线传输的电报内所包含的控制信号在扫描此时段之后的通信沿且确定其后的第二时段内的时间基础之后执行。以此保证包含在电报内的控制信号对于一定的开关状态被所有功率模块完全接收。通过仅在随后的时段内执行控制信号而在所述随后时段开始时又产生同步脉冲，对于所有功率模块形成了相同的时间基础。以此，可保证尽可能的同步性。
根据本发明的第二方面建议了特别是用于运行负载的变换器的功率电子系统、尤其是变换器的功率模块的同步方法。系统在此如上所述构造。在方法中通过装置总线以预先给定的时间间隔在各电报中将对于系统的开关状态的用于控制多个功率模块的控制信号传输到多个功率模块。扫描控制器的各接收到的电报的第一通信沿，且将所述第一通信沿作为用于处理控制信号的系统的共同的时间基础处理。
根据本发明的方法具有与上文中结合根据本发明的系统所描述的优点相同的优点。
根据合适的构造，电报以规则的时间间隔发出。以此，与电报的相同的或不同的长度无关地得到恒定的时长。
根据另外的构造，从控制器由装置总线传输的电报在恒定的时长上具有相同的或不同的长度。
方法的另外的构造建议，在电报之间的间歇内通过装置总线将从功率模块发出的返回电报传输到控制器。
方法的另外的构造建议，功率模块在扫描控制器的各接收到的电报的第一通信沿之后产生同步脉冲，且将所述同步脉冲在各局部控制部内作为时间基础处理。
在另外的构造中建议，将在一个时段内通过装置总线传输的电报内所包含的控制信号在扫描此时段之后的通信沿且确定其后的第二时段内的时间基础之后执行。
附图说明
本方面在下文中根据附图中的实施例详细解释。各图为：
图1是从现有技术中已知的功率电子系统的示意性图示；
图2是根据本发明的功率电子系统的示意性图示；和
图3是在图2的功率电子系统的装置总线上的通信的示意性图示。
在附图中，相同的元件提供以相同的附图标号。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的功率电子系统的部分的示意性图示。在图2中图示的功率电子系统1具有多个功率模块10,20,…,60。因为功率模块10,…,60的相互接线和与也未图示的负载的接线对于本发明具有次要意义，所以省去了相应的具体的阐述。
功率模块10,…,60的每个仅具有示例性的开关元件11,…,61以及局部控制部12,…,62。各局部控制部12,…,62连接到装置总线80且通过所述装置总线80接收对于所涉及的功率模块10,…,60所提供的控制信号以用于控制开关元件11,…,61。各局部控制部12,…,62可以以微控制器、PFGA(现场可编程门阵列)或ASIC(特定用途集成电路)的构造实现。
在装置总线80上进一步连接了结合图1已描述的中央控制器。中央控制器70包括计算单元77以用于产生用于功率模块10,…,60的控制信号。计算单元77可例如形成为微控制器、FPGA或ASIC。计算单元77与编码器78连接，通过所述编码器78将中央计算单元70连接到装置总线80上。编码器78从由计算单元77得到的开关状态的数据产生电报，在所述电报中包含用于控制多个功率模块10,…,60所要求的全部控制信号。控制信号包含用于各功率模块10,…,60或包含在其内的开关元件的阈值。由此产生的电报以预先给定的时间间隔优选地以恒定的时长T通过装置总线80传输到多个功率模块10,…,60上。
在以示意性图示示出了通过装置总线70实现的通信的图3中，典型地图示了三个在时间上相继地处在装置总线70上的电报200。每个时段220具有时长T。例如，通过装置总线80传输的电报200具有相同的长度，其中电报200的持续时间以附图标号222标记。从时长T和电报200的恒定的持续时间222的差异也得到了间歇210的恒定的持续时间224。虽然在图3中表现为电报200的传输的持续时间222和各时段220的间歇210的持续时间224大致等长，但这仅是典型的而非限制性的。
功率模块10,…,60或其各局部控制部12,…,62形成为扫描每个接收到的电报200的第一通信沿201。在扫描各接收到的电报的第一通信沿210之后通过每个功率模块10,…,60或每个局部控制部12,…,62生成同步脉冲，所述同步脉冲在各局部控制部中作为时间基础被处理。因为全部功率模块10,…,60在相同的时刻接收存在于装置总线80上的电报200，所以以第一通信沿201的扫描和同步脉冲的生成也同时进行，使得对于每个时长同步脉冲作为共同的时间基础使用。
从图3中容易地可见，通过功率模块10,…,60或其局部控制部12,…,62评估电报200的上升的通信沿。
在不具有分开的同步导线的功率电子系统内的缺少时间基础的问题根据本发明的建议通过利用通过装置总线80传输的数据流内的脉冲-间歇比来实现。同步脉冲的产生可例如通过各局部控制部的状态自动装置来承担。
各时段220的间歇224可在功率模块10,…,60的另外的构造中用于通过图中未图示的返回电报将信息传递到上级控制器70。为此合适的是欲将信息传输到上级控制器70的功率模块在接收到电报200之后尽可能快地应答。与此无关地，中央控制器70可仅在固定的预先给定的时间段T之后开始通信且发出另外的电报200。恒定的时间段T因此形成了连接到装置总线70上的部件即功率模块10,…,60的时间基础。
基于电报200的第一通信沿的扫描的同步脉冲生成相对于包含在局部控制部12,…,62内的状态自动装置独立地进行，所述状态制动装置承担了最优的另外的通信进行。如所描述承担了同步脉冲生成的状态自动装置通过从功率模块到中央控制器的在装置总线80上的可能的返回通信保持处在复位，且仅在识别到装置总线的不工作的状态时激活。为此，可实现例如复位定时器。这意味着在实现从功率模块到中央控制器70的通信的情况中，在返回电报和时段结束之间必须存在预先给定的长度的空隙(未图示)，以可识别随后接收的电报200的第一通信沿。
所建议的方式在其中以100MHz进行扫描的系统中实现了+-15ns的范围内的同时性，而不需要局部控制部的附加的硬件或控制部内的计算时间。

Claims (14)

1.一种用于运行负载(5)的特别是转换器的功率电子系统，包括：
-多个功率模块(10,…,60)，所述功率模块以预先给定的方式与负载(5)接线，其中功率模块(10,…,60)的每个包括至少一个开关元件(11,…,61)和局部控制部(12,…,62)；
-上级控制器(70)，用于给出合适的控制信号，以控制多个用于驱动负载(5)的功率模块(10,…,60)；
-装置总线(80)，在所述装置总线上连接了上级控制器(70)和多个功率模块(10,…,60)，且通过所述装置总线在系统(1)运行中传输或可传输用于控制多个功率模块(10,…,60)的控制信号，
-其中上级控制器(70)形成为通过装置总线(80)以预先给定的时间间隔(T)在各电报(200)中将用于针对系统(1)的开关状态控制多个功率模块(10,…,60)的控制信号传输到多个功率模块(10,…,60)，
-其中所有功率模块(10,…,60)形成为扫描控制器(70)的各接收到的电报(200)的第一通信沿(201)，且将控制器(70)的各接收到的电报(200)的第一通信沿(201)作为用于处理控制信号的系统(1)的共同的时间基础处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其中功率模块(10,…,60)是变换器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中功率模块(10,…,60)是单独的可控制的开关元件或是多个串联和/或并联接线的单开关元件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中控制器形成为以规则的时间间隔发出电报(200)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中从控制器(70)以恒定的时间段通过装置总线(80)传输的电报(200)具有相同的或不同的长度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中在电报(200)之间的间歇(210)中从功率模块(10,…,60)发出的返回电报可通过装置总线(80)传输到控制器(70)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中功率模块(10,…,60)分别形成为在扫描控制器(70)的各所接收到的电报(200)的第一通信沿(201)之后生成同步脉冲，且将此同步脉冲在各局部控制部中作为时间基础处理。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中功率模块(10,…,60)分别形成为将在第一时段内通过装置总线(80)传输的电报内所包含的控制信号在扫描此时段之后的通信沿且确定其后的第二时段内的时间基础之后执行。
9.一种用于驱动负载(5)的特别是变换器的功率电子系统(1)的功率模块(10,…,60)同步方法，其中系统(1)根据权利要求1至8中任一项构造，其中
-通过装置总线(80)以预先给定的时间间隔(T)在各电报(200)中将用于针对系统(1)的开关状态控制多个功率模块(10,…,60)的控制信号传输到多个功率模块(10,…,60)，
-扫描控制器(70)的各接收到的电报(200)的第一通信沿(201)，且将所述第一通信沿(201)作为用于处理控制信号的系统(1)的共同的时间基础处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其中电报(200)以规则的时间间隔发出。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中从控制器(70)通过装置总线(80)传输的电报(200)在恒定的时间段下具有相同的或不同的长度。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中在电报(200)之间的间歇(210)中从功率模块(10,…,60)发出的返回电报通过装置总线(80)传输到控制器(70)上。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中功率模块(10,…,60)在扫描控制器(70)的各所接收到的电报(200)的第一通信沿(201)之后生成同步脉冲，且将此同步脉冲在各局部控制部中作为时间基础处理。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中功率模块(10,…,60)将在第一时段内通过装置总线(80)传输的电报内所包含的控制信号在扫描此时段之后的通信沿且确定其后的第二时段内的时间基础之后执行。
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