开关控制系统技术方案

本发明专利技术描述了用于控制巨大数量的功率半导体开关设备同步开关的系统。该设备是高功率设备，例如承载几百安培和/或几千伏特级别的电压。简要地说，系统包括与多个开关设备控制器通信的协调控制系统，以控制设备进入包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态的多个状态，使设备在开关过程中的至少一个中间状态中同步。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】开关控制系统
本专利技术涉及用于控制功率半导体开关设备的系统和方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导体开关设备控制系统，该系统包括：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被耦合至所述协调控制系统；其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率开关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态；其中所述协调控制系统被配置为通过控制所述开关设备控制器控制所述开关设备进行同步开关；以及其中所述协调控制系统还被配置为：控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态；将所述功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步开关所述设备；以及接下来控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从所述中间状态进入包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。这种控制系统的实施方式允许了多于10、100或1000个功率半导体开关设备的开关被快速地执行，并且是以控制、同步的方式。因此广义地说，在控制系统的实施方式中，每个设备的导电状态在离散步骤中被控制，从而设备的导电状态前后紧接着发生改变。如同同步进行开关，这也有助于保证电流/电压载荷在设备之间共享，而不是例如在串联串中的设备中的一者承受串两端的全部电压。这种技术可以被任意功率半导体开关设备采用，但是当功率半导体开关设备包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)时是特别有优势的。在系统的优选实施方式中，设备被控制在多个中间状态之间，该多个中间状态可以包括，尤其是设备被维持在低电流平稳的状态。这种低电流平稳可以例如包括级别为0.1-1安培的电流，在近似零(漏)关闭电流和可以是级别为100安培的开启电流之间的中间。可以被替换地或者附加地采用的第二中间状态是激活的低电压平稳状态，在该激活的低电压平稳状态中设备两端的电压维持在设备的全关闭电压和饱和开启电压之间的中间值，例如级别为10-100V的电压，其中饱和开启电压可以小于3伏特并且关闭电压级别为1KV。低电压平稳被采用以保证并联连接的设备都是激活的，并且低电压平稳被采用以保证串联连接的设备都是激活的。当设备是激活的时，这些设备可以迅速响应来在栅极充电中进行改变，并且这对于同步开关是必要的。在随后描述的实施方式中可以有设备的多至六个的不同状态。在优选实施方式中，协调控制系统向至少将要进行开关的功率半导体开关设备的开关设备控制器发送控制信号，并且接下来在发送进一步的控制信号以将相关设备进行至下一个(中间或最终)状态之前，等待直到确认每个设备处于被请求的状态的确认信号已经被接收到。这种对开关设备的激活控制的形式具有特别的鲁棒性的。在实施方式中，控制和/或确认/确认信号可以包括在分组数据通信网络上被发送的数据分组。在这种情况中，控制信号可以包括广播分组，该广播分组包括用于选择一组开关设备的组地址字段，来与定义了下一个目标状态的开关状态字段一起控制。在系统的实施方式中，这些数据分组包括实时数据分组；即，被标记来作为“实时”被处理，并且被给予在可以在网络上被发送的其它数据分组之上的优先级。在优选的系统架构中，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，并且每个子控制器被耦合至一组设备控制器(例如10个或更多设备控制器)。在该架构中，中央控制器可以通过一个或多个共享总线被耦合至子控制器，但是优选地，每个子控制器具有至其控制的每个开关设备控制器的单独的总线连接。在实施方式中，每个开关设备控制器控制一个或多个功率半导体开关设备。这种通用类型的架构便于开关控制信息的快速广播，但是也便于在子控制器和其耦合至的开关设备控制器之间的消息的快速处理。尤其是，用于开关设备控制器的专用总线促进了来自开关设备控制器的确认/确认信号的结合，从而可以容易地确定何时所有达到下一个目标状态和/或是否故障被标记。本专利技术还分别提供了根据本专利技术的方面和/实施方式的开关设备控制器和协调控制系统。因此在本专利技术的相关方面中提供了一种用于控制多个开关设备控制器的协调控制系统，每个所述开关设备控制器被耦合至协调控制系统，用于同步开关多个功率半导体开关设备，其中每个所述开关设备控制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率半导体开关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态，所述协调系统控制系统包括：通过控制所述开关设备控制器控制所述开关设备进行同步开关的系统；其中控制所述功率半导体开关设备的所述系统被配置为：控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态；将所述功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步所述设备的开关；以及接下来控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开挂设备从所述中间状态进入包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。本领域技术人员可以理解的是，这种类型的协调控制系统可以在硬件或软件(被提供在诸如磁盘的物理载体上)或二者的结合上被实施，例如运行在数字信号或其它处理器上，或在二者的结合上。此外，用于实施本专利技术的方面/实施方式的代码可以包括用于硬件描述语言的代码。本领域技术人员还可以理解的是，在实施方式中，协调控制系统可以被分布在多个彼此通信的多个耦合的组件之间。本专利技术还提供了一种控制多个功率半导体开关设备的开关的方法，该方法开始于每个设备处于包括饱和开启状态和全关闭状态中的一者的初始状态，该方法包括：控制所述功率半导体开关设备从所述初始状态转变至在所述饱和开启状态和所述全关闭状态之间的一个或多个中间状态；将所述功率半导体设备保持在所述一个或多个中间状态以将所述设备对准于所述一个或多个中间状态中；以及接下来控制所述功率半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导体开关设备控制系统，该系统包括：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被耦合至所述协调控制系统；其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率半导体开关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态；其中所述协调控制系统被配置为通过控制所述开关设备控制器来控制所述开关设备同步开关；以及其中所述协调控制系统还被配置为：控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述中间状态；将所述功率半导体开关设备维持在所述中间状态以同步开关所述设备；以及接下来控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备从所述中间状态进入包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.23 GB 1122285.81.一种用于控制多个功率半导体开关设备同步开关的功率半导体开关设备控制系统，该系统包括：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被耦合至所述协调控制系统；其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制一个或多个各自的所述功率半导体开关设备进入多个状态，该多个状态包括全关闭状态、饱和开启状态以及在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的至少一个中间状态；其中所述协调控制系统被配置为通过控制所述开关设备控制器来控制所述开关设备同步开关；以及其中所述协调控制系统还被配置为：向所述开关设备控制器发出控制信号来控制所述功率半导体开关设备从包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的一者的初始状态进入所述至少一个中间状态中的一个中间状态；从所述开关设备控制器接收已经达到所述一个中间状态的确认信号；将所述功率半导体开关设备维持在所述一个中间状态，直到所述开关设备控制器中的每一者已经确认已经达到所述一个中间状态，以同步所述设备的开关；以及接下来向所述开关设备控制器发出另外的控制信号来控制所述功率半导体开关设备从所述一个中间状态进入包括所述全关闭状态和所述饱和开启状态中的另一者的最终状态。2.根据权利要求1所述的功率半导体开关设备控制系统，其中每一个所述开关设备控制器被配置为控制所述一个或多个各自的所述功率半导体开关设备进入在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间的多个中间状态；以及其中所述协调控制系统还被配置为控制所述开关设备控制器来控制所述功率半导体开关设备在所述全关闭状态和所述饱和开启状态之间切换时进入所述多个中间状态中的每一个状态，并且在转变至下一个所述中间状态之前将所述功率半导体开关设备维持在所述多个中间状态中的每一个状态，以同步开关所述设备。3.根据权利要求1或2所述的功率半导体开关设备控制系统，其中所述中间状态包括预备开启状态，其中在所述预备开启状态中，所述功率半导体开关设备具有在全关闭电流和饱和开启电流之间的中间电流。4.根据权利要求1或2所述的功率半导体开关设备控制系统，其中所述中间状态包括激活的低电压状态，其中在所述激活的低电压状态中，所述功率半导体开关设备支持在全关闭电压和饱和开启电压之间的中间电压。5.根据权利要求1或2所述的功率半导体开关设备控制系统，其中所述协调控制系统和每一所述开关设备控制器包括用于在所述协调控制系统和所述开关设备控制器之间的数据通信的各自的数据通信接口。6.根据权利要求5所述的功率半导体开关设备控制系统，其中所述数据通信接口包括分组数据通信接口。7.根据权利要求6所述的功率半导体开关设备控制系统，其中所述控制信号和所述确认信号包括实时分组数据传输信号。8.根据权利要求1或2所述的功率半导体开关设备控制系统，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，其中所述中央控制器和所述一个或多个子控制器通过共享总线进行通信，其中每个所述开关设备控制器具有至所述子控制器的专用连接，以及其中所述中央控制器被配置为通过所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·斯努克，E·谢尔顿，S·帕克，M·威特，
申请(专利权)人：阿曼提斯有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB