容错功率半导体开关设备控制系统技术方案

本发明专利技术描述了容错功率半导体开关设备控制系统(100)，该控制系统包括：协调控制系统(110)；以及多个开关设备控制器(120)，每一个开关设备控制器耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备(130)；其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；以及其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】容错功率半导体开关设备控制系统
本专利技术涉及用于控制功率半导体开关设备的容错系统和方法。
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I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IKV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M0SFETS (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，提供了一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括: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耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备；其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；以及其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关。 上述的控制系统的实施方式便于在关键数据容易被毁坏的噪声环境中控制多于 10、100或1000个功率半导体开关设备。理论上，开关控制数据可以在避免电噪声开关间隔的时间被发送，但是在大系统中是很难达到的，并且相反的，使用“前后紧接”方法，其中在开关阶段之后进一步开关依赖于确认数据的内容，被发现是更好控制的。这提供了在不是所有设备同步开关的大型系统中有效的有源控制。此外，如下文所述，在一些优选实施方式中，确认数据包括故障检测数据。 在系统的一些优选实施方式中，开关设备控制器被布置为监控开关设备控制器控制的功率半导体开关设备的开关，并且响应于生成指示了何时(潜在的)故障存在的故障检测数据。该故障检测数据可以从各种源中推倒出来，其中该源包括但不仅限于以下一者或多者:测得的电流、测得的电压、测得的电流改变率、测得的电压改变率、及在开关设备的全关闭状态、饱和开启状态和中间状态的一个或多个状态下的电压和/或电流。协调控制系统读取并处理故障检测数据，并且如果故障被识别到，做出故障处理决定。广义地来说，这可以是是否将一个或一组开关设备从一个当前状态转移至下一个状态的决定和/或关闭开关设备组或网络的部分或全部的决定和/或反退至较早的开关状态的决定和/或检测故障监测数据本身是否处于错误的决定。 在处于噪声环境的巨大的开关控制系统中，在故障检测数据比特中的错误可能是相对普遍的。因此对故障检测数据动作之前的一个优选的预备步骤是重新请求故障检测数据，尤其是包括故障检测数据的确认数据。在一些优选系统架构中，这可以包括针对开关设备控制器的树或组重新请求确认数据的协调控制系统:在一个优选架构中，中央控制器通过一个或多个共享总线与一个或多个子控制器通信，并且子控制器与其通过专用连接附着至的一组设备控制器通信。在这种布置中，开关控制信号可以源于中央控制器并且被一个或多个子控制器广播至连接至子控制器的每个设备控制器。 在实施方式中，使用半双工协议在系统的组件之间发送数据，在每个(串行或并行)数据总线上发送一个或多个数据分组。(在实施方式中，分组是实时的，被标有标记来指示其可以优先于其他非实时数据分组)。在这种类型的架构中，故障检测数据可以由中央控制器来重新请求，为所有耦合至特定子控制器的设备重新请求确认数据(在该情况下，子控制器可以仅将该请求广播至开关设备控制器)，或者中央控制器可以为整个树重新请求确认数据。在实施方式中，确认数据在子控制器被合并，并且潜在地，子控制器可以保持开关设备控制器已经在故障检测数据中标记了故障的记录。然而，优选的是，当潜在故障被检测到时，保持子控制器相对简单并且允许中央控制器控制并同步开关和重新请求数据。 在系统的一些优选实施方式中，开关设备控制器能够控制对应的功率半导体开关设备进入包括在饱和开启状态和全关闭状态之间的至少一个中间状态的状态。例如，这种中间状态可以包括预备状态，在预备状态中设备流过低电流(在全关闭和饱和开启之间的中间状态)来在串联连接串中平衡设备电压；和/或低电压状态(在全关闭和饱和开启电压之间的中间状态)来平衡并联连接设备中的电流。在实施方式中有多个这种中间状态。 以这种方式实施中间状态有助于实现容错架构，这是由于当故障被检测到时，开关设备或开关设备组可以被控制至安全状态，该安全状态可以是先前的中间或起始状态，或不是正常切换周期的一部分的单独状态。由于一个功率半导体开关设备的故障可能经常引起一个或多个其它设备的故障，这可以有助于限制附带损坏。通过将设备控制回至先前的“良好”状态或一些其它安全状态，故障可以被控制并且采取矫正动作。 在实施方式中，设备在中间状态基本上是稳定的——该状态可以持续长于0.5ms、lms、2ms或5ms(在该上下文中是相对长的持续时间)。这提供了调查故障的时间(如果需要的话)和/或采取进一步动作。例如协调控制系统可以向一个或多个开关设备控制器发送一个或广播询问信号，请求与开关设备或开关设备组有关的测量数据。在实施方式中，该数据非实时地从开关设备控制器被发送回，其中非实时的方式具有低于实时开关控制数据/数据分组的优先级。在实施方式中，协调控制系统向系统的子树中的所有设备广播请求，虽然可选择地，故障设备的特定地址被包含在广播分组的地址中。被返回的测量数据可以仅以示例的方式包括:电流或电压数据；电流或电压数据的改变率；温度数据；或其他任何需要的/相关的数据。结果可以被协调控制系统采用来确定采取什么动作，在该情况中可以包括一个或多个降低一些或所有设备的温度的动作，以及(例如通过(半)永久地关闭电路的另一部分)降低或转移来自开关设备的一些或全部的电压的动作。通过基于上述的树的架构，识别潜在故障设备(例如被连接至子控制器的特定端口的一个或多个设备)的小列表并且接着采取适合的动作是相对直接的。 对于进一步的容错，在一些优选实施方式中，协调控制系统，尤其是中央控制器(该系统包括耦合至多个子控制器的中央控制器)，具有两个用于与开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括：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耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备；其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据；其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；以及其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.23 GB 1122279.11.一种容错功率半导体开关设备控制系统，该控制系统包括: 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耦合至所述协调控制系统，并且每一个开关设备控制器被配置为控制各自的功率半导体开关设备； 其中所述协调控制系统被配置为向所述开关设备控制器发送实时开关控制数据以控制所述功率半导体开关设备的开关，以及从所述开关设备控制器接收实时确认数据； 其中所述开关设备控制器被配置为从所述协调控制系统接收所述实时开关控制数据，以响应于所述实时开关控制数据控制所述功率半导体开关设备，并且被配置为向所述协调控制系统提供证实所述开关设备控制的实时确认数据；以及 其中所述协调控制系统还被配置为响应于所述实时确认数据控制所述功率半导体开关设备的进一步开关。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述确认数据包括故障检测数据，并且其中所述开关设备控制器被配置为监控所述功率半导体开关设备的开关及响应于所述监控生成所述故障检测数据，其中所述故障检测数据指示了在所述功率半导体开关设备的所述开关时是否存在故障；以及 其中所述协调控制系统被配置为处理所述故障检测数据以识别所述故障何时存在并且做出故障处理决定以作为响应。3.根据权利要求2所 述的控制系统，其中所述故障处理决定包括重新请求所述确认数据的决定。4.根据权利要求2或3所述的控制系统，其中所述决定包括控制存在所述故障的所述功率半导体设备到安全开关状态的决定，并且其中所述协调控制系统被配置为向所述功率半导体开关设备发送对应的实时开关控制数据。5.根据权利要求2、3或4所述的控制系统，其中所述决定包括调查所述故障的决定； 其中所述协调控制系统被配置为向存在所述故障的所述功率半导体开关设备发送询问信号；以及 其中响应于请求所述询问信号，所述开关设备控制器被配置为将关于所述功率半导体开关设备的测量数据发送回至所述协调控制系统。6.根据前面任一权利要求所述的控制系统，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，其中所述一个或多个子控制器通过共享总线被耦合至所述中央控制器，并且其中所述子控制器通过专用总线被耦合至所述开关设备控制器。7.根据前面任一权利要求所述的控制系统，其中所述开关设备控制器通过两个独立的信道被耦合至所述协调控制系统，其中所述协调控制系统被配置为在所述两个独立的信道上向所述开关设备控制器发送所述实时开关控制数据，并且其中所述开关设备控制器被配置为在控制开关所述功率半导体开关设备之前，比较通过所述两个独立信道接收到的所述实时开关控制数据。8.根据权利要求2-7中任意一项权利要求所述的控制系统，当根据权利要求2时，其中所述协调控制系统被配置为合并来自所述多个开关设备控制器的所述故障检测数据来识别所述故障是否存在。9.根据权利要求8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