使用两个串行信号控制和监视功率半导体装置的电力系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及使用两个串行信号控制和监视功率半导体装置的电力系统。电力系统（100）包含：功率半导体装置（14）；控制电路（110），其输出第一激发信号（112），每个第一激发信号用于对应的功率半导体装置，并且，输出第一致动响应信号（114），每个第一致动响应信号与对应的功率半导体装置相关联。第一接口电路（116）与控制电路协作，输入第一串行信号（118）并输出第一激发信号，输入第一致动响应信号并输出第二串行信号（120）。第二接口电路（122）与控制器协作，输入第二串行信号，向控制器输出与第一致动响应信号对应的第二致动响应信号（124），从控制器输入与第一激发信号对应的第二激发信号（126），并输出第一串行信号。控制器用第二激发信号对功率半导体装置进行控制，并用第二致动响应信号来监视功率半导体装置。

【技术实现步骤摘要】
使用两个串行信号控制和监视功率半导体装置的电力系统
所公开的构思一般涉及使用半导体装置的系统，特别涉及例如对功率半导体装置进行控制或监视的电力系统等的系统。
技术介绍
感应电动机驱动器，也称为交流（AC）驱动器，用于控制多相感应电动机的速度和转矩，多相感应电动机已经长期成为工业的重负荷机器。AC驱动器能分为两类：低电压和中电压。低电压AC驱动器被广泛使用，并覆盖0VAC到大约600VAC的范围。低电压AC驱动器由世界范围内最多五百家公司制造。中电压AC驱动器覆盖了超过大约660VAC且直到大约15000VAC的输入线电压。仅大约几家已知的公司设计和生产中电压AC驱动器。高电压AC驱动器覆盖了大约15000VAC以及更高的电压，但相比于低电压和中电压AC驱动器来说非常罕见。近来，自动工业和提供低输出电压谐波的某些其他的特定应用正在考虑对于低电压电动机使用多电平逆变器桥。直到近来，功率半导体开关的额定值最大为1700V，这已经允许低电压三相AC驱动器使用六开关逆变器桥。如今，现有技术的半导体开关的额定值为2500V、3300V、4500V、6500V，并能用在具有直到2000VAC输入的两电平六开关逆变器桥中。超过2000VAC，逆变器桥使用串联连接的较多数量的功率半导体开关。用于直到4000V的三相中电压感应电动机的最为普遍的逆变器拓扑为三电平十二开关逆变器桥。逆变器桥中的电平数量限定了逆变器桥为了在其输出上获得特定电压等级而使用的直流（DC）电压梯级的数量。由于功率半导体开关具有有限的电压容量，逆变器桥的总DC母线电压被分为数个电压梯级，使得各个电压梯级能由一个功率开关处理。在传统的两电平AC驱动器中，三相AC电力在经过视情况可选的输入线路电抗器后由整流器和电容器整流，以形成两电平DC母线。依赖于设计方法，DC母线上的输入谐波可被DC电抗器进一步减小。两电平DC母线电压被施加在六开关逆变器桥上，六开关逆变器桥产生两电平PWM电压输出。六个开关被分为三个支路，每个支路具有两个开关。控制器经由各个开关的控制端子对各个开关进行控制。三相电动机具有从支路的两个开关之间的中点得出的相连接，三个支路产生三相，其共同驱动电动机。DC母线的两个电平构成正母线和负母线。各个支路的上开关连接到正母线，各个支路的下开关连系到负母线。支路中的两个开关串联，因此不能同时开通而不导致短路。为了防止短路，控制器将开关延迟时间考虑在内。上开关需要在下开关开通之前关断，反之亦然。各个开关必须能够处理正负母线之间的完整电压。相比于两电平驱动器，在三电平AC驱动器中，DC母线具有三个电压等级（相应地标为正、中性和负），逆变器桥具有十二个开关。开关分为三个同样的支路，每个支路连接到三相电动机的一相。因此，各个支路具有串联的四个开关，到电动机的各个连接源于中点。三电平逆变器桥的缺点在于，尽管两电平逆变器桥仅仅需要六个半导体功率开关，三电平逆变器桥需要十二个开关，由此增大了成本。随着使用附加的电平，这些成本继续增大。例如，四电平逆变器桥需要十八个开关，五电平逆变器桥需要二十四个开关。随着逆变器桥中的电平和开关数量增大，导致进一步增大成本，控制开关的复杂性也增大。驱动开关的信号需要被仔细地定时，否则，开关可能被损坏或摧毁。这种复杂性增大了用于多电平逆变器桥的控制器的成本。已知的多电平电压源逆变器使用两根电缆，用于致动各个功率半导体装置（例如但不限于IGBT）。例如，这些电缆可以是铜的，但典型地为光缆，以便获得噪音免疫力和隔离。一根电缆用于致动/激发（fire）半导体装置的信号，另一根电缆用于接收致动响应信号。随着电平和装置数量的增大，导线或光纤的数量也增大。这一问题在多个逆变器桥用于并联逆变器、用于冗余逆变器以及在使用多个逆变器的其它情况下变得更糟。在典型的三电平驱动器中，二十四根光缆用于控制和监视各个逆变器桥。当使用两个逆变器桥时，光缆的数量翻倍。另外，这些光缆不能传输除了用于逆变器桥的致动响应信号和激发脉冲以外的任何数据。图1示出了一种逆变器控制和监视系统2，其包括具有控制器模块5的控制器4以及逆变器6，例如三电平逆变器桥。逆变器6由整流器/电容器DC母线8供电，并向三相电动机10供电。逆变器6包含IGBT组件12，其在此实例中包括十二个功率半导体装置，例如IGBT14。三个示例性温度传感器，例如示例性的RTD16，对用于三个输出相的IGBT14的温度进行监视。尽管公开了RTD，它们可以为其它合适的温度传感器，例如热电偶，或者为其它合适的传感装置，不必与温度有关。两个隔离的电压传感器18监视DC母线8的电压。三个电流传感器，例如霍尔电流传感器20，监视在逆变器6和电动机10之间流动的三相电流。来自三个RTD16的检测到的温度通过三个或多于三个的电缆连接22被传输到控制器4。来自电压传感器18的检测到的电压通过两个电缆连接24被传输到控制器4，来自三个霍尔电流传感器20的检测到的电流通过三个电缆连接26被传输到控制器4。从控制器4到IGBT组件12的十二个控制信号使用十二根光缆28来传输，从IGBT组件12到控制器4的十二个监视信号使用十二根光缆30来传输。照此，在控制器4和逆变器6之间存在32个不同的连接。尽管讨论了三电平逆变器，半导体装置14可被配置为，例如但不限于，两电平逆变器或具有四个以上电平的逆变器。功率半导体装置14可以为，例如但不限于，复数个IGBT、复数个晶体管或其他合适的功率半导体电子部件。对功率半导体装置进行控制和监视的系统存在改进的空间。
技术实现思路
这些以及其他需求通过所公开构思的实施例来满足，通过在一个连接上合并多个激发信号，以及在一个连接上合并多个致动响应信号，其显著减少了控制器和控制电路之间的连接（例如但不限于，铜和/或光缆，或电缆）的数量。这使得，例如但不限于，三电平逆变器桥能够使用仅仅两个连接，一个用于发送，一个用于接收。因此，在一个实施例中，各个附加逆变器桥可仅仅使用两个连接。另外，其他的数据能被加入，用于附加的控制、监视和/或配置信息，而不需要附加的连接。激发信号可在控制器上串行化（serialized），并在一个连接上在串行数据流中发出。串行数据流可在控制电路上接收、解串行化，并发送到各个个体功率半导体装置。额外的数据可视情况可选地在控制器或在控制电路上插入在串行数据流中、提取以及处理。根据所公开构思的一个实施形态，电力系统包含：复数个功率半导体装置；控制电路，其被结构化为输出复数个第一激发信号，每个第一激发信号用于功率半导体装置的对应一个，并且，被结构化为输出复数个第一致动响应信号，每个第一致动响应信号与功率半导体装置的对应一个相关联；与控制电路协作的第一接口电路，其输入第一串行信号并输出第一激发信号，并且，输入第一致动响应信号并输出第二串行信号；控制器；与控制器协作的第二接口电路，其输入第二串行信号，向控制器输出与第一致动响应信号对应的复数个第二致动响应信号，从控制器输入与第一激发信号对应的复数个第二激发信号，并输出第一串行信号，其中，控制器被结构化为用第二激发信号对功率半导体装置进行控制，且其中，控制器被进一步结构化为用第二致动响应信号来监视功率半导体装置。第一接口电路可包含：串行解码器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力系统（100），包含：复数个功率半导体装置（14）；控制电路（110），其被结构化为输出复数个第一激发信号（112），每个所述第一激发信号用于所述功率半导体装置的对应一个，并且，被结构化为输出复数个第一致动响应信号（114），每个所述第一致动响应信号与所述功率半导体装置的对应一个相关联；与所述控制电路协作的第一接口电路（116），其输入第一串行信号（118）并输出所述第一激发信号，并且，输入所述第一致动响应信号并输出第二串行信号（120）；控制器（104）；以及与所述控制器协作的第二接口电路（122），其输入所述第二串行信号，向所述控制器输出与所述第一致动响应信号对应的复数个第二致动响应信号（124），从所述控制器输入与所述第一激发信号对应的复数个第二激发信号（126），并输出所述第一串行信号，其中，所述控制器被结构化为用所述第二激发信号对所述功率半导体装置进行控制，且其中，所述控制器被进一步结构化为用所述第二致动响应信号来监视所述功率半导体装置。

【技术特征摘要】
2011.11.18 US 13/299,5331.一种电力系统(100)，包含：复数个功率半导体装置(14)；控制电路(110)，其被结构化为输出复数个第一激发信号(112)，每个所述第一激发信号用于所述功率半导体装置的对应一个，并且，被结构化为输出复数个第一致动响应信号(114)，每个所述第一致动响应信号与所述功率半导体装置的对应一个相关联；与所述控制电路协作的第一接口电路(116)，其输入第一串行信号(118)并输出所述第一激发信号，并且，输入所述第一致动响应信号并输出第二串行信号(120)；控制器(104)；以及与所述控制器协作的第二接口电路(122)，其输入所述第二串行信号，向所述控制器输出与所述第一致动响应信号对应的复数个第二致动响应信号(124)，从所述控制器输入与所述第一激发信号对应的复数个第二激发信号(126)，并输出所述第一串行信号，其中，所述控制器被结构化为用所述第二激发信号对所述功率半导体装置进行控制，且其中，所述控制器被进一步结构化为用所述第二致动响应信号来监视所述功率半导体装置。2.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，所述第一接口电路包含：串行解码器(432)，其被结构化为输入所述第一串行信号并输出所述第一激发信号；串行编码器(434)，其输入所述第一致动响应信号并输出所述第二串行信号；且其中，所述第二接口电路包含：串行解码器(436)，其被结构化为输入所述第二串行信号并输出所述第二致动响应信号；串行编码器(438)，其输入所述第二激发信号并输出所述第一串行信号。3.根据权利要求1的电力系统(100)，其中，各个所述功率半导体装置(14)为包含集电极到发射极结的IGBT；其中，所述控制电路包含输入所述第一致动响应信号的电路(406，403)；且其中，所述第一致动响应信号中的一个在所述功率半导体装置中对应一个的IGBT集电极到发射极结上的电压小于预定值时有效。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：G·J·芬豪斯，K·W·鲍洛格，
申请(专利权)人：伊顿公司，
类型：发明
国别省市：