開關(guān)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了用于控制巨大數(shù)量的功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備同步開關(guān)的系統(tǒng)。該設(shè)備是高功率設(shè)備，例如承載幾百安培和/或幾千伏特級別的電壓。簡要地說，系統(tǒng)包括與多個開關(guān)設(shè)備控制器通信的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以控制設(shè)備進入包括全關(guān)閉狀態(tài)、飽和開啟狀態(tài)以及在所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)之間的至少一個中間狀態(tài)的多個狀態(tài)，使設(shè)備在開關(guān)過程中的至少一個中間狀態(tài)中同步。
【專利說明】開關(guān)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我們所關(guān)心的功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備典型地具有大于1安培的載流能力和大于100 伏特的可操作電壓。我們所關(guān)心的設(shè)備的實施例能夠承載大于10安培、50安培或100安培 的電流和/或能夠維持大于500伏特或1KV的設(shè)備兩端的壓差。
[0003] 該設(shè)備的示例包括絕緣柵雙極晶體管（IGBT)，以及諸如M0SFETS (垂直或橫向）和 JFET的FET，以及諸如LILET (橫向反轉(zhuǎn)層發(fā)射極三極管）、SCR等的可能設(shè)備。我們描述 的技術(shù)不限于任何特定類型的設(shè)備結(jié)構(gòu)，并且因此功率開關(guān)設(shè)備可以例如為垂直或橫向設(shè) 備；其可以在包括但不僅限于硅和碳化硅的技術(shù)范圍內(nèi)被制造。
[0004] 該類型的開關(guān)設(shè)備具有包括在高電壓傳輸線（尤其是可以例如運載來自離岸風 設(shè)施的功率的該類型的直流傳輸線）中開關(guān)以及在用于諸如機車發(fā)動機的發(fā)動機等的中 等電壓（例如大于1KV)中開關(guān)的應(yīng)用。
[0005] 在該類型的應(yīng)用中，典型地幾十或幾百個設(shè)備可以被串聯(lián)和/或并聯(lián)地連接從而 以期望的電壓/電流進行操作。對該設(shè)備的開關(guān)的控制存在特別的問題，由于電環(huán)境相對 地嘈雜并且由于被開關(guān)的電壓/電流大，導(dǎo)致了設(shè)備故障的重大風險。此外，當在該系統(tǒng)中 的一個設(shè)備失效（fail)，系統(tǒng)中的其它開關(guān)設(shè)備可能很容易會因而失效。
[0006] 我們將描述致力于這些和其它問題的技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于控制多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備同步開關(guān)的功率半導(dǎo) 體開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；以及多個開關(guān)設(shè)備控制器，每一個開關(guān) 設(shè)備控制器被耦合至所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；其中每一個所述開關(guān)設(shè)備控制器被配置為控制一 個或多個各自的所述功率開關(guān)設(shè)備進入多個狀態(tài)，該多個狀態(tài)包括全關(guān)閉狀態(tài)、飽和開啟 狀態(tài)以及在所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)之間的至少一個中間狀態(tài)；其中所述協(xié)調(diào) 控制系統(tǒng)被配置為通過控制所述開關(guān)設(shè)備控制器控制所述開關(guān)設(shè)備進行同步開關(guān)；以及其 中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還被配置為：控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè) 備從包括所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)進入所述中間狀態(tài)；將 所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備維持在所述中間狀態(tài)以同步開關(guān)所述設(shè)備；以及接下來控制所述 開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述中間狀態(tài)進入包括所述全關(guān)閉狀 態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)中的另一者的最終狀態(tài)。
[0008] 這種控制系統(tǒng)的實施方式允許了多于10、100或1000個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的開 關(guān)被快速地執(zhí)行，并且是以控制、同步的方式。因此廣義地說，在控制系統(tǒng)的實施方式中，每 個設(shè)備的導(dǎo)電狀態(tài)在離散步驟中被控制，從而設(shè)備的導(dǎo)電狀態(tài)前后緊接著發(fā)生改變。如同 同步進行開關(guān)，這也有助于保證電流/電壓載荷在設(shè)備之間共享，而不是例如在串聯(lián)串中 的設(shè)備中的一者承受串兩端的全部電壓。這種技術(shù)可以被任意功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備采用， 但是當功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備包括IGBT (絕緣柵雙極晶體管）時是特別有優(yōu)勢的。
[0009] 在系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式中，設(shè)備被控制在多個中間狀態(tài)之間，該多個中間狀態(tài)可 以包括，尤其是設(shè)備被維持在低電流平穩(wěn)的狀態(tài)。這種低電流平穩(wěn)可以例如包括級別為 〇. 1-1安培的電流，在近似零（漏）關(guān)閉電流和可以是級別為100安培的開啟電流之間的 中間?？梢员惶鎿Q地或者附加地采用的第二中間狀態(tài)是激活的低電壓平穩(wěn)狀態(tài)，在該激活 的低電壓平穩(wěn)狀態(tài)中設(shè)備兩端的電壓維持在設(shè)備的全關(guān)閉電壓和飽和開啟電壓之間的中 間值，例如級別為10-100V的電壓，其中飽和開啟電壓可以小于3伏特并且關(guān)閉電壓級別為 1KV。低電壓平穩(wěn)被采用以保證并聯(lián)連接的設(shè)備都是激活的，并且低電壓平穩(wěn)被采用以保證 串聯(lián)連接的設(shè)備都是激活的。當設(shè)備是激活的時，這些設(shè)備可以迅速響應(yīng)來在柵極充電中 進行改變，并且這對于同步開關(guān)是必要的。在隨后描述的實施方式中可以有設(shè)備的多至六 個的不同狀態(tài)。
[0010] 在優(yōu)選實施方式中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)向至少將要進行開關(guān)的功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的 開關(guān)設(shè)備控制器發(fā)送控制信號，并且接下來在發(fā)送進一步的控制信號以將相關(guān)設(shè)備進行至 下一個（中間或最終）狀態(tài)之前，等待直到確認每個設(shè)備處于被請求的狀態(tài)的確認信號已 經(jīng)被接收到。這種對開關(guān)設(shè)備的激活控制的形式具有特別的魯棒性的。在實施方式中，控 制和/或確認/確認信號可以包括在分組數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)上被發(fā)送的數(shù)據(jù)分組。在這種情況 中，控制信號可以包括廣播分組，該廣播分組包括用于選擇一組開關(guān)設(shè)備的組地址字段，來 與定義了下一個目標狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)字段一起控制。在系統(tǒng)的實施方式中，這些數(shù)據(jù)分組 包括實時數(shù)據(jù)分組；即，被標記來作為"實時"被處理，并且被給予在可以在網(wǎng)絡(luò)上被發(fā)送的 其它數(shù)據(jù)分組之上的優(yōu)先級。
[0011] 在優(yōu)選的系統(tǒng)架構(gòu)中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括被耦合至一個或多個子控制器的中央控 制器，并且每個子控制器被耦合至一組設(shè)備控制器（例如10個或更多設(shè)備控制器）。在該 架構(gòu)中，中央控制器可以通過一個或多個共享總線被耦合至子控制器，但是優(yōu)選地，每個子 控制器具有至其控制的每個開關(guān)設(shè)備控制器的單獨的總線連接。在實施方式中，每個開關(guān) 設(shè)備控制器控制一個或多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備。這種通用類型的架構(gòu)便于開關(guān)控制信 息的快速廣播，但是也便于在子控制器和其耦合至的開關(guān)設(shè)備控制器之間的消息的快速處 理。尤其是，用于開關(guān)設(shè)備控制器的專用總線促進了來自開關(guān)設(shè)備控制器的確認/確認信 號的結(jié)合，從而可以容易地確定何時所有達到下一個目標狀態(tài)和/或是否故障被標記。
[0012] 本發(fā)明還分別提供了根據(jù)本發(fā)明的方面和/實施方式的開關(guān)設(shè)備控制器和協(xié)調(diào) 控制系統(tǒng)。
[0013] 因此在本發(fā)明的相關(guān)方面中提供了一種用于控制多個開關(guān)設(shè)備控制器的協(xié)調(diào)控 制系統(tǒng)，每個所述開關(guān)設(shè)備控制器被耦合至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，用于同步開關(guān)多個功率半導(dǎo)體 開關(guān)設(shè)備，其中每個所述開關(guān)設(shè)備控制器被配置為控制一個或多個各自的所述功率半導(dǎo)體 開關(guān)設(shè)備進入多個狀態(tài)，該多個狀態(tài)包括全關(guān)閉狀態(tài)、飽和開啟狀態(tài)以及在所述全關(guān)閉狀 態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)之間的至少一個中間狀態(tài)，所述協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括：通過控制 所述開關(guān)設(shè)備控制器控制所述開關(guān)設(shè)備進行同步開關(guān)的系統(tǒng)；其中控制所述功率半導(dǎo)體開 關(guān)設(shè)備的所述系統(tǒng)被配置為：控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從 包括所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)進入所述中間狀態(tài)；將所述 功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備維持在所述中間狀態(tài)以同步所述設(shè)備的開關(guān)；以及接下來控制所述開 關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開掛設(shè)備從所述中間狀態(tài)進入包括所述全關(guān)閉狀態(tài) 和所述飽和開啟狀態(tài)中的另一者的最終狀態(tài)。
[0014] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，這種類型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以在硬件或軟件（被 提供在諸如磁盤的物理載體上）或二者的結(jié)合上被實施，例如運行在數(shù)字信號或其它處理 器上，或在二者的結(jié)合上。此外，用于實施本發(fā)明的方面/實施方式的代碼可以包括用于硬 件描述語言的代碼。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以理解的是，在實施方式中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以被 分布在多個彼此通信的多個耦合的組件之間。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種控制多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的開關(guān)的方法，該方法開始于 每個設(shè)備處于包括飽和開啟狀態(tài)和全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)，該方法包括：控制所 述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變至在所述飽和開啟狀態(tài)和所述全關(guān)閉狀態(tài)之 間的一個或多個中間狀態(tài)；將所述功率半導(dǎo)體設(shè)備保持在所述一個或多個中間狀態(tài)以將所 述設(shè)備對準于所述一個或多個中間狀態(tài)中；以及接下來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所 對準的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至包括所述飽和開啟狀態(tài)和所述全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的最終狀態(tài)。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種用于控制多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備同步開關(guān)的功率半導(dǎo)體 開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)開始于每個設(shè)備處于包括飽和開啟狀態(tài)和全關(guān)閉狀態(tài)中的一者 的初始狀態(tài)，該系統(tǒng)包括：用于控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變至在所 述飽和開啟狀態(tài)和所述全關(guān)閉狀態(tài)之間的一個或多個中間狀態(tài)的裝置；用于將所述功率半 導(dǎo)體設(shè)備保持在所述一個或多個中間狀態(tài)以將所述設(shè)備對準于所述一個或多個中間狀態(tài) 中的裝置；以及用于控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所對準的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至包括所述飽和開 啟狀態(tài)和所述全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的最終狀態(tài)的裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的開關(guān)設(shè)備控制器（SD)與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相結(jié)合 的示例，該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括耦合至子控制器的中央控制器；
[0018] 圖2a和2b分別示出了在用于橋應(yīng)用的示例中的根據(jù)本發(fā)明的實施方式的功率半 導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)，以及圖2a的具體配置；
[0019] 圖3a至3c分別示出了示意了設(shè)備的六個定義狀態(tài)和五次轉(zhuǎn)變的用于功率半導(dǎo)體 開關(guān)設(shè)備的柵極電壓對應(yīng)柵極電荷的曲線，以及狀態(tài)和轉(zhuǎn)變的對應(yīng)表格，以及集電極電流 和集電極-發(fā)射極電壓對應(yīng)IGBT (絕緣柵雙極晶體管）功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的開啟時間的 曲線圖；
[0020] 圖4a和4b分別示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng) 的第一和第二示例性通信拓撲；
[0021] 圖5a至5c分別示出了用于處理在子控制器的由多個連接至子控制器的開關(guān) 設(shè)備控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的方案的概念示意圖，在小控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配地址 (address)的示例性示意圖，以及用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系 統(tǒng)的子控制器的框圖；以及
[0022] 圖6a至6c分別示出了用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的開關(guān)設(shè)備控制器的一對配置寄 存器儲備（bank)的細節(jié)，用于在從協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)送至定址的設(shè)備的數(shù)據(jù)分組中寫入非 實時數(shù)據(jù)的過程的示意圖，以及補充非實時數(shù)據(jù)讀取過程的示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 參照圖la，功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)100的實施方式包括中央控制器110,該 中央控制器110被耦合至多個子控制器120,其中一個被示出的子控制器120依次被耦合至 多個開關(guān)設(shè)備控制器130 (再次僅示出一個）。在下面的描述中，開關(guān)設(shè)備控制器130有時 指的是開關(guān)設(shè)備（SD);并且中央控制器和子控制器有時分別被簡寫為CC和SC。雖然在圖 la的示例中提供有子控制器，但這并不是必要的并且控制系統(tǒng)的實施方式可以僅采用中央 控制器?？刂葡到y(tǒng)的其它實施方式可以采用多級別（嵌套的）的子控制器。
[0024] 功率電子系統(tǒng)或電路通常包括多個開關(guān)，其中每個開關(guān)可以包括一個或典型的多 個開關(guān)設(shè)備。
[0025] 雖然諸如MOSFET、JFET等的其它設(shè)備也可以被采用，但在圖la的示例中，功率半 導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備是IGBT132。
[0026] 如圖所示，開關(guān)設(shè)備控制器（開關(guān)設(shè)備）130包括數(shù)字邏輯來與總線122接合，該 總線122將設(shè)備控制器130連接至子控制器120。在優(yōu)選實施方式中，設(shè)備控制器130也在 總線上接收功率，并且數(shù)字邏輯140包括用于從總線傳遞功率來為設(shè)備控制器/開關(guān)設(shè)備 130的低電壓部分供電的電路。如在下文中將詳細描述的，在操作中，數(shù)字邏輯140通過總 線122接收指令和配置信息，并且用確認或其它數(shù)據(jù)來回復(fù)。
[0027] 數(shù)字邏輯140與在示出的示例中耦合至驅(qū)動IGBT132的門驅(qū)動器136的模擬控制 電路138接合。我們已經(jīng)在先前的于2011年3月7日提交的英國專利申請GB1103806.4(在 此以引用結(jié)合）中描述過一些示例性IGBT驅(qū)動電路。在我們與該申請同日提交的題為 "Power Semiconductor Device Controllers"（在此以引用結(jié)合）的共同待決的英國專利 申請中描述了特別的優(yōu)選電路。如圖1所示，這采用了結(jié)合的電流和電壓反饋，與激活的控 制系統(tǒng)一起，使得開關(guān)設(shè)備（IGBT)有效地類似于無源電阻。因此兩個激活的中間狀態(tài)被目 標阻抗值、針對激活的低電流狀態(tài)的高阻抗值以及針對激活的低電壓狀態(tài)（下文中描述的 狀態(tài)3和4)的低阻抗值來定義。優(yōu)選地，第二控制環(huán)路也在控制器中被提供以將門電壓隨 動至閾值，一個僅低于設(shè)備開始開啟的電壓，第二個僅高于設(shè)備開始飽和的電壓（下文中 所描述的狀態(tài)2和5)。
[0028] 更一般地，圖la的開關(guān)設(shè)備控制器130的優(yōu)選實施方式包括電壓感測電路142,用 于感測在半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備上的電壓；以及電流感測電路144,用于感測通過設(shè)備的電流。在 一些優(yōu)選實施方式中，來自這些感測電路中的任意一者或兩者的數(shù)據(jù)選擇性地應(yīng)要求而反 饋至子控制器120和中央控制器110中的一者或兩者。
[0029] 在諸如全（H-)橋、半橋或3相逆變器的電功率逆變器中，每個開關(guān)位置可以包括 一個或多個半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備。在介紹中描述的該類型的高電壓和/或高電流應(yīng)用中，許多 半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備可以串聯(lián)和/或并聯(lián)連接，每一個半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備與各自的開關(guān)設(shè)備控制 器連接。圖2a示出了 H-橋電功率變頻器200的示例，該H-橋電功率轉(zhuǎn)換器200可以被采 用以例如將DC轉(zhuǎn)換至AC，或相反的轉(zhuǎn)換。如在圖2b中更詳細地顯示的，在該示例中，H-橋 204的每個開關(guān)202a-d包括半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備管芯組。在圖2b的延展圖示中，單可控開關(guān) 202包括9個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備210,例如，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備210包括碳化硅管 芯，多個設(shè)備被并聯(lián)地連接以構(gòu)建電壓電平，接下來多個設(shè)備組被串聯(lián)地連接以串聯(lián)連接 電壓電平。在其它實施方式中，單個開關(guān)設(shè)備控制器可以控制兩個或更多開關(guān)或設(shè)備管芯。 每個開關(guān)210具有各自的開關(guān)設(shè)備控制器130,該開關(guān)設(shè)備控制器130順次被耦合至子控制 器120a、b中的一個。
[0030] 如圖所示，單獨的總線運行在子控制器和開關(guān)設(shè)備控制器之間，從而對于每個開 關(guān)設(shè)備控制器有一個這種總線。在一種示例性實施方式中，子控制器向各自的開關(guān)設(shè)備控 制器提供30個獨立總線連接并且因此對于圖2a的采用36個半導(dǎo)體開關(guān)的示例性H-橋， 兩個子控制器被采用。技術(shù)人員將領(lǐng)會的是，在具有多個開關(guān)的高電壓和/或電流功率電 路中，幾百或者可能的幾千個半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備可以被采用。在該配置中，功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè) 備可以是可串聯(lián)和并聯(lián)連接的，并且開關(guān)設(shè)備控制器系統(tǒng)應(yīng)當能夠控制這些設(shè)備的開關(guān)從 而同步地開關(guān)，實際上是基本同時的。
[0031] 為了促進同時控制，多個開關(guān)狀態(tài)被定義。在一個示例性實施方式中如下所示 (雖然更多或更少的狀態(tài)可以在最終實現(xiàn)中被采用）：
[0032] 狀態(tài)1 :全關(guān)閉-開關(guān)被關(guān)閉，只有漏電流流通；
[0033] 狀態(tài)2 :低柵極電壓關(guān)閉-開關(guān)被關(guān)閉但接近柵極閾值電壓；
[0034] 狀態(tài)3 :激活低電流-開關(guān)是激活的，但處在被定義的低電流經(jīng)過設(shè)備的狀態(tài)；
[0035] 狀態(tài)4 :激活低電壓-開關(guān)是激活的，但是處在設(shè)備兩端有被定義的低電壓（高于 飽和電壓）的狀態(tài)；
[0036] 狀態(tài)5 :高柵極電壓開啟-開關(guān)被打開并且處于飽和但可以不是全飽和的；
[0037] 狀態(tài)6 :飽和開啟-開關(guān)處于飽和開啟情況。
[0038] 在激活低電流狀態(tài)中，設(shè)備兩端會有高電壓，但可能的是設(shè)備兩端會有任意電壓 (如果逆向并聯(lián)二極管正導(dǎo)通這甚至會是負極的，因為隨著當驅(qū)動電感負載時會發(fā)生電流 逆向通過開關(guān)）。在激活低電壓狀態(tài)中，流經(jīng)設(shè)備的可能接近全電流，但再一次地，原則上來 說在這種狀態(tài)中會有任何流經(jīng)設(shè)備的電流。
[0039] 所需的開關(guān)狀態(tài)的通信是通過從中央控制器至開關(guān)設(shè)備的實時消息。此外，配置 和監(jiān)控數(shù)據(jù)可以通過非實時消息交換。
[0040] 廣義地來說，當設(shè)備關(guān)閉時設(shè)備兩端會有例如1KV的高電壓和基本上零電流（只 有漏電流）以及，例如基本零柵極電壓。向柵極注入電流少量地增加了柵極電壓，從而開始 流經(jīng)例如級別為0.1-1安培的小電流；這有效地使得串聯(lián)耦合的設(shè)備同時激活。為了達到 這種狀態(tài)，例如可以花費級別為50ns-l μ S的時間，包括對柵極充電的時間和傳播延時。從 這種狀態(tài)開始，進一步向柵極注入電流進一步增加?xùn)艠O電壓以達到設(shè)備基本流經(jīng)更大電流 的狀態(tài)，例如級別為100安培的電流，并且設(shè)備兩端還有例如級別為10伏特的剩余的或"激 活的"低電壓。最終，柵極電壓被驅(qū)動至其可以達到的全電壓，例如為用于硅設(shè)備的級別為 15伏特或者用于碳化硅設(shè)備的20伏特，其中在該電壓下設(shè)備是飽和的，流經(jīng)其全電流并且 設(shè)備兩端具有最小的飽和開啟電壓，例如級別為2伏特的電壓。
[0041] 在實施方式中，上述的概要描述為簡化的尤其采用IGBT功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的 各種保持狀態(tài)和傳輸。因此參照圖3a和3b，標記為1-6的六種狀態(tài)可以在二者之間采用標 記為A-E的5個轉(zhuǎn)變區(qū)域。圖3b中的表格描述了這些狀態(tài)和轉(zhuǎn)變：在狀態(tài)1和2中設(shè)備關(guān) 閉；在狀態(tài)3和4中設(shè)備是中間的"激活"狀態(tài)；以及在狀態(tài)5和6中設(shè)備開啟。
[0042] 更特別的是在狀態(tài)1中柵極電壓Vg = 0或為負，取決于設(shè)備是否以零或負柵極電 壓關(guān)閉。在狀態(tài)2中柵極電壓等于第一（低）閾值電壓：Vg = Vth(低），伴隨著柵極電壓在 轉(zhuǎn)變A期間提高。在狀態(tài)3中，IGBT的集電極電流是定義的最小值I min，也就是I。= Imin。 在狀態(tài)4中，集電極-發(fā)射機電壓是定義的最小電壓值Vmin，也就是= Vmin。轉(zhuǎn)變B從狀 態(tài)2轉(zhuǎn)移至狀態(tài)3,并且轉(zhuǎn)變C從狀態(tài)3至狀態(tài)4。在狀態(tài)5中，柵極電壓等于第二（高）閾 值電壓，即V g = Vth(高），以及在狀態(tài)6中，柵極電壓是最大飽和電壓Vs，即Vg = Vs，以及轉(zhuǎn) 變E在狀態(tài)5和6之間。在狀態(tài)1和6之間的轉(zhuǎn)移中，設(shè)備從全關(guān)閉切換至飽和開啟（反 之亦然）。在每種狀態(tài)，開關(guān)設(shè)備控制器從中央或子控制器接收轉(zhuǎn)變至鄰近狀態(tài)的狀態(tài)改變 指令并接著在轉(zhuǎn)變完成時發(fā)送確認。中央或子控制器在繼續(xù)發(fā)送出用于下一個狀態(tài)改變的 指令之前等待來自所有節(jié)點的確認。由于在狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移是可逆的，設(shè)備或設(shè)備組可以 從目標狀態(tài)轉(zhuǎn)回至較早的狀態(tài)，例如以將開關(guān)設(shè)備組返回（或者可替換地向前移動）至故 障可以被指示或檢測的已知良好狀態(tài)。
[0043] 因此在實施方式中，中央或子控制器可以向開關(guān)設(shè)備控制器（在后文中也被描述 為"節(jié)點"）發(fā)送請求將狀態(tài)改變至六種狀態(tài)之一的RT分組。當節(jié)點已經(jīng)完成狀態(tài)轉(zhuǎn)變并 且該信息告知控制器何時所有所連接的節(jié)點已經(jīng)達到期望狀態(tài)時發(fā)送返回確認。
[0044] 如圖3b所示，6種狀態(tài)可以被分解為3個區(qū)域，每個區(qū)域兩種狀態(tài)，關(guān)閉、激活及開 啟，狀態(tài)之間具有轉(zhuǎn)變。
[0045] 在實施方式中，該信息以4數(shù)據(jù)比特來被編碼，例如在實時分組內(nèi)的4連續(xù)數(shù)據(jù)比 特。返回分組具有一個標記來指示在兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變正在進行。接下來控制器可以彼 此"或"或比特接比特的連接，分組隨著從每個節(jié)點到達來創(chuàng)建復(fù)合分組。在這種方式中， 任何一個節(jié)點仍在轉(zhuǎn)變中，組合的效果是整個塊的狀態(tài)仍在轉(zhuǎn)變中，直到最后一個節(jié)點完 成到下一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
[0046] 如下文中進一步描述的，如同該四比特有效載荷，數(shù)據(jù)分組也可以包括額外有效 載荷數(shù)據(jù)比特和優(yōu)選地至少一個分組類型（T)比特來定義至少兩個不同類型的分組，實時 分組和非實時分組。在優(yōu)選實施方式中，分組還包括至少一個接收錯誤標記和/或至少一 個指示分組有效的標記。優(yōu)選地，除了上文中描述的數(shù)據(jù)比特，分組括還包括一個或多個用 于錯誤檢測（和可能的糾錯）碼的比特。
[0047] 如同實時開關(guān)控制數(shù)據(jù)，從控制器發(fā)送至節(jié)點的數(shù)據(jù)也可以包括非實時配置數(shù)據(jù) 以及可選的其它數(shù)據(jù)，例如定義了總體系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)改變數(shù)據(jù)（諸如進入睡眠模式、關(guān) 機模式等的指令）。該狀態(tài)改變數(shù)據(jù)（被稱為動作指令）優(yōu)選地作為實時數(shù)據(jù)被發(fā)送。從 節(jié)點返回至控制器的數(shù)據(jù)可以包括如上文中所描述的實時開關(guān)確認數(shù)據(jù)、非實時監(jiān)控數(shù)據(jù) 以及諸如過電流數(shù)據(jù)、過壓、或過溫數(shù)據(jù)的警報數(shù)據(jù)（實時發(fā)送）。如上文中提到的，分組 類型標記可以被用于指示諸如開關(guān)控制/確認數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)，例如定義了實時分組的零 和定義了非實時分組的一。在實施方式中，額外分組類型比特被用于定義分組子類型，尤其 用于非實時數(shù)據(jù)分組。非實時數(shù)據(jù)分組可以例如包括配置或監(jiān)控數(shù)據(jù)。由于這種更晚的數(shù) 據(jù)類型可以采用更大的有效載荷，可選擇地一個或多個序列數(shù)據(jù)比特可以用來定義NRT消 息?，F(xiàn)在參照圖3c，示出了在轉(zhuǎn)移通過先前描述的開始于初始開啟指令并結(jié)束于在保持狀 態(tài)6的開啟完成的6個狀態(tài)時針對IGBT的集電極電流I。和集電極電流發(fā)射極電壓對 應(yīng)時間的示意圖。因此，可以看到的是，在初始自由關(guān)閉狀態(tài)1，I。是〇安培并且轉(zhuǎn)變至在 保持狀態(tài)3的可以是級別為0. 1-1安培的Imin，接下來在轉(zhuǎn)變狀態(tài)C期間增長至最大值。同 樣在轉(zhuǎn)變狀態(tài)C期間，U拳至低電壓Vmin(在狀態(tài)4)，例如為大于飽和開啟飽和電壓的級別 為10-50伏特的電壓。在轉(zhuǎn)變狀態(tài)D期間，Vce降至最終飽和開啟飽和值V s，該值可以例如 是級別為1至5伏特的電壓。因此在保持狀態(tài)6,設(shè)備是飽和開啟的。開關(guān)關(guān)閉序列實質(zhì)上 是圖3c中所示的反向。
[0048] 廣義地說，如上文中所概述的，中央控制器的任務(wù)是安排功率轉(zhuǎn)換器中的所有開 關(guān)設(shè)備的開關(guān)。其通過二級通信系統(tǒng)來進行：
[0049] 實時（RT)數(shù)據(jù)分組系統(tǒng)，保證了實時狀態(tài)改變指令的及時到達以及實時狀態(tài)和 故障標記的返回。
[0050] 非實時（NRT)消息發(fā)送服務(wù)被用于配置開關(guān)設(shè)備和將時間戳監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞回至 中央控制器。
[0051] 中央控制器具有多個可以任意連接至開關(guān)設(shè)備或子控制器的端口，但是優(yōu)選地每 個端口以某些方式映射至轉(zhuǎn)換器的拓撲。在中央控制器上的端口的地址位于硬件中，并且 因此，數(shù)據(jù)分組可以被發(fā)送出并且在這些端口上獨立地被接收以及彼此異步。
[0052] 如上文中所述，每個端口具有兩個信道"A"和"B"以用于冗余；這些信道也可以被 獨立地使用。中央控制器具有安排同時NRT(非實時）消息事務(wù)的能力。該雙信道設(shè)置還 可以被用于輔助RT數(shù)據(jù)錯誤檢查：開關(guān)設(shè)備在兩個信道上同時接收相同的RT數(shù)據(jù)，并且 每個開關(guān)設(shè)備比較這兩個接收到的分組來在執(zhí)行動作前保證RT數(shù)據(jù)是相同的。由于分組 的RT數(shù)據(jù)部分應(yīng)當是相同的，中央控制器也可以將這種方法應(yīng)用于接收到的分組。然而需 要注意的是，然而，如果信道A和B正獨立地被用于至相同端口上的不同設(shè)備的NRT消息事 務(wù)，則來自信道A和B的分組的NRT部分將不會相同。
[0053] 在實施方式中，所有端口可以是半雙工的：數(shù)據(jù)分組從中央控制器被發(fā)送至子控 制器和開關(guān)設(shè)備，并且接下來返回分組被從所有接收開關(guān)設(shè)備發(fā)送至中央控制器。這是一 個完整的分組交換。中央控制器啟動分組交換并且開關(guān)設(shè)備被給定在其內(nèi)發(fā)送回復(fù)的時間 窗。
[0054] NRT消息被以類似的方式處理：中央控制器通過交換一系列數(shù)據(jù)分組來啟動消息 事務(wù)直到完整的消息被發(fā)送。消息可以包含單個開關(guān)設(shè)備、子控制器或開關(guān)設(shè)備組的地址。 被分配地址址的設(shè)備處理消息并且可以以其自身消息來應(yīng)答（但是只有一個設(shè)備可以在 一個硬件端口 /信道上隨時應(yīng)答）。因此如果應(yīng)答被期望，中央控制器保持端口 /信道開啟 等待來自接收NRT消息的開關(guān)設(shè)備的應(yīng)答。在開關(guān)設(shè)備已經(jīng)發(fā)送應(yīng)答消息時，消息事務(wù)完 成。
[0055] 在端口 /信道被鎖期間，中央控制器可能需要等待開關(guān)設(shè)備來發(fā)送應(yīng)答消息，并 且可以不被用于向任何其它開關(guān)設(shè)備發(fā)送或從任何其它開關(guān)設(shè)備接收NRT消息。然而，中 央控制器自由地具有同時地在其他可用硬件端口和信道上開啟的消息事務(wù)。
[0056] 廣義地來說，子控制器的功能是從中央控制器向開關(guān)設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)分組，并且合 并來自返回數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，該任務(wù)在比特內(nèi)比特外基上被快速地執(zhí)行，而不等待 完整數(shù)據(jù)分組的到達。子控制器可以改變在比特接比特基礎(chǔ)上的外出分組數(shù)據(jù)的內(nèi)容來在 任意方向上執(zhí)行任務(wù)。
[0057] 再一次地，每個子控制器具有多個端口，并且在實施方式中，每個端口具有兩個信 道，"A"和"B"，以用于冗余。因此，子控制器和中央控制器可以具有類似的接口和/或包括 類似的硬件。在實施方式中，功率和通信通過這些端口連接被路由。
[0058] 在實施方式中，分配地址方案（隨后被描述）保證了每個子控制器和開關(guān)設(shè)備具 有唯一的地址。優(yōu)選地，信道A或B的選擇由中央控制器自動地執(zhí)行并且不是分配地址方 案的一部分（由于兩個信道都路由至相同的端開關(guān)設(shè)備）。即使中央控制器中的第一層端 口通過硬件路由被分配地址，第一級列舉優(yōu)選地被包括在以路由和檢查為目的的消息地址 中。
[0059] 通過示例的方式，為了分配具有4級通信結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的地址，20比特地址被采用。 具有三相腳的逆變器可以被按照如下配置：
[0060] 級別1 :中央控制器端口 1- > 4連接至在半相腳1H上的四個主子控制器，端口 5- > 8連接至在半相腳1L上的四個主子控制器，以及同樣對于相2和3 (即端口 1- > 24)。
[0061] 級別2 :每個主子控制器連接至24個次級子控制器（即1. 1- > 24. 24)。
[0062] 級別3 :次級子控制器連接至進一步的24個子級，實現(xiàn)總計每半相腳2304級（即 1. 1. 1- > 24. 24. 24)。
[0063] 級別4 :第三極子控制器連接至24個并聯(lián)開關(guān)設(shè)備中的每一個，實現(xiàn)總計331776 個被連接的開關(guān)設(shè)備（即1. 1. 1. 1- > 24. 24. 24. 24)。
[0064] 該系統(tǒng)代表了適用于創(chuàng)建具有2400A的能夠輸出1KV/100A的開關(guān)設(shè)備的+/-1MV HVDC的系統(tǒng)的連通性級別。
[0065] 應(yīng)當注意的是這種分配地址方案僅用于NRT消息，并且在實施方式中沒有被用于 RT數(shù)據(jù)分組傳遞。
[0066] 在實施方式中，所有開關(guān)設(shè)備在給定的中央控制器端口接收所有數(shù)據(jù)分組，并且 接下來以其自身數(shù)據(jù)分組來應(yīng)答（子控制器將正在進行的路由合并回至中央控制器）。每 個中央控制器端口 /信道的僅一個開關(guān)設(shè)備被允許隨時以包含非空NRT數(shù)據(jù)的分組應(yīng)答。 如果這確實發(fā)生了，則接收兩個NRT數(shù)據(jù)塊的子控制器向返回分組中插入邏輯1 "合并錯 誤"標記來向中央控制器警告有通信錯誤發(fā)生。（數(shù)據(jù)塊包括一個或多個比特并且可以小 于1個字節(jié)或8比特字節(jié)）。
[0067] 類似地，在實施方式中，所有在給定的中央控制器端口上的消息由所有開關(guān)設(shè)備 來接收。
[0068] 如上所述，每個開關(guān)設(shè)備包括數(shù)字和模擬電路的組合以保證功率設(shè)備（IGBT或 M0SFET)轉(zhuǎn)移通過6個開關(guān)狀態(tài)中的每一個。
[0069] 如果開關(guān)僅包含單個開關(guān)設(shè)備，則不需要激活_低_電流（ACTIVE_LOW_CURRENT) 和激活_低_電壓（ACTIVE_L0W_V0LTAGE)狀態(tài)，這是由于其被用于同步的多開關(guān)設(shè)備。
[0070] 狀態(tài)3 :當功率設(shè)備兩端有高電壓時激活_低_電流被使用。該受控的低電流狀 態(tài)保證了當功率設(shè)備是激活的時在打開期間具有低功率消耗。
[0071] 狀態(tài)4 :當高電流流經(jīng)功率設(shè)備時激活_低_電壓被使用。該受控的低電壓狀態(tài) 保證了當功率設(shè)備是激活的時在關(guān)閉期間具有低功率消耗。
[0072] 接下來參照圖4a，示出了功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)400的第一示例性拓撲的 拓撲，示意了冗余信道的第一配置。在圖4a的示例中，中央控制器402具有多個（例如30 個）邏輯輸出/輸入404,其中每一個邏輯輸出/輸入404分成一對冗余信道A和B404a、 b。該系統(tǒng)還包括多個子控制器406,各自子控制器處理A-信道和B-信道，以在子控制器故 障時提供冗余，每個開關(guān)設(shè)備控制器（SD) 408具有兩個冗余輸入/輸出410a、b，一個用于A 和B信道中的每一者。在實施方式中，可以采用多層子控制器，例如多至三層的子控制器。
[0073] 在示意性示例中，在每個設(shè)備/控制器之間的連接為高速點對點鏈接，但是在可 替換的配置中，可以在中央控制器和子控制器之間采用共享總線。在一種實施方式中，連接 包括雙絞銅線對；相同對或附加對可以被用來向開關(guān)設(shè)備控制器提供電力。可替換地，在中 央控制器和子控制器之間和/或至/來自開關(guān)設(shè)備控制器可以采用光纖連接。這種配置允 許了高速數(shù)據(jù)傳遞，例如大于l〇〇Mbit/s或lGbit/s。網(wǎng)絡(luò)連接412也被提供至中央控制器 402以用于系統(tǒng)的整體配置/控制；在實施方式中，這可以是以太網(wǎng)連接。
[0074] 在圖4b中，與圖4a中的元件類似的元件以相同的參考數(shù)字指示，圖4示意了第二 示例性拓撲，其中在該第二示例性拓撲中從中央控制器至開關(guān)設(shè)備控制器的A和B信道均 由相同的子控制器來處理。雖然這減少了冗余卻具有其他優(yōu)勢，例如簡化了布線并降低了 設(shè)備被連接至網(wǎng)絡(luò)A和B上的不同地址的機會。以太拓撲可以被采用。
[0075] 本領(lǐng)域技術(shù)人員從上文中的描述中可以理解的是開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)的拓撲允許 單個中央控制器可能地通過樹結(jié)構(gòu)控制巨大數(shù)量的功率半導(dǎo)體設(shè)備，其中如將在下文中所 描述的，在樹中的每個節(jié)點被分配了地址以促進傳遞非實時消息。通信協(xié)議在該樹上進行 操作，優(yōu)選地提供下述特征：用于以盡可能小的總通信延時從中央控制器向開關(guān)設(shè)備控制 器傳送短實時請求，以及接收該請求何時被完成的指示，以同步功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備組的 開關(guān)的機制。用于中央控制器從開關(guān)設(shè)備控制器接收高級別故障信息的機制，再次優(yōu)選地 具有盡可能短的延時，這是用于檢測故障條件從而采取校正動作。中央控制器為了故障診 斷而詢問開關(guān)設(shè)備控制器（SDs)和子控制器（SCs)、初始設(shè)備配置以及為了故障預(yù)報而讀 取測量數(shù)據(jù)等的機制一這可以采用更長的潛在多字節(jié)事務(wù)并且不需要是"實時"的。通信 協(xié)議將總體上在電噪聲環(huán)境中操作，在通信節(jié)點之間具有相對高度的電分離。
[0076] 為了支持低時延實時需求，協(xié)議使用短幀結(jié)構(gòu)和請求/響應(yīng)協(xié)議。CC向所有設(shè)備 發(fā)送出單個幀，SC將該單個幀轉(zhuǎn)發(fā)至所有其輸出端口，SD接收該單個幀。SD發(fā)送立即響 應(yīng)，SC從所有端口接收這些并且在將合并的響應(yīng)發(fā)送回至CC之前將其合并。這是非對稱 的：SC從上層接收單個數(shù)據(jù)幀并且將其廣播出至所有端口；SC從下層接收多個數(shù)據(jù)幀并且 在向上發(fā)送單個幀之前將多個數(shù)據(jù)幀合并在一起。
[0077] 用于低遲延的短幀長度不直接允許NRT(非實時）消息發(fā)送，其中請求或響應(yīng)可能 需要多字節(jié)分組被傳送。為了達到這一點，當NRT事務(wù)在多個短幀上分離時，需要更高級的 協(xié)議。
[0078] 示例性低級幀結(jié)構(gòu)在后文中被描述；一些特征為：
[0079] ?下游（CC至SD)和上游（SD至CC)幀在內(nèi)容和其尺寸上均是不同的。
[0080] ?兩個幀均包含海明碼以允許錯誤檢測和糾正。
[0081] ?在下游幀中的類型比特⑴指示了其是否包含實時（RT)和非實時（NRT)數(shù)據(jù)。
[0082] ?上游幀包含RT和NRT數(shù)據(jù)二者（S卩，沒有類型比特）。
[0083] CC始終負責將RT業(yè)務(wù)優(yōu)先于NRT業(yè)務(wù)。因此狀態(tài)改變將在NRT數(shù)據(jù)之前發(fā)生。 SD不將發(fā)送（RT)故障數(shù)據(jù)優(yōu)先于發(fā)送NRT數(shù)據(jù)（因為否則將不能使用NRT機制檢查到在 故障狀態(tài)的節(jié)點），并且因此RT和NRT數(shù)據(jù)二者均存在于上游幀中。
[0084] 海明碼（在更多傳統(tǒng)CRC上）的選擇是為了減少當合并來自下層的幀時在SC內(nèi) 的延時以及提供錯誤糾正度。
[0085] 實時請求從CC被發(fā)送至在實時組內(nèi)的所有設(shè)備（在一個實施方式中是32個）。 請求為所有在組內(nèi)的所有SD應(yīng)該改變開關(guān)狀態(tài)或應(yīng)該執(zhí)行某些實時動作。實時響應(yīng)包含 "狀態(tài)改變進行中"和"動作進行中"比特以指示切換或動作何時被完成，并且包含故障標記 來指示SD的故障狀態(tài)。
[0086] SC對來自所有下游節(jié)點的比特執(zhí)行或操作以向CC提供"子系統(tǒng)狀態(tài)"。如果CC發(fā) 布狀態(tài)改變，可以確定當SIP比特變成為清零時所有設(shè)備已經(jīng)完成該操作。示例性RT幀在 隨后被描述。
[0087] 在實施方式中，用于實時分組的往返延時時間小于在開關(guān)設(shè)備的兩個（中間） 狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變所花費的時間。進一步優(yōu)選的是，往返時間不大于用于開關(guān)設(shè)備的故障 時間；優(yōu)選地，往返時間延時時間比該故障時間小的級別為幾十倍。典型的故障時間為? 1-10 μ s (例如短路時間可以從設(shè)備數(shù)據(jù)表中被確定；這可以取決于設(shè)備的操作條件）。通 常，開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)在?1 μ S的時間范圍上改變，并且因此優(yōu)選地，信號發(fā)送能夠更快地 操作。
[0088] 非實時請求作為多幀在網(wǎng)絡(luò)上被傳送。NRT幀結(jié)構(gòu)包含8-比特的數(shù)據(jù)以及指示 是否是普通數(shù)據(jù)字節(jié)的比特，或者是指示消息結(jié)構(gòu)的控制字節(jié)（例如，開始或停止信號，或 用于流控制的暫停）。下游NRT幀還包含序列號（總線的不對稱特性意味著不被需要的下 游）。
[0089] 在實施方式中，每次只有單個SD/SC可以響應(yīng)于NRT請求，從而當數(shù)據(jù)在SC合并 時不會被毀壞。所有其它設(shè)備傳送被定義為具有所有零比特的空-控制分組并且因此可以 被無害地合并。
[0090] CC使用NRT層來訪問在SD內(nèi)的寄存器。NRT消息包含NRT設(shè)備地址以及操作（讀 或?qū)懀╊愋秃鸵L問的寄存器地址。對于寫操作，要被寫入的數(shù)據(jù)也被傳送；對于讀操作， 要讀取的寄存器的數(shù)量被傳送。來自SD/SC的響應(yīng)包含狀態(tài)以及在讀請求的情況中的任何 需要的數(shù)據(jù)。
[0091] NRT分配地址模型優(yōu)選地包括廣播和組地址來允許操作應(yīng)用至多個節(jié)點。只有一 個傳送SD/SC的優(yōu)選限制意味著SD/SC不應(yīng)該響應(yīng)于組請求來傳送數(shù)據(jù)；因此這些請求僅 用于寫操作，例如用于設(shè)備組的初始配置。
[0092] 現(xiàn)在參照圖5a，概念地示出了在子控制器接收到的來自多個開關(guān)設(shè)備控制器的數(shù) 據(jù)分組的合并。來自開關(guān)設(shè)備控制器的狀態(tài)數(shù)據(jù)由RT(實時）標記組來代表，在實施方式 中，如上文所述有6個標記。這被或運算500在一起來合并來自可能多至10 4級別的個數(shù) 的設(shè)備的數(shù)據(jù)。這是由于轉(zhuǎn)變（SIP)比特（在轉(zhuǎn)變期間為激活的）被提供的。將來自開關(guān) 設(shè)備控制器的狀態(tài)數(shù)據(jù)或運算在一起指示了何時所有設(shè)備已經(jīng)達到了隨后狀態(tài)，這是因為 只有在那時沒有設(shè)備具有SIP比特設(shè)置。在這種方式中可以做出狀態(tài)改變完成502確定。 在實施方式中，采用例如接近lGbit/s的比特率的串行數(shù)據(jù)通信，每個實時分組花費接近 24ns到達并且因此狀態(tài)改變完成確定可以被快速做出。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是， 并行或部分并行的非串行通信可以使用相同的方法被可選擇地采用。
[0093] 在實施方式中，來自開關(guān)設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)還包括故障數(shù)據(jù)，在故障數(shù)據(jù)中一個 或多個比特是激活的（高或低）來指示故障。再次地，接下來該故障數(shù)據(jù)可以被或運算500 在一起來為開關(guān)設(shè)備控制器組識別是否有故障存在504。在實施方式中，結(jié)果狀態(tài)改變完 成，并且接下來可選故障數(shù)據(jù)可以在被裝配至一個或多個數(shù)據(jù)分組之后被轉(zhuǎn)發(fā)至中央控制 器。
[0094] 在實施方式中，從開關(guān)設(shè)備控制器接收到的數(shù)據(jù)還包括錯誤檢測數(shù)據(jù)，在實施方 式中是用于海明碼的校驗數(shù)據(jù)。接下來過程包括錯誤解碼處理506來對海明碼解碼，這可 以在接下來被測試以檢測在來自樹的相關(guān)分支中的任何開關(guān)設(shè)備控制器的確認數(shù)據(jù)分組 中的錯誤。接下來錯誤標記可以被相應(yīng)地設(shè)置在至中央控制器的分組中。本領(lǐng)域技術(shù)人員 將理解的是，具有可以用于處理錯誤檢測數(shù)據(jù)的可替換方法，尤其是由于合并該數(shù)據(jù)潛在 地隱藏了哪一個開關(guān)設(shè)備控制器確認分組包含錯誤（雖然優(yōu)選地預(yù)先合并的數(shù)據(jù)可以進 行本地存儲以用于識別這一點的詢問）。在一些優(yōu)選實施方式中錯誤檢測數(shù)據(jù)還被包括在 從子控制器轉(zhuǎn)發(fā)至中央控制器的數(shù)據(jù)中；在實施方式中這為檢測二比特錯誤和糾正一比特 錯誤（在子控制器至控制器鏈路上）提供了便利。
[0095] 圖5a還概念地示出了當校驗比特被包含在來自開關(guān)設(shè)備控制器的狀態(tài)或其它數(shù) 據(jù)中，則輸入的數(shù)據(jù)可以隨著到達被錯誤檢測，減少了錯誤解碼延時。這是由于當輸入（串 行）數(shù)據(jù)的最終部分已經(jīng)到達時，一些錯誤解碼已經(jīng)被執(zhí)行，并且因此可能僅有小的附加 延時來確定完成分組是良好（有效）或無效，在隨后的情況中，為被附加至在優(yōu)先于或運算 的錯誤解碼處理506以外的數(shù)據(jù)的一比特錯誤標志E。在實施方式中，可以具有1-5比特的 錯誤解碼延時，其中相比較于控制系統(tǒng)內(nèi)的信號的傳播延時，在每納秒一比特通常是小的。 最重要的是，由于每比特在整個分組被驗證之前被轉(zhuǎn)發(fā)，當分組在幾乎被發(fā)送出之后處于 錯誤時，需要有機制來進行標記。這由附加的錯誤標記來提供，該錯誤標記被海明碼的最后 三比特覆蓋。
[0096] 在實施方式中，由子控制器從開關(guān)設(shè)備控制器接收到的確認數(shù)據(jù)包括24比特幀。 子控制器可以例如接收30個這種幀，該幀通過或運算數(shù)據(jù)比特來合并以確定子系統(tǒng)狀態(tài)。 在實施方式中，一個通信信道被提供給每個開關(guān)設(shè)備控制器；這可以被實施為一個或多個 "有線"或光纖電纜。如上所述，實時確認數(shù)據(jù)分組尤其包括六個標記。在其它方向，發(fā)送至 開關(guān)設(shè)備控制器（節(jié)點或SD)的開關(guān)狀態(tài)或其它指令包括組地址，在實施方式中包括5比 特。這種指令分組廣播自中央控制器，并且由一個或多個子控制器轉(zhuǎn)發(fā)至開關(guān)設(shè)備控制器， 該開關(guān)設(shè)備控制器解譯該指令并且例如相應(yīng)地改變狀態(tài)。然而可替換地，并行總線配置可 以被采用而不需要數(shù)據(jù)分組或者在實施方式中的這種分配地址（addressing)技術(shù)。
[0097] 下面我們將更詳細地描述數(shù)據(jù)鏈路層的示例性優(yōu)選實施方式。
[0098] 數(shù)據(jù)鏈路層
[0099] 廣義地講，數(shù)據(jù)鏈接層提供了從CC至D的不可靠的廣播數(shù)據(jù)報服務(wù)以及從SD至 CC的不可靠單播數(shù)據(jù)報服務(wù)（SD不能在他們之間直接通信，所有通信由主機控制）。從控 制器至節(jié)點（CC- > N)的數(shù)據(jù)幀以及相反（N- > CC)的總體格式如下：
[0100]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于控制多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備同步開關(guān)的功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括： 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；以及 多個開關(guān)設(shè)備控制器，每一個開關(guān)設(shè)備控制器被耦合至所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)； 其中每一個所述開關(guān)設(shè)備控制器被配置為控制一個或多個各自的所述功率半導(dǎo)體開 關(guān)設(shè)備進入多個狀態(tài)，該多個狀態(tài)包括全關(guān)閉狀態(tài)、飽和開啟狀態(tài)以及在所述全關(guān)閉狀態(tài) 和所述飽和開啟狀態(tài)之間的至少一個中間狀態(tài)； 其中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被配置為通過控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述開關(guān)設(shè)備 同步開關(guān)；以及 其中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還被配置為： 控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從包括所述全關(guān)閉狀態(tài)和 所述飽和開啟狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)進入所述中間狀態(tài)； 將所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備維持在所述中間狀態(tài)以同步開關(guān)所述設(shè)備；以及接下來 控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述中間狀態(tài)進入包括 所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)中的另一者的最終狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每一個所述開關(guān)設(shè)備控制器被配置為控制所述一 個或多個各自的所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備進入在所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)之 間的多個所述中間狀態(tài)；以及其中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還被配置為控制所述開關(guān)設(shè)備控制器 來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備在所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)之間切換時進入 所述中間狀態(tài)中的每一個狀態(tài)，并且在轉(zhuǎn)變至下一個所述中間狀態(tài)之前將所述功率半導(dǎo)體 開關(guān)設(shè)備維持在所述中間狀態(tài)中的每一個狀態(tài)，以同步開關(guān)所述設(shè)備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制系統(tǒng)，其中中間狀態(tài)或所述中間狀態(tài)包括預(yù)備開啟 狀態(tài)，其中在所述預(yù)備開啟狀態(tài)中，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備具有在全關(guān)閉電流和飽和開 啟電流之間的中間電流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的控制系統(tǒng)，其中中間狀態(tài)或所述中間狀態(tài)包括激活的 低電壓狀態(tài)，其中在所述激活的低電壓狀態(tài)中，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備支持在全關(guān)閉電 壓和飽和開啟電壓之間的中間電壓。
5. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和每一所述開關(guān)設(shè) 備控制器包括用于在所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和所述開關(guān)設(shè)備控制器之間的數(shù)據(jù)通信的各自的 數(shù)據(jù)通信接口；以及 其中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還被配置為通過下述控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功 率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備： 向所述開關(guān)設(shè)備控制器發(fā)出控制信號以控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述初始狀 態(tài)至所述或每個所述中間狀態(tài)； 從所述開關(guān)設(shè)備控制器接收已經(jīng)達到所述或每個所述中間狀態(tài)的確認信號； 等到所述開關(guān)設(shè)備控制器中的每一者已經(jīng)確認已經(jīng)達到所述或每個所述中間狀態(tài)；以 及接下來 向所述開關(guān)設(shè)備控制器發(fā)出控制信號來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述中間狀 態(tài)至隨后的所述狀態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)通信接口包括分組數(shù)據(jù)通信接口。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述控制信號和所述確認信號包括實時分組 數(shù)據(jù)傳輸信號。
8. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括耦合至一個或 多個子控制器的中央控制器，其中所述中央控制器和所述一個或多個子控制器通過共享總 線進行通信，其中每個所述開關(guān)設(shè)備控制器具有至所述子控制器的專用連接，以及其中所 述中央控制器被配置為通過所述共享總線和所述專用連接經(jīng)由所述一個或多個子控制器 控制所述開關(guān)設(shè)備控制器。
9. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，還包括所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，其中所 述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備被連接以定義一組串聯(lián)連接的設(shè)備串，并且其中在所述組的每個串 中的對應(yīng)的設(shè)備被并聯(lián)連接。
10. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備包括 IGBT。
11. 一種用于控制多個開關(guān)設(shè)備控制器的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，每個所述開關(guān)設(shè)備控制器被 耦合至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，用于同步開關(guān)多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，其中每個所述開關(guān)設(shè)備控 制器被配置為控制一個或多個各自的所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備進入多個狀態(tài)，該多個狀態(tài) 包括全關(guān)閉狀態(tài)、飽和開啟狀態(tài)以及在所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)之間的至少一 個中間狀態(tài)，所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括： 通過控制所述開關(guān)設(shè)備控制器控制所述開關(guān)設(shè)備進行同步開關(guān)的系統(tǒng)； 其中控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的所述系統(tǒng)被配置為： 控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從包括所述全關(guān)閉狀態(tài)和 所述飽和開啟狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)進入所述中間狀態(tài)； 將所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備維持在所述中間狀態(tài)以同步所述設(shè)備的開關(guān)；以及接下來 控制所述開關(guān)設(shè)備控制器來控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述中間狀態(tài)進入包括 所述全關(guān)閉狀態(tài)和所述飽和開啟狀態(tài)中的另一者的最終狀態(tài)。
12. -種控制多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的開關(guān)的方法，該方法開始于每個設(shè)備處于包 括飽和開啟狀態(tài)和全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)，該方法包括 ： 控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變至在所述飽和開啟狀態(tài)和所述全 關(guān)閉狀態(tài)之間的一個或多個中間狀態(tài)； 將所述功率半導(dǎo)體設(shè)備保持在所述一個或多個中間狀態(tài)以將所述設(shè)備對準于所述一 個或多個中間狀態(tài)中；以及接下來 控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所對準的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至包括所述飽和開啟狀態(tài)和所述 全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的最終狀態(tài)。
13. -種用于控制多個功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備同步開關(guān)的功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備控制系 統(tǒng)，該系統(tǒng)開始于每個設(shè)備處于包括飽和開啟狀態(tài)和全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的初始狀態(tài)，該 系統(tǒng)包括： 用于控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所述初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變至在所述飽和開啟狀態(tài)和所 述全關(guān)閉狀態(tài)之間的一個或多個中間狀態(tài)的裝置； 用于將所述功率半導(dǎo)體設(shè)備保持在所述一個或多個中間狀態(tài)以將所述設(shè)備對準于所 述一個或多個中間狀態(tài)中的裝置；以及 用于控制所述功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備從所對準的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至包括所述飽和開啟狀態(tài)和 所述全關(guān)閉狀態(tài)中的一者的最終狀態(tài)的裝置。
【文檔編號】H03K17/10GK104054243SQ201280063884
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月23日
【發(fā)明者】M·斯努克, E·謝爾頓, S·帕克, M·威特 申請人:阿曼提斯有限公司