用于功率电子设备转换器的分布式控制器的制造方法

用于功率电子设备转换器的分布式控制器的制造方法
【专利摘要】一种用于控制功率电子设备转换器（10）的功率电子设备构件（30）的分布式控制器模块（50）包括：多个门驱动器（78），用于控制功率电子设备构件（30）的功率电子设备开关；第一光纤通信接口（74），用于与中央控制器模块（58）通信；第二光纤通信接口（76），用于与第二分布式控制器模块（50b）通信，其用于控制功率电子设备转换器（10）的第二功率电子设备构件（32）；处理器单元（70），用于控制门驱动器（78）以及经由第一光纤通信接口（74）和第二光纤通信接口（76）传送和接收数据。
【专利说明】用于功率电子设备转换器的分布式控制器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及高功率半导体装置的控制领域。具体地，本发明涉及用于功率电子设 备转换器的分布式控制器模块、用于在功率电子设备转换器中分布控制数据的方法、用于 功率电子设备转换器的控制系统以及功率电子设备转换器。

【背景技术】
[0002] 功率电子设备转换器经常包括用于开关要被转换器处理的电流的大量功率半导 体开关。这些开关由带有低功率电子设备的控制组件控制，其可测量与开关的电流有关的 数据、可得出用于开关的开关模式以及可相应地操作功率半导体。
[0003] 在功率处理部分（即功率半导体）和信号处理部分（即低功率电子设备）两者上必 须考虑各种电绝缘要求。关于控制组件，这可能导致在各种电子板之间的大量光纤连接。随 着转换器变得更模块化以及随着模块的数量增加以满足更高的电压，光纤连接的数量也会 如此。这可能对转换器的控制系统的可靠性、复杂度和成本具有负面影响。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的是向功率电子设备转换器提供简单且容易维护的控制系统。
[0005] 该目的通过独立权利要求的主题来达成。进一步的示范实施例从从属权利要求和 以下描述中显而易见。
[0006] 本发明的第一方面涉及用于控制功率电子设备转换器的功率电子设备构件的分 布式控制器模块。
[0007] 分布式控制器模块可以是转换器的集成组件，其负责转换器的特定部分（即功率 电子设备构件)的控制。转换器可包括多个功率电子设备构件和关联的分布式控制器模块。 分布式控制器模块可由中央控制器模块控制。
[0008] 模块(例如分布式控制器模块和/或中央控制器模块)可以是功率电子设备转换器 的组件，其可作为整体插入功率电子设备转换器中。例如，模块可包括用于其部件的公共壳 体或公共支承。模块可包括用于容纳并支承该模块的组件的板。
[0009] 功率电子设备构件可以是功率电子设备转换器的组件或模块，其包括多个功率电 子设备半导体开关并可选地包括它们的关联门控制器(其也可称为门控制器)。功率电子设 备构件也可包括功率电子设备转换器的控制器硬件的另外组件，诸如可例如集成到功率电 子设备构件中的分布式控制器模块。
[0010] 功率电子设备转换器可以是中压转换器，该中压转换器可适应于转换超过100A 和/或超过1. 000V的电流(例如超过500A和/或超过5. 000V)。
[0011] 电子设备转换器可以是电流转换器，其适应于将第一 AC或DC电流转换为第二AC 或DC电流，即转换器可以是DC到DC转换器、AC到DC转换器、DC到AC转换器、或AC到AC 转换器。在AC电流被转换为AC电流的情况下，电流可具有不同频率。另外有可能电流具 有超过一个相。
[0012] 根据本发明的实施例，分布式控制器模块包括用于控制功率电子设备构件的功率 电子设备开关的多个门驱动器；用于与中央控制器模块通信的第一光纤通信接口，该中央 控制器模块用于控制功率电子设备转换器；用于与第二分布式控制器模块通信的第二光纤 通信接口，该第二分布式控制器模块用于控制功率电子设备转换器的第二功率电子设备构 件；以及用于经由第一光纤通信接口和第二光纤通信接口传送和接收数据并控制门驱动器 的处理器单元。
[0013] 用于功率电子设备构件的所有门驱动器可集成到分布式控制器模块中。通过将门 驱动器功能性与其它控制硬件在一个控制板上紧密集成，可达成更高集成度且也可减少要 求的布线。
[0014] 分布式控制器模块可包括第一通信接口，该第一通信接口适应于将测量数据和控 制数据发送到中央控制器或适应于从中央控制器接收这样的数据。分布式控制器模块可 包括第二通信接口，该第二通信接口适应于从第二分布式控制器模块发送和接收这样的数 据，该第二分布式控制器模块可与该(第一）分布式控制器模块同等地进行设计。以这样的 方式，分布式控制器模块可将数据从中央控制器模块转发到第二分布式控制器模块且反之 亦然并还可节省布线。
[0015] 应注意分布式控制器模块可包括至少两个通信接口，即用于与中央控制器模块通 信的至少一个通信接口和用于与另一个分布式控制器模块通信的至少一个通信接口。以这 样的方式，分布式控制器模块可间接地互连中央控制器模块和另一个第二分布式控制器模 块。
[0016] 例如基于FPGA、DSP和/或微控制器的用于计算任务的处理器单元也被集成到分 布式控制器模块中。在处理器单元上，可运行这样的软件：其控制分布式控制器模块的其它 组件(像是通信接口和门驱动器）以及评估来自关联的和其它的功率电子设备构件的控制 和测量数据。
[0017] 例如处理器单元的单元可以是与分布式控制器模块的其它组件集成的分布式控 制器模块的子组件。
[0018] 作为总结，分布式控制器模块可以是功率电子设备转换器的组件，其可以集成到 功率电子设备构件的功率半导体附近的功率电子设备构件中且不需要与功率电子设备构 件的电势在电流上隔开。
[0019] 利用这样的分布式控制器模块，转换器中的信号布线可以被简化，中央控制器模 块上的负担可以被减小且转换器的可靠性可以改善。
[0020] 根据本发明的实施例，多个门驱动器、第一光纤通信接口、第二光纤通信接口和处 理器单元布置于一个组装件中。例如在一个控制板上。相同的或设计得几乎同等的分布式 控制器模块可用作对于转换器的不同组件的控制组件。
[0021] 根据本发明的实施例，分布式控制器模块还包括测量单元(在相同板上）用于感测 功率电子设备构件的测量数据。处理器单元可适应于处理测量数据并基于所处理的测量数 据控制门驱动器。分布式控制器模块可提供处理来自多个换能器的信号的测量接口、可本 地执行测量且可执行本地控制功能，而不与系统的其它部分进行任何通信。
[0022] 根据本发明的实施例，分布式控制器模块还包括用于供应低压功率给分布式控制 器模块的电源(在相同板上)。电源可适应于从功率电子设备构件处理的电流产生低压功 率。例如，低压功率可从像是电容器的能量存储元件产生。辅助电源单元可直接连接到转 换器级的能量存储元件。从中央电源提供辅助功率给高电势上的分布式控制器模块经常并 不容易。利用以上和以下描述的分布式控制模块，能量可例如从该电势上的功率电子设备 构件的DC链路而能本地获得。这可能导致布线的进一步减少并导致功率电子设备构件的 组件的更好集成。
[0023] 作为总结，分布式控制器模块可包括相同板上和/或相同壳体中的门驱动器、处 理器单元、测量单元和电源。门驱动器可与分布式控制器的其它硬件更紧密地集成。辅助 电源可直接与分布式控制器模块的控制硬件集成且感测和保护功能可在分布式控制器模 块中本地实现。利用这些解决方案，功率电子设备转换器的控制系统的分布式组件之间的 布线可被减少。
[0024] 根据本发明的实施例，处理器单元适应于处理从中央控制器模块接收的控制数据 且适应于基于所处理的控制数据来控制门驱动器。处理器单元可结合中央控制器来执行控 制功能。例如，中央控制器模块可接收由转换器的所有分布式控制器模块产生的测量数据、 可处理测量数据且可产生用于分布式控制器的控制数据。
[0025] 根据本发明的实施例，处理器单元适应于与中央控制器模块交换控制数据用于控 制门驱动器。分布式控制器模块可将其控制数据传送给中央控制器模块。
[0026] 根据本发明的实施例，处理器单元适应于处理由测量单元产生的测量数据且适应 于基于该测量数据本地控制门驱动器。也有可能分布式控制器模块基于与功率电子设备构 件关联的测量数据来执行本地控制。
[0027] 根据本发明的实施例，分布式控制器模块适应于经由硬件和/或软件在中央控制 器模块处(唯一地）识别其自身。在转换器中的所有分布式控制器模块可被提供有标识号， 该标识号可以实现到分布式控制器模块的硬件中。
[0028] 本发明的另一方面涉及用于在功率电子设备转换器中分布控制数据的方法。该方 法可由转换器的控制系统执行，其至少包括中央控制器模块、直接连接到该中央控制器的 第一分布式控制器模块以及经由该第一分布式控制器模块仅间接地连接到该中央控制器 模块的第二分布式控制器。
[0029] 根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：经由（第一）光纤通信线路将控制数 据从中央控制模块传送到功率电子设备转换器的第一功率电子设备构件的第一分布式控 制器模块；通过第一控制模块的处理器单元评估该控制数据是在功率电子设备转换器的第 二功率电子设备构件的第二分布式控制器模块中处理或在第一分布式控制器模块中处理； 以及如果该控制数据预定用于/成在该第二分布式控制器模块中处理，则经由（第二）光纤 通信线路将该控制数据传送到该第二分布式控制器模块。
[0030] 以这样的方式，可在中央控制器模块和第二分布式控制器模块之间通过由第一和 第二光纤通信线路建立的通信信道来交换数据包。例如，数据包可通过第一或第二分布式 控制器模块的唯一标识符来识别。
[0031] 必须注意源自中央控制器模块的完整数据包或者数据包的一部分可传送到第二 分布式控制器模块。例如，数据包可包含用于第一分布式控制器模块和第二分布式控制器 模块的控制数据。
[0032] 根据本发明的实施例，该方法还包括以下步骤：如果控制数据是用于第一分布式 控制器，则基于该控制数据来控制第一分布式控制器的门驱动器。如果该控制数据未传送 到第二分布式控制器模块，则该控制数据用于控制与第一分布式控制器模块关联的功率半 导体。
[0033] 本发明的另一方面涉及控制系统，用于功率电子设备转换器，其可包括如以上和 以下之中描述的至少两个分布式控制器模块。
[0034] 例如，功率电子设备转换器可包括至少两个转换器单元，其每个至少包括第一和 第二分布式控制器。例如，转换器单元可以是AC到DC转换器单元且第一分布式控制器可 以关联于AC到AC子转换器(作为第一功率电子设备构件)以及第二分布式控制器模块可以 关联于与该AC到AC子转换器互连的AC到DC子转换器(作为第二功率电子设备构件)。
[0035] 根据本发明的实施例，控制系统包括：第一分布式控制器模块，每个第一分布式控 制器模块关联于转换器单元的第一功率电子设备构件；第二分布式控制器模块，每个第二 分布式控制器模块关联于转换器单元的第二功率电子设备构件；用于控制第一分布式控制 器模块和第二分布式控制器模块的中央控制器模块；从该中央控制器模块到每个第一分布 式控制器模块的第一光纤通信线路；第一分布式控制器模块和第二分布式控制器模块之间 的第二光纤通信线路，其中与转换器单元的第一功率电子设备构件关联的第一分布式控制 器模块与关联于相同转换器单元的第二功率电子设备构件的第二分布式控制器模块互连。
[0036] 控制系统因此可包括连接相同单元的两个分布式控制器模块的通信信道以及将 中央控制器模块连接到每个第一分布式控制器模块的通信信道。
[0037] 控制系统可具有用于中央控制器模块和第一分布式控制器模块之间的连接的星 型拓扑以及用于转换器单元级上的分布式控制器模块之间的菊花链型拓扑。
[0038] 必须注意第一和第二分布式控制器模块可以同等地设计并且可以只在分布式控 制器模块中安装的门驱动器的数量和/或实际运行的软件中不同。
[0039] 控制系统允许灵活的通信连接并且具有减少的光纤连接的量。以这种方式，转换 器的模块性可进一步改善，因为通信信道的数量被减少同时控制系统的可靠性变得更好。
[0040] 根据本发明的实施例，第一功率电子设备构件和第二功率电子设备构件在电流上 隔开且在功率电子设备转换器的操作期间是在不同的电势上。而且中央控制器模块可以在 电流上与转换器单元隔开。
[0041] 根据本发明的实施例，第一功率电子设备构件是转换器单元的第一转换器级(例 如AC到AC子转换器）且第二功率电子设备构件是转换器单元的第二转换器级(例如AC到 DC子转换器)，其经由变压器连接到第一转换器级。
[0042] 根据本发明的实施例，控制系统还包括第二冗余中央控制器模块；从该第二中央 控制器模块到每个第二分布式控制器模块的第三光纤通信线路；和/或直接连接第一中央 控制器模块和第二中央控制器模块的第四光纤通信线路。控制系统也可包括连接到每个单 元上的每个第二分布式控制器模块的可选冗余中央控制器模块。也可以有连接主中央控制 器模块和可选冗余中央控制器模块的通信信道。
[0043] 本发明的另一方面涉及功率电子设备转换器，其包括多个转换器单元以及如以上 和以上之中描述的控制系统，每个转换器单元至少包括第一和第二功率电子设备构件，第 一和第二功率电子设备构件带有用于开关要被功率电子设备转换器处理的电流的功率半 导体开关。第一和第二功率电子设备构件可由变压器隔开。转换器单元可在转换器单元的 输入侧串联连接且在转换器单元的输出侧并联。
[0044] 功率电子设备转换器可以是模块化转换器，其包括多个转换器单元，每个转换器 单元包括与该转换器单元关联的至少一个分布式控制器。尤其是，每个转换器单元可包括 至少两个功率电子设备构件，其在转换器的操作期间具有不同的电势。每个功率电子设备 构件可包括用于控制该功率电子设备构件的分布式控制器模块。以这样的方式，模块化功 率电子设备转换器还包括模块化控制系统。
[0045] 利用这样的转换器，在分布式控制器模块和主中央控制器模块之间需要的光学通 信线路的数量可被减少。另外，用于功率电子设备构件的分布式控制器模块不仅负责计算 和信号处理，而且可包括门驱动器、电源、保护元件和对于不同种类的传感器的各种测量接 □。
[0046] 本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施例显而易见并参照下文描述的实 施例进行阐明。

【专利附图】

【附图说明】
[0047] 本发明的主题将在以下文本中参照附图中图示的示范实施例来更详细地进行解 释。
[0048] 图1示意性地示出根据本发明实施例的功率转换器。
[0049] 图2示意性地示出用于图1的转换器的转换器单元。
[0050] 图3示意性地示出用于图1的转换器的另一个转换器单元。
[0051] 图4示意性地示出根据本发明实施例的控制系统。
[0052] 图5示意性地示出根据本发明实施例的控制系统。
[0053] 图6示意性地示出根据本发明实施例的带有分布式控制器模块的控制系统。
[0054] 图7示意性地示出根据本发明实施例的带有分布式控制器模块的控制系统。
[0055] 图8示意性地示出根据本发明实施例的分布式控制器模块。
[0056] 图9示意性地示出根据本发明实施例的两个互连的分布式控制器模块。
[0057] 图10示出根据本发明实施例的用于在控制系统中分布和处理数据的方法。
[0058] 原则上，同样的部件在图中提供有相同的参考符号。

【具体实施方式】
[0059] 图1示出包括多个转换器单元12的单相模块化多级转换器10。
[0060] 模块化转换器10在AC侧14上具有AC中压端，尤其是第一 AC端16和第二AC端 18,且在DC侧20上具有低压端，尤其是第一 DC端22和第二DC端24。在AC侧14上第一 AC端16和第二AC端18之间串联连接多个转换器单元12以便满足两个端16、18之间的 AC线电压。转换器单元12在DC侧20上第一 DC端22和第二DC端24之间并联连接。
[0061] 每个转换器单元12包括AC到AC转换器30作为第一功率电子设备构件且包括AC 到DC转换器32作为第二功率电子设备构件，其经由中频率变压器34连接到AC到AC转换 器30。因为变压器34,转换器10和每个转换器单元12的第一侧14与第二侧20在电流上 绝缘。
[0062] AC到AC转换器30包括经由第一 DC链路40互连的AC到DC转换器36和DC到 AC转换器38。AC到DC转换器32在其输出包括第二DC链路42。
[0063] 图2和图3示出可与转换器10 -起使用的不同类型的转换器单元12。功率电子 设备构件30包括用于DC链路40的两个电容器Cl、C2和六个功率半导体S1到S6。功率 电子设备构件32、32'包括用于DC链路42的两个电容器C3、C4和两个功率半导体S7、S8。
[0064] 功率电子设备构件30、32在不同的电压电势上。高压功率电子设备构件30可具 有若干kV的电压电势(不同单元12的高压功率电子设备构件30每个可在不同的电压电势 上)。低压功率电子设备构件32可以在地电势上。中频率变压器34提供高压功率电子设 备构件30和低压功率电子设备构件32之间的绝缘。高压功率电子设备构件30、中频率变 压器34和低压功率电子设备构件32的组合可看做转换器单元12、12'。
[0065] 转换器单元12的功率半导体S1到S8是有源(可开关)功率半导体，例如IGBT。转 换器单元是双向单元，其中功率电子设备构件30、32两者如以下将进行解释的由分布式控 制器模块50控制。
[0066] 转换器单元12'是单向单元，其与转换器单元12不同，因为功率半导体S7和S8 是无源功率半导体，例如二极管。虽然功率电子设备构件32'不需要被控制，但是转换器单 元12'的功率电子设备构件30可由如下描述的分布式控制器模块50来控制。
[0067] 分布式控制器模块50可以是集成到功率电子设备构件30、32中的控制硬件板且 可以是在功率电子设备构件30、32的电势上。
[0068] 图4示出用于带有转换器单元12的转换器10的控制系统52。为了在不同类型的 功率电子设备构件30、32之间进行区分，示出转换器10的高压电势部分54和低压电势部 分56。高压电势部分54包括功率电子设备构件30且低压电势部分56包括功率电子设备 构件32。
[0069] 控制系统52包括(第一）中央控制器模块58、冗余(第二）中央控制器模块60和与 功率电子设备构件30、32关联的多个分布式控制器模块50a、50b。分布式控制器模块50a、 50b可同等地设计且只在其门驱动器的数量和其软件中不同。
[0070] 每个单兀12包括两个分布式控制器模块50a、50b，其中分布式控制器模块50a集 成在高压功率电子设备构件30中且分布式控制器模块50b集成在低压功率电子设备构件 32中。分布式控制器模块50a、50b可以是物理硬件板，其紧密邻近半导体集成到功率电子 设备构件30、32中。分布式控制器模块50a、50b可具有相同的硬件组件但是在功能性上不 同(例如由于不同的软件)。
[0071] 控制系统配置成使得分布式控制器模块50a、50b中的每个可以与中央控制器模 块58 (以及冗余中央控制器模块60)经由双向通信信道来进行通信，所述双向通信信道由 光纤通信线路62、64、66提供以便提供转换器10中不同电势之间的绝缘要求。
[0072] 分布式控制器模块50a在星型配置中经由通信线路62与中央控制器模块58连 接。在图4中示出的完全冗余配置中，冗余控制器模块60和分布式控制器模块50b之间 经由通信线路66有着另一种星型连接。在转换器单元12之内，这两个分布式控制器模块 50a、50b通过通信线路64连接。
[0073] 例如，为了保持两个中央控制器模块58、60同步，可以有连接两个中央控制器模 块58、60的额外的光纤通信线路68。
[0074] 图5示出类似图4的控制系统的控制系统52,其只具有一个中央控制器模块58 (但不具有冗余控制器模块60)。再次，每个转换器单元12的两个功率电子设备构件30、32 装备有分布式控制器模块50a、50b。重要的是注意到从转换器单元12的用途看没有变化。 还有用于与中央控制器模块58的星型连接的外部通信线路62和内部通信线路64(即本地 菊花链)。
[0075] 图6示出用于转换器10的另一个控制系统52'，该转换器10带有如图3中所示的 转换器单元12'。在该情况下，功率电子设备构件32'不需要分布式控制器模块，当只使用 无源整流时的情况也是这样的。中央控制器模块58和分布式控制器模块50a之间只有星 型连接。然而，可以使用与控制系统52相同类型的分布式控制器模块50a。
[0076] 图7示出类似于图6的控制系统的对于当分布式控制器模块50a只集成到功率电 子设备构件30中时的系统的情况的控制系统52'且需要实现冗余中央控制器模块60。这 利用通信线路66以及每个分布式控制器模块50a具有至少两个光纤通信接口的事实来实 现。将连接到系统52中的通信线路64 (参见图4和图5)的通信接口可执行通信接口的功 能以在与冗余中央控制器模块60的星型连接中连接到分布式控制器模块50a。
[0077] 利用分布式控制器50、50a、50b，控制系统52、52'的拓扑或布局是完全灵活的且 可适应于各种转换器类型和布置。转换器系统52、52'具有支承分布式控制器模块50、50a、 50b的各种控制硬件板之间需要的最小数量的布线。
[0078] 图8示出分布式控制器模块50的主要功能布局。每个功率电子设备构件30、32 可如图8中所示具有作为整体部分的其自己的关联分布式控制器模块50。
[0079] 分布式控制器模块50包括处理单元70、测量单元72、两个光纤通信接口 74、76、多 个门驱动器78以及电源80。
[0080] 分布式控制器模块50包括至少两个光纤通信接口 74、76以用于对于相同转换器 单元12的分布式控制器模块50和中央控制器模块58、60的通信。这两个光纤通信接口 74、76可配置成支承如图4到图7中所示的控制硬件布局的变化。利用光纤通信接口 74、 76,分布式控制器模块适应于在其自己的转换器单兀12内与另一个分布式控制器模块50b 交换(控制和/或测量）数据或者与中央控制器模块58交换(控制和/或测量）数据。
[0081] 在数据交换期间，分布式控制器模块50能够例如经由硬件对中央控制器模块50 唯一地识别自身。
[0082] 处理单元70 (数字处理核）可以是FPGA、DSP或微控制器或它们中的任何的组合 以根据期望的操作模式执行各种计算任务。处理单元70可控制通信接口 74、76和中央控 制器模块58、60与分布式控制器模块50之间的通信。从分布式控制器模块50到中央控制 器模块58、60的通信可以这样的方式来执行：从中央控制器模块58、60的观点来看，整个转 换器单元12视为单个逻辑实体。中央控制器模块58、60与分布式控制器模块50之间的对 应协议可以是标准协议。
[0083] 分布式控制器模块50适应于处理来自中央控制器模块58、60的进入/外出数据， 而也适应于转发/接收去往/来自另一个分布式控制器模块50的该数据的子集或相同的 数据。以这种方式，中央控制器模块58、60将整个转换器单元12视为单个实体，其可以简 化通信协议和信号路由。
[0084] 测量单元72适应于获取在功率电子设备构件30、32上本地可用的各种模拟测量 信号。测量单元72可适应于处理来自各种传感器/换能器的信号，诸如用于电压、电流、温 度等的那些。测量单元72可完成对于功率电子设备构件30、32的保护功能和/或可输送 用于在处理单元70中运行的控制应用的测量值/数据。
[0085] 门驱动器78, GDI到GDn被集成到分布式控制器模块50中因此减少对于朝向独立 门驱动器的内部布线的需求。在位于高压功率电子设备构件30和低压功率电子设备构件 32上的分布式控制器模块50a、50b之间门驱动器78的数量可变化。这可能是另外同样的 分布式控制器模块50a、50b之间的唯一区别。
[0086] 利用门驱动器78,分布式控制器模块50是能够驱动至少一半桥（8卩"顶部"和"底 部"半导体）的所谓的"多门驱动器"。分布式控制器模块50的硬件设计可以是以这样的方 式来模块化的：允许以相对简易性支承各种类型的半导体。
[0087] 另外，分布式控制器模块50可包括板上辅助电源80,其例如可从高压功率电子设 备构件30的DC链路40直接取能量。例如，利用电源80,分布式控制器模块50可从来自其 自己的转换器单元12之内的+/-DC链路电压轨供电。
[0088] 电源80可提供用于分布式控制器模块50的电子电路所需的低压。利用到DC链 路40、42的连接，可避免必须跨过绝缘屏障的任何布线。
[0089] 辅助电源80可集成到分布式控制器模块50中或可以它自己是单独的装置。电源 80可在分布式控制器模块50的板上实现或实现为位于紧密邻近分布式控制器模块50的单 独的板。
[0090] 图9示出带有两个分布式控制器模块50a、50b的转换器单元12的一般布局，所述 两个分布式控制器模块50a、50b分别位于高压功率电子设备构件30和低压功率电子设备 构件32上。两个分布式控制器模块50a、50b可在功能性方面相同，但它们也可在特定方面 不同，诸如集成到每个分布式控制器模块的门驱动器78的数量，因为这可以适应于匹配功 率电子设备构件30、32的具体拓扑。
[0091] 图9示出一个转换器单元12的控制布置。图4和图5中示出的控制系统52可对 于每个转换器单元12具有这样的控制布置。一般，当转换器10具有η个转换器单元12时， 中央控制器模块58只必须处理对于转换器单元12的η个通信接口（即η个通信线路62)。 这可以减少中央控制器58上的通信负担和/或可简化来自转换器单元12的信号路由/跳 闸/故障(一般是测量数据和/或控制数据)。
[0092] 另外，通过将更多的计算任务移入分布式控制器模块50、50a、50b，中央控制器模 块58上的计算负担也可减轻，接着中央控制器模块58可主要具有监督功能以及例如可以 只必须处理与其它、外部接口的通信。
[0093] 控制系统52的硬件布局基于每个转换器单元12中分布式控制器模块50a和中央 控制器模块58之间的星型连接。此外，在每个转换器单元12之内两个分布式控制器模块 50a、50b之间建立菊花链链路。如果需要，则与冗余中央控制器60的通信可采用相似的方 式从第二分布式控制器模块50b -侧来建立。
[0094] 图10示出用于在控制系统52中分布和处理数据的方法： 在步骤100,控制数据经由光纤通信线路62从中央控制模块58传送到第一分布式控制 器模块50a，第一分布式控制器模块50a关联于进行传送的第一功率电子设备构件30。例 如，控制数据可包含关于转换器单元12的输出电压的参考值的信息。
[0095] 其后，控制数据经由分布式控制器模块50a中的接口 74被接收。
[0096] 在步骤102中，第一分布式控制模块50a的处理器单元70评估控制数据是在与第 二功率电子设备构件32关联的第二分布式控制器模块50b中处理或在第一分布式控制器 模块50a中处理。
[0097] 例如，当通过通信线路62接收来自中央控制器模块58的数据包时，分布式控制器 模块50a区分所接收的数据包中的哪个数据集是用于分布式控制器50a以及哪些数据集必 须进一步路由到分布式控制器模块50b。
[0098] 类似地，当从分布式控制器模块50a发送数据到中央控制器模块58时，可以利用 本地获得的(例如来自功率电子设备构件30)的信息和通过通信线路64从分布式控制器模 块50b接收的数据来组装数据包。
[0099] 在步骤104中，如果控制数据预定用于第二分布式控制器模块50b，则处理器单元 70将控制数据传送到第二分布式控制器模块50b。
[0100] 控制数据经由分布式控制器模块50a中的接口 74被接收。
[0101] 在步骤106中，控制数据用于基于该控制数据控制第一或第二分布式控制器模块 50a、50b的门驱动器78。这由第一分布式控制器模块50a的处理单兀70进行或者由第二 分布式控制器模块50b的处理单元70进行。
[0102] 在步骤106中，处理器单元70可执行用于分布式控制器模块50的另外的控制功 能： 处理器单元70可提供作用于测量单元72的本地测量的本地保护特征/数据且可以可 选地将这些数据传送到中央控制器模块58和/或其它分布式控制器模块50。
[0103] 处理器单元70可记录分布式控制器模块50的信号/数据(测量、软件调试点）以 用于调试和维护目的，以及可以可选地将这些数据传送到中央控制器模块58和/或其它分 布式控制器模块50。
[0104] 处理器单元70可执行本地闭环和/或开环控制功能和/或算法，其对于分布式控 制器模块50和关联的功率电子设备构件30、32确保诸如充电、DC链路均衡和/或电源管 理。
[0105] 处理器单元70可将分布式控制器模块50与中央控制器模块58同步。
[0106] 一般，总的转换器控制(转换器单元12的组）可由每个分布式控制器模块50或中 央控制器模块58单独执行。也可能闭环转换器控制在中央控制器模块58和分布式控制器 模块50之间分布。
[0107] 控制功能可在由处理单元70和中央控制器模块58处理的软件中实现，中央控制 器模块58也可能具有相似于70的处理单元。
[0108] 如果存在，冗余中央控制器模块60可以与分布式控制器模块50a、50b通信并且另 外可由与中央控制器模块58通信的直接通信线路68来保持被更新。当需要时，冗余中央 控制器模块60可起到中央控制器58的作用。
[0109] 作为总结，提议的控制系统52和分布式控制器模块50、50a、50b的优点可以是： -显著减少的布线工作，这对转换器10的可靠性可具有正面影响。
[0110]-可容易地适应于各种模块化转换器布置的控制系统52、52'的灵活的架构。
[0111] -由于转换器单元12级上的本地菊花链的可扩展结构。
[0112] -相对于中央控制器模块60的冗余的容易实现。
[0113] -将分布式控制器模块50、50a、50b的若干功能性集成到一个控制硬件板中，其可 进一步减少布线。
[0114] -中央控制器模块58上减少的负担。
[0115] -不依赖于应用或确切转换器拓扑的清楚且透明的软件结构。
[0116] -用于调试和维护目的的对分布在若干分布式控制器模块50、50a、50b上的软件 的每部分的良好接入。
[0117] -转换器控制的容易实现。
[0118] -应用之间的代码可重用性的高可能性。
[0119] 虽然本发明已在图和上述描述中详细图示并描述，但是这样的图示和描述应认为 是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。实施所要求保护的 发明和本领域的技术人员可通过研究图、公开和所附权利要求来理解并实现对所公开的实 施例的其它变化。在权利要求中，词语"包括"不排除其它元件或步骤，且不定冠词"一（a)" 或"一（an)"不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可完成权利要求中叙述的若干 项的功能。仅仅是某些措施在相互不同的从属权利要求中被叙述的事实并不指示这些措施 的组合不能有益地来使用。权利要求中的任何参考符号不应解释为限制范围。
【权利要求】
1. 一种分布式控制器模块（50)，用于控制功率电子设备转换器（10)的功率电子设备 构件（30 )，所述分布式控制器模块（50 )包括： 多个门驱动器（78)，用于控制所述功率电子设备构件（30)的功率电子设备开关； 第一光纤通信接口（ 74)，用于与中央控制器模块（58)通信； 第二光纤通信接口（76)，用于与第二分布式控制器模块（50b)通信，所述第二分布式 控制器模块（50b)用于控制所述功率电子设备转换器（10)的第二功率电子设备构件（32); 处理器单元（70)，用于控制所述门驱动器（78)以及经由所述第一光纤通信接口（74) 和所述第二光纤通信接口（76)传送和接收数据。
2. 根据权利要求1所述的分布式控制器模块（50)，其中所述多个门驱动器（78)、所述 第一光纤通信接口（74)、所述第二光纤通信接口（76)和所述处理器单元（70)布置在一个 组装件中。
3. 根据权利要求1或2所述的分布式控制器模块（50)，还包括： 测量单元（72)，用于感测所述功率电子设备构件（30)的测量数据； 其中所述处理器单元（70)适应于处理所述测量数据并基于所处理的测量数据控制所 述门驱动器（78)。
4. 根据前述权利要求中的一项所述的分布式控制器模块（50)，还包括： 电源（80)，用于给所述分布式控制器模块（50)供应低压功率； 其中所述电源（80)适应于从所述功率电子设备构件（30)的能量存储元件产生所述低 压功率。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的分布式控制器模块（50)，其中所述处理器单元 (70)适应于处理从所述中央控制器模块（58)接收的控制数据以及适应于基于所处理的控 制数据来控制所述门驱动器（78 )。
6. 根据前述权利要求中的一项所述的分布式控制器模块（50)，其中所述处理器单元 (70)适应于与所述中央控制器模块（58)交换控制数据用于控制所述门驱动器（78)。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的分布式控制器模块（50)，其中所述处理器单元 (70)适应于处理由测量单元（72)产生的测量数据以及用于基于所述测量数据而本地控制 所述门驱动器（78)。
8. 根据前述权利要求中的一项所述的分布式控制器模块（50)，其中所述分布式控制 器模块（50)适应于经由硬件和/或软件在所述中央控制器（58 )模块处识别其自身。
9. 一种方法，用于在功率电子设备转换器（10)中分布控制数据，所述方法包括以下步 骤： 经由光纤通信线路（62)将控制数据从中央控制模块（58)传送到所述功率电子设备转 换器（10)的第一功率电子设备构件（30)的第一分布式控制器模块（50a); 通过所述第一分布式控制模块（50a)的处理器单元（70)评估所述控制数据是在所述 功率电子设备转换器（10)的第二功率电子设备构件（32)的第二分布式控制器模块（50b) 中处理或在所述第一分布式控制器模块（50a)中处理； 如果所述控制数据用于所述第二分布式控制器模块（50b)，则经由光纤通信线路（64) 将所述控制数据传送到所述第二分布式控制器模块（50b )。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤： 如果所述控制数据用于所述第一分布式控制器（50a)，则基于所述控制数据控制所述 第一分布式控制器模块（50a)的门驱动器（78)。
11. 一种控制系统（52)，用于功率电子设备转换器（10)，所述功率电子设备转换器 (10)包括至少两个转换器单元（12)， 所述控制系统（52)包括： 第一分布式控制器模块（50a)，每个第一分布式控制器模块（50a)关联于转换器单兀 (12)的第一功率电子设备构件（30); 第二分布式控制器模块（50b)，每个第二分布式控制器模块（50b)关联于转换器单兀 (12)的第二功率电子设备构件（32); 中央控制器模块（58)，用于控制所述第一分布式控制器模块（50a)和所述第二分布式 控制器模块（50b); 第一光纤通信线路（62)，从所述中央控制器模块（58)到每个第一分布式控制器模块 (50a)； 第二光纤通信线路（64)，在所述第一分布式控制器模块（50a)和所述第二分布式控制 器模块（50b)之间，其中与转换器单元（12)的第一功率电子设备构件（30)关联的第一分布 式控制器模块（50a)与关联于相同转换器单元（12)的第二功率电子设备构件（32)的第二 分布式控制器模块（50b)互连。
12. 根据权利要求11所述的控制系统（52)， 其中所述第一功率电子设备构件（30)和所述第二功率电子设备构件（32)在所述功率 电子设备转换器（10)的操作期间在电流上隔开且在不同的电势上； 其中所述中央控制器模块（58)在电流上与所述转换器单元（12)隔开。
13. 根据权利要求11或12所述的控制系统（52)，其中所述第一功率电子设备构件 (30 )是转换器单元（12 )的第一转换器级且所述第二功率电子设备构件（32 )是所述转换器 单元（12)的第二转换器级，其经由变压器（34)连接到所述第一转换器级。
14. 根据权利要求11至13中的一项所述的控制系统（52)，还包括： 第二冗余中央控制器模块（60); 第三光纤通信线路（66)，从所述第二中央控制器模块（60)到每个第二分布式控制器 模块（50b);和/或 第四光纤通信线路（68)，直接连接所述第一中央控制器模块（58)和所述第二中央控 制器模块（60)。
15. -种功率电子设备转换器（10)，包括： 多个转换器单元（12)，每个转换器单元（12)至少包括第一和第二功率电子设备构件 (30、32)，所述第一和第二功率电子设备构件（30、32)带有用于开关要被所述功率电子设备 转换器（10)处理的电流的功率半导体开关； 根据权利要求11-14中的一项所述的控制系统（52)。
【文档编号】H02M3/00GK104124880SQ201410164680
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2013年4月23日
【发明者】D.杜吉, A.梅斯特, R.塞里 申请人:Abb 技术有限公司