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1、10申请公布号CN104145243A43申请公布日20141112CN104145243A21申请号201380009831922申请日2013021513/385,40320120217USG06F9/0020060171申请人康威桑知识产权管理公司地址加拿大安大略省72发明人B阿尔内特74专利代理机构北京市中咨律师事务所11247代理人杨晓光于静54发明名称可编程门控制器系统和方法57摘要控制具有邻近相关联功率开关并且远离中央控制器的可编程门控制器系统的功率开关，包括感测相关联功率开关本地的至少一个预定条件；向远程可编程门控制器系统报告感测的条件；响应于感测的条件，产生在远程可编程门控制。
2、器系统中的至少一个控制信号；以及向相关联的功率开关施加控制信号。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014081886PCT国际申请的申请数据PCT/US2013/0263252013021587PCT国际申请的公布数据WO2013/123316EN2013082251INTCL权利要求书2页说明书6页附图10页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图10页10申请公布号CN104145243ACN104145243A1/2页21一种可编程门控制器系统，包括至少一个可编程门控制器，其适于连接到中央控制器；至少一个功率开关，其与所述可编程门控制器互。
3、连并且可由所述可编程门控制器控制；所述可编程门控制器包括用于驱动所述功率开关的放大器和用于操作所述放大器的可编程装置；以及所述可编程门控制器被配置成响应于感测在功率开关处的本地条件的传感器，生成命令以预期功率开关的一个或多个潜在故障模式。2根据权利要求1所述的可编程门控制器系统，其包括在所述可编程门控制器和所述中央控制器之间的通信链接。3根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述链接是双向的。4根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述链接包括隔离装置。5根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述通信链接基于SPI。6根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述通信链接基。
4、于CAN。7根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述功率开关包括FET。8根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述功率开关包括IGBT。9根据权利要求1所述的可编程门控制器系统，其包括用于感测在所述功率开关处的本地条件的至少一个传感器。10根据权利要求9所述的可编程门控制器系统，其中所述可编程装置被配置成响应于所述传感器，生成命令以改变功率开关的切换速率和/或接通/关断比率。11根据权利要求9所述的可编程门控制器系统，其中所述可编程装置被配置成响应于所述传感器，生成命令以跟踪功率开关的本地条件中的趋势。12根据权利要求9所述的可编程门控制器系统，其中所述可编程装置被配置成响应于。
5、所述传感器，生成命令以预期并且检测功率开关的潜在故障模式。13根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述通信链接从所述中央控制器到所述可编程门控制器以及从所述可编程门控制器到所述中央控制器传送开关控制命令和参数。14根据权利要求1所述的可编程门控制器系统，其中所述放大器和所述可编程装置在相同芯片上。15根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述功率开关包括IGBT。16根据权利要求2所述的可编程门控制器系统，其中所述功率开关包括FET。17一种方法，用于控制具有邻近相关联功率开关并且远离中央控制器的可编程门控制器系统的功率开关，所述方法包括感测相关联功率开关本地的至少一个预定条件；。
6、向远程可编程门控制器系统报告感测的条件；响应于感测的条件，产生在被配置成预期功率开关的一个或多个潜在故障模式的所述远程可编程门控制器系统中的至少一个控制信号；以及向相关联的功率开关施加该控制信号。18根据权利要求17所述的方法，进一步包括在远程可编程门控制器系统和中央控制权利要求书CN104145243A2/2页3器之间通信。19根据权利要求18所述的方法，其中该通信是双向的。20根据权利要求18所述的方法，其中该通信经由高速串行总线。21根据权利要求18所述的方法，其中该通信通过隔离装置。22根据权利要求17所述的方法，其中该通信包括从中央控制器到可编程门控制器系统的高分辨率设定点的传输。2。
7、3根据权利要求17所述的方法，其中产生控制信号包括产生命令以改变相关联开关的切换速率和/或接通/关断比率。24根据权利要求17所述的方法，产生控制信号包括施加自学习算法以跟踪在相关联功率开关的本地条件中的趋势。25根据权利要求17所述的方法，进一步包括施加诊断算法以预期并且检测相关联功率开关的潜在故障模式。26根据权利要求17所述的方法，其中通信包括从所述中央控制器到所述可编程门控制器以及从所述可编程门控制器到所述中央控制器传送开关控制命令和参数。权利要求书CN104145243A1/6页4可编程门控制器系统和方法0001相关申请0002本申请根据35USC119、120、363、365和37。
8、CFR155以及178要求2012年2月17日提交的美国专利申请序列号NO13/385,403的权益和优先权，所述申请通过该引用并入本文。技术领域0003本发明涉及可编程门控制器系统和方法，并且更特别地涉及可适用于功率半导体的远程分布式可编程门控制器系统和方法。背景技术0004在诸如用于电机驱动、太阳能转换、风能转换的逆变器以及电池充电器和不间断电源的功率转换器电路中，通常使用集中式控制器或微处理器、DSP或FPGA，其基于传感器反馈、设定点和控制算法来命令功率转换开关功率半导体的接通和关断。0005接通、关断命令经由数字线路发送给门驱动器电路，其基于数字信号的电平例如高接通/低关断或多或少直。
9、接命令功率开关接通或关断。0006典型的三相逆变器具有六个功率开关，并且因此在集中式微处理器和门驱动器用于每个开关的门驱动器之间需要六条数字线路。出于噪音抗干扰性和安全性的原因，通常进一步的是中央微处理器借助于光学、电容或电感耦合与门驱动器电流隔离。通常在门驱动器处实现该隔离，并且对每条线路都需求该隔离。0007除了门控制线路，功率转换器电路同样通常需要从门驱动器到中央控制器处理器的连接以对故障条件发出信号。如果故障归属于每个门驱动器和开关，则将需求总计六条故障线路，导致在中央处理器和门驱动器之间总计十二条隔离线路。0008该大数量的数字线路和隔离屏障导致成本和复杂性。此外，简单的数字线路仅提。
10、供非常有限的功能发送给门驱动器的命令仅具有两个状态接通或关断，而由门驱动器返回的信息同样是二进制非故障或故障。除了考虑成本和可靠性不是最优，该集中式方法严重限制门驱动器可在功率转换控制中起的作用，并且阻止系统设计者充分利用在智能和分布方式中的功率转换电路。0009例如，功率开关的控制限于由中央处理器发出的简单的接通/关断命令，并且基于实际操作条件不允许实时调节。来自门驱动器的反馈是简单的好OK/不好NOTOK，并且不提供可辅助功率转换性能或提供诊断的任何额外信息。0010此外，由于从测量电路到处理器以及随后到功率开关的延迟，控制算法的带宽固有地采用传统方法限制。发明内容0011因此本发明的目的。
11、是提供改进的可编程门控制器系统和方法。0012本发明的进一步目的是提供这种改进的可编程门控制器系统和方法，其实现多说明书CN104145243A2/6页5个功率开关的切换速率和接通/关断比率的本地实时控制。0013本发明的进一步目的是提供这种改进的可编程门控制器系统和方法，其使自学习算法的产生能够跟踪多个功率开关的本地趋势。0014本发明的进一步目的是向实时诊断应用提供这种改进的可编程门控制器系统和方法，以预期并且检测多个功率开关的潜在故障模式。0015本发明的进一步目的是提供这种改进的可编程、门控制器系统和方法，其实现从邻近多个功率开关的分布式、远程可编程门控制器到使更复杂控制环路和算法的实。
12、施可行的中央控制器的实时和详细信息的通信。0016本发明的进一步目的是提供这种改进的可编程门控制器系统和方法，该系统和方法减少成本，增加可靠性并且容纳更先进、更高的带宽、更智能化的算法。0017本发明的进一步目的是提供这种改进的可编程门控制器系统和方法，其实现本地高带宽的控制环路。0018在各种方面中部分地由改进的可编程门控制器系统和方法实现产生的本主题发明可通过如下实现感测相关联功率开关本地的至少一个预定条件；向远离中央控制器的可编程门控制器报告感测条件；响应于感测条件，产生在远程可编程门控制器中的至少一个控制信号；以及向相关联的功率开关施加控制信号。0019本发明以可编程门控制器系统为特征。
13、，该可编程门控制器系统包括至少一个可编程门控制器，其适于到中央控制器的连接；至少一个功率开关，其与可编程门控制器互连并且可由可编程门控制器控制；可编程门控制器包括用于驱动功率开关的放大器和用于操作放大器的可编程装置。0020在优选实施例中，可以存在在可编程门控制器和中央控制器之间的通信链接。链接可以是双向的。链接可包括隔离装置。通信链接可基于SPI。通信链接可基于CAN。功率开关可包括FET。功率开关可包括IGBT。至少一个传感器用于感测在功率开关处的本地条件。可编程装置可被配置成响应于传感器生成命令以改变功率开关的切换速率和/或接通/关断比率。可编程装置可被配置成响应于传感器生成命令以跟踪在。
14、功率开关本地条件中的趋势。可编程装置可被配置成响应于传感器生成命令以预期并且检测功率开关的潜在故障模式。通信链接可传送从中央控制器到可编程门控制器以及从可编程门控制器到中央控制器的开关控制命令和参数。放大器和可编程装置可在相同芯片上。功率开关可包括IGBT。功率开关可包括FET。0021本发明同样以控制具有邻近相关联功率开关并且远离中央控制器的可编程门控制器系统的功率开关的方法为特征，该方法包括感测在相关联功率开关本地的至少一个预定条件；向远程可编程门控制器系统报告感测条件；响应于感测条件产生在远程可编程门控制器系统中的至少一个控制信号；以及向相关联的功率开关施加控制信号。0022在优选实施例。
15、中，可以存在在远程可编程门控制器系统和中央控制器之间的通信。通信可以是双向的。通信可以经由高速串行总线。通信可以通过隔离装置。通信可包括从中央控制器到可编程门控制器系统的高分辨率设定点的传输。产生控制信号可包括生成命令以改变相关联开关的切换速率和/或接通/关断比率。产生控制信号可包括施加自学习算法以跟踪在相关联功率开关本地条件中的趋势。可以进一步包括施加诊断算法以预期并且检测相关联功率开关的潜在故障模式。通信可包括从中央控制器到可编程门控制器说明书CN104145243A3/6页6以及从可编程门控制器到中央控制器传送开关控制命令和参数。0023然而，在其它实施例中本主题发明不需要实现所有的这些。
16、目的，并且在此的权利要求不应当限于能够实现这些目的的结构或方法。附图说明0024从优选实施例的以下描述和附图，其它目的、特征和优点将对于本领域的技术人员显现，在附图中0025图1是使用根据现有技术的集中式控制方法的门驱动器系统的示意性框图；0026图2是一个典型的现有技术门驱动器的更详细的示意视图；0027图3是根据使用三个可编程门驱动器的本发明的可编程门控制器系统的示意性框图；0028图4是根据采用管理用于三相逆变器的六个功率开关的一个可编程门控制器的本发明的可编程门控制器系统的示意性框图；0029图5是图3和图4的可编程门控制器的一个实施方式的更详细的框图；0030图6是图3和图4的可编程。
17、门控制器的另一个实施方式的更详细的框图；0031图7示出用于在图5和图6的可编程门控制器的可编程装置中运行的软件的典型输入和输出；0032图8是根据本发明在可编程门控制器中可执行的软件流程图；0033图9和图10分别示出典型的接通和关断用于功率半导体开关的电压和电流波形；0034图11示出在开环方法中应用的VGE的分布；0035图12示出在闭环方法中应用的VGE的分布；以及0036图13是示出采用根据本发明的可编程门控制器系统来控制功率开关的方法的一个实施方式的流程图。具体实施方式0037除了以下公开优选的实施例或多个实施例，本发明能够在其它实施例中以各种方式被实践或执行。因此，应理解的是，本。
18、发明在其应用中并不局限于在下面描述中阐述或在附图中示出的构造细节和组件布置。如果在此仅描述一个实施例，则其权利要求不应限于该实施例。此外，在此的权利要求没有限制性读取，除非存在体现一定排斥、限制或免责声明的明确和令人信服的证据。0038在图1中示出了利用六个门驱动器12、14、16、18、20和22的传统现有技术门驱动器系统10，每个驱动器分别驱动诸如IGBT或MOSFET的一对半导体功率开关24、26、28、30、32、34。门驱动器1222由来自诸如微控制器单元MCU的中央控制器48的在线路36、38和40上的高信号和在线路42、44和46上的低信号驱动。用于每个门驱动器1222的在线路3。
19、646上的六个高/低信号通过诸如电光、电感或电容隔离装置50、52、54、56、58、60的隔离装置传送到中央控制器48。来自每个门驱动器1222的故障线路被“或”ORED到同样指向中央控制器48的故障线路62。由于由所有门驱动器1222提供的故障信号被一起“或”到用于传输到中央控制器48的一个线路上方，所以该结果是非常有限的控制粒度，说明书CN104145243A4/6页7并且是非常有限的诊断和/或控制反馈。中央控制器48驱动向门1222的每个门提供功率的门供应控制器64。中央控制器48同样分别从在线路70、72、74和76上的隔离电压测量66和电流测量68接收信号。高/低命令通常是脉冲宽度。
20、调制的接通/关断命令，其调节并且然后由门驱动器1222施加到半导体开关2434。0039图2示出典型现有技术门驱动器12A使用固定的非可编程电路系统。接通/关断请求通过VIN80发生，并且每个门驱动器需要引起用于三相逆变器的六个隔离电路的隔离电路82。0040根据本发明在图3的分布式可编程门控制器系统90中，在服务三相系统中六个半导体功率开关24A34A的三个可编程门控制器92、94和96的情况下，半导体功率开关24A、26A、28A、30A、32A和34A由可编程门控制器驱动。可编程门控制器92、94和96远离中央控制器48A，并且在双向通信链接100上通过单个隔离装置98与中央控制器48A。
21、通信，其例如可使用串行通信接口SCI、串行外围接口SPI或控制器区域网络CAN来实施。通信链接100可被用来从中央控制器48A发送开关控制命令和参数给门控制器92、94、96，并且从门控制器92、94和96接收反馈给中央控制器48A。可编程门控制器92、94和96可以采用例如微控制器单元MCU、数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA的任何适合的可编程装置来实施。这些可编程门控制器因此能够远离中央控制器48A并且邻近半导体功率开关智能操作。诸如在可编程门控制器92、94、96处的线路102、104和106上的电流测量的测量可本地进行，并且可本地处理，并且然后被发送到中央控制器48A或直接。
22、施加以调节半导体开关24A34A的操作。0041可替代地，图4的可编程门控制器系统90A可使用单个集成可编程门控制器110以服务所有六个半导体功率开关24A34A。如由图5的可编程门控制器92A示例的每个可编程门控制器可包括诸如DSP、MCU、FPGA等的可编程装置120以及具有控制装置124和反馈连接126的放大器122。可编程装置120和放大器122可在单个芯片123上实现。0042图6的可编程门控制器92B可同样具有在一个物理装置中集成的可编程装置120B和放大器122B。在每种情况下可编程装置120、120B执行控制算法，并经由串行通信链接100与中央处理器通信。其同样经由串行通信链接。
23、100接收诸如简单的接通/关断命令的设定点或诸如占空比命令的更高分辨率设定点。借助于被连接到放大器电路的控制线路，或在图6的可编程门控制器92B情况下的直接连接，在可编程装置120、120B上的控制算法执行经由串行链接接收的请求。通常这些控制线路是脉冲宽度调制PWM信号，并且在每一种情况下放大器122、122B调节控制信号，所以它们可以被施加到功率开关的门。在图5和图6中放大器122、122B可同样包含可感测与诸如温度、电压和电流的功率开关24B、26B的相关联参数有关的参数。这些量以可被采样并且用于诊断、控制或保护目的的模拟信号形式提供给可编程装置120、120B。接近传感器和功率开关的可编。
24、程门控制器92B和可编程装置120120B的接近度以及不需要隔离的事实允许非常高带宽控制的实施。0043用于在可编程门控制器中运行的程序的典型输入/输出关于图7的可编程门控制器92C示出。输出包括在串行通信链接100上和在线路130上门电压控制的信号。输入包括在具有电源电压132以及支路电流134、支路电压136、开关电流138、开关电压140、开关温度142、多个门电压144和多个门电流146的通信链接100上的信号。串行通信链接100可以利用串行通信接口SCI、串行外围接口SPI或控制器局域网络CAN等以说明书CN104145243A5/6页8与中央控制器交换信息。该信息可包括用于功率开关。
25、、占空比的接通/关断设定点和电压/电流设定点，以及将开关控制同步的定时信息。该程序的输出主要是用于在线路130上开关致动的控制信号。需要每个开关至少一条控制线路。控制线路可以是离散模拟或伪模拟PWM。在图7中的反馈信号134146允许实现保护算法并且向中央控制器提供更高级别功能的开关的最优控制。门电压和门电流的测量允许有源闭环切换控制的实施。开关电流、开关电压和开关温度的测量用作用于优化和保护算法的基础。支路电压和支路电流的测量允许将以另外方式由中央控制器执行的更高级别特征的实施。这种特征的示例是电流调节、死区补偿DEADTIMECOMPENSATION和有源阻尼算法。0044软件结构通常如在。
26、图8中示出，其中门控制器程序流包括主环路150、通信管理器152、开关事件管理器154和开关控制器156。在主环路150中，例程以上电158、初始化和自检160开始，并且然后调查由使用数据和历史的处理和存储164紧随的状态和故障恢复管理162。在初始化和自检之后通信管理器152建立与中央处理器166的链接。其处理传入的消息168，并且更新开关事件170。其然后准备状态和反馈信息172并且发送它们作为传出消息174。在初始化和自检之后开关事件管理器154建立其自身的初始化开关事件表和开关定时器176。其同步事件定时器178，更新切换参数180并且激活开关事件182。最后开关控制器156初始化门供。
27、应184，监视开关186并且确定故障是否已发生188。如果故障发生，则执行安全关断190，并且然后如果故障没有被清除192，则系统循环。如果故障已被清除，则其移动到输出节点194。如果没有故障发生，则关于开关事件是否激活196做出查询；如果发生故障，则实现控制切换198，并且在进入其输出节点194之后更新开关模式200。在步骤196中，如果开关事件没有激活，则系统直接移动到输出节点194。主例程150主要负责配置控制器，启动其它任务，并且以低速率和低优先级执行故障管理和故障恢复算法。该任务可用于处理并且存储诸如热循环信息和影响功率开关寿命的其它参数的开关使用数据。通信管理器152建立并且保持与。
28、中央控制器的通信。其从中央控制器接收命令和同步信息，并且将测量和状态信息通信返回。开关事件管理器154解析传入的控制消息，并且生成在开关事件表中存储的开关事件。开关事件定义用于开关接通和关断事件的定时和参数。最后，开关控制器156连续地监视诸如过电流或短路和击穿条件的故障的每个开关状态。一旦验证开关的正常运行，则其查询用于新切换事件的事件表。如果新切换事件已被激活，则开关控制器156基于具有开关事件的切换参数来实施以开环或闭环方式的过渡。继切换之后，开关模型基于如在图8的步骤200中指示的测量数据来更新。该模型可用于促进下一个切换事件的控制，并且向主控制提供诊断数据。如果采用开关检测到故障，则。
29、开关控制器156安全地禁用开关，并且防止任何进一步的切换直到故障条件被清除。0045图9和图10分别示出用于诸如在半桥布置中的IGBT的功率半导体开关的电压和电流波形的典型接通和关断。在接通相位期间，图9开关VCE两端的电压从从全阻断电压通常为几百伏跌落到导通电压约2V。同时开关电流IC从0A升高到其最终值。注意到电压如何没有显著下降，直到电流充分斜升，而相反的二极管停止导通初始电压降为纯电感。仅当开关承载全电流时，其电压首先以快速率并且随后缩小TAILINGOFF地衰减。由于在过渡周期期间电压和电流的同步存在，功率在开关中耗散，这导致不希望的损失和发热。这些接通损失可通过增加门电压并且从而降。
30、低电流斜升时间来减少。然而，高的DI/DT导致对于开关和相反二极管的更高应力，并且产生更多的电磁干扰。因此，有必要说明书CN104145243A6/6页9建立在接通损耗和开关应力/EMI之间的折衷。0046传统的门驱动器被配置用于固定的接通速度，并且需要根据最坏情况条件限定大小。然而可编程门控制器能够基于用于每个切换实例的实际操作条件来调节折衷。这通过在图8中实现受控切换的步骤198来实现。此外，在每个切换事件期间收集的数据可用于提高以下如由更新开关模型步骤200所指示的切换。0047与接通相位类似，图10中在开关关断相位期间功率同样被耗散。在关断开始时开关两端的电压以由门电压给定的速率上升。。
31、一旦VCE达到电源电压，则相对的二极管开始导通并且电流衰减。电流下降率主要由装置动力学给定，而不是门电压或环路电感。电流DI/DT产生添加到开关两端的电压的感应电压尖峰，该感应电压尖峰产生额外应力并且增加切换损耗。一旦电流已经基本上衰减，则其基于内在的装置属性“缩小”。再次，在关断相位期间电压和电流的同步存在导致损耗以及由此不希望的开关发热。因此，门控制的参数可用于最小化关断损耗并且控制关断的DV/DT，并且从而减轻EMI。因此，能够实时调节其控制的可编程门控制器将具有胜于具有固定设定的传统门驱动器的优点。在图7中示出的输入和输出134136提供执行受控切换和开关模型更新所需的所有信息。004。
32、8借助于经由在开环操作中例如122C的放大器而施加到例如24C的功率开关的VGET分布210，完成图11的可编程门控制器92的受控切换操作的一个实施方式。基于功率开关24C的实际操作条件和从最近的切换事件获得的信息，以最小化损耗和功率开关组件应力的目的，分布VGET210由软件持续调节。可替代地，在图12的可编程门控制器92E中，采用在可编程门控制器上的软件中执行的调节器120C，门电压可在闭环操作中控制。注意到，本发明的可编程门控制器从而固有地提供灵活性以执行显著更复杂的切换算法。0049根据本发明的可编程门控制器的方法在图13中更一般地示为包括感测功率开关220本地的预定条件；向远程可编程。
33、门控制器222报告感测条件；在远程可编程门控制器224中产生一个或多个控制信号；以及将该控制信号或多个控制信号施加给相关联的功率开关226。0050虽然本发明的具体特征在一些附图中示出而没有在其它附图中示出，但是这仅为了便利起见，因为每个特征可结合根据本发明的任何或所有其它特征。如在本文中使用的词语“包括”、“包含”、“拥有”、“具有”应广泛和全面地解释，并且不限于任何物理互连。此外，在主题申请中公开的任何实施例不视为唯一可能的实施方式。0051此外，在用于该专利的专利申请审查期间提出的任何修改不是在所提交申请中提出的任何权利要求元素的放弃本领域技术人员不能合理地预期草拟将从字面上涵盖所有的可。
34、能等价的权利要求，许多等价在修改时将不可预见，并且如果有的话超出要被放弃的公平解释之外，在修改下的基本原理可承担不超过对许多等价无关紧要的关联，和/或存在申请人不期望描述用于在修改的任何权利要求的某些非实质性替代的很多其它原因。0052其它实施例将对于本领域技术人员呈现，并且处于所附权利要求范围之内。说明书CN104145243A1/10页10图1现有技术说明书附图CN104145243A102/10页11图2现有技术说明书附图CN104145243A113/10页12图3说明书附图CN104145243A124/10页13图4说明书附图CN104145243A135/10页14图5图6说明书附图CN104145243A146/10页15图7说明书附图CN104145243A157/10页16图8说明书附图CN104145243A168/10页17说明书附图CN104145243A179/10页18图11图12说明书附图CN104145243A1810/10页19图13说明书附图CN104145243A19。