本發(fā)明涉及用于運行負載的功率電子系統(tǒng)，特別地涉及變換器。本發(fā)明此外涉及用于此用于運行負載的功率電子系統(tǒng)的功率模塊同步的方法。

背景技術(shù)：

例如M2C或MHF逆變器、多相Buck/Boost轉(zhuǎn)換器或DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率電子系統(tǒng)日越來越多地由模塊化部件構(gòu)建。但單獨的部件或功率模塊的接線的靈活性在此受到上級控制器的可供使用的通信接口的當前數(shù)量限制。當前的功率電子系統(tǒng)典型地具有星形拓撲結(jié)構(gòu)，其中功率模塊通過點對點通信與上級控制器連接。這雖然允許了單獨的功率模塊的簡單的同步但限制了功率模塊的最大數(shù)量，所述最大數(shù)量取決于上級控制器的控制輸出的數(shù)量。

圖1示例地示出了用于控制三相負載5的形成為旋轉(zhuǎn)電流變流器的功率電子系統(tǒng)1的當前使用的典型的接線。旋轉(zhuǎn)電流變流器以專業(yè)人員已知的方式包括六個功率模塊10,…,60。每個功率模塊10,…,60包括例如一個或多個開關(guān)元件(例如，IGBT，絕緣柵雙極型晶體管)以及用于所述開關(guān)元件的局部控制部?；旧弦部墒褂脠鲂?yīng)控制的半導(dǎo)體開關(guān)元件或另外類型的雙極型晶體管。在每個功率模塊多個開關(guān)元件的情況中，這些開關(guān)元件可以以希望的方式相互并聯(lián)和/或串聯(lián)接線。

旋轉(zhuǎn)電流電橋包括三個并聯(lián)地連接在供電電勢連接部90、91上的分支2、3、4。在第一分支2中，功率模塊10和20在供電電勢連接部90、91之間相互串聯(lián)接線。在第二分支3中，功率模塊30和40在供電電勢連接部90、91之間串聯(lián)接線。在第三分支4中，功率模塊50和60在供電電勢連接部90、91之間串聯(lián)接線。在供電電勢連接部90上例如存在正電勢，而在供電電勢連接部91上存在負電勢。在供電電勢連接部90、91之間存在直流電壓，所述直流電壓由能量存儲器或供電網(wǎng)絡(luò)以相應(yīng)的直流變流器設(shè)備提供。功率模塊10、20以及30、40以及50、60之間的節(jié)點6、7、8分別與三相負載5的相連接，例如與驅(qū)動機連接。

功率模塊10,…,60的控制根據(jù)預(yù)先給定的開關(guān)狀態(tài)模式借助于上級控制器70進行。所述上級控制器70分別具有控制輸出71,…,76，以將各功率模塊10,…,60相應(yīng)地切換為導(dǎo)通或阻斷。開關(guān)狀態(tài)模式在本實施例中具有旋轉(zhuǎn)電流變流器的至少三個不同的開關(guān)狀態(tài)，其中在給定的時刻的開關(guān)狀態(tài)包括第一部分數(shù)量的切換為導(dǎo)通的功率模塊和第二開關(guān)數(shù)量的切換為阻斷的阻斷的功率模塊。對于確定的開關(guān)狀態(tài)的用于功率模塊10,…,60的控制信號通過上級控制器70同時地施加到控制輸出71,…,76。以此保證全部功率模塊使用共同的時間基礎(chǔ)。

例如在第一開關(guān)狀態(tài)中，第一分支2內(nèi)的功率模塊10和在第二分支3和第三分支4內(nèi)的功率模塊40和60切換為導(dǎo)通。相應(yīng)地，在此開關(guān)狀態(tài)中功率模塊30、50、20切換為阻斷。例如在第二開關(guān)狀態(tài)中，功率模塊30、20和60切換為導(dǎo)通，而功率模塊10、50、40切換為阻斷。在第三開關(guān)狀態(tài)中，功率模塊50、20、40切換為導(dǎo)通，而功率模塊10、30、60切換為阻斷。然后以所述次序重復(fù)開關(guān)狀態(tài)。

如果功率模塊10,…,60的每個分別具有單開關(guān)元件，則如在圖1中所示在上級控制器70內(nèi)提供六個控制輸出71,…,76。而如果功率模塊10,…,60已具有兩個或更多的開關(guān)元件，則根據(jù)開關(guān)元件在各功率模塊內(nèi)的接線可能需要更多數(shù)量的上級控制器70的控制輸出，以可實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

根據(jù)功率電子系統(tǒng)1的構(gòu)造，所述功率電子系統(tǒng)可包括多個不同的開關(guān)元件，使得在上級控制器內(nèi)提供相應(yīng)數(shù)量的控制輸出。這要求上級控制器70的特殊的匹配或要求放棄功率電子系統(tǒng)的模塊化。

基于以上所述的問題，力求通過總線系統(tǒng)將功率模塊聯(lián)網(wǎng)。此聯(lián)網(wǎng)可具有有線連接裝置總線的形式以及以無線網(wǎng)絡(luò)的形式來實現(xiàn)?？偩€系統(tǒng)的使用實現(xiàn)了所需控制導(dǎo)線的數(shù)量的降低，且有助于避免對于最大參與數(shù)量的物理限制。

來自通過總線系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)的問題在于單獨的功率模塊和其內(nèi)包含的開關(guān)元件的同步困難。在此考慮到各功率模塊的局部控制部由于經(jīng)濟性原因不允許復(fù)雜的計算。因此，在使用總線系統(tǒng)以用于系統(tǒng)部件的通信的功率電子系統(tǒng)中，同步通過附加的同步導(dǎo)線實現(xiàn)。但因此所節(jié)約的導(dǎo)線復(fù)雜性的部分又由于功率模塊的同步被抵消。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是給出功率電子系統(tǒng)以及用于功率模塊的同步的方法，所述功率電子系統(tǒng)在其功率模塊的同步方面在結(jié)構(gòu)上和/或功能上得以改進。

此任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1的特征的功率電子系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求9的特征的方法解決。有利的構(gòu)造由從屬權(quán)利要求得到。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面建議了用于運行負載的功率電子系統(tǒng)。功率電子系統(tǒng)可例如實現(xiàn)為基于單元的變換器，例如M2C或MHF逆變器。功率電子系統(tǒng)也可以是Buch/Boost轉(zhuǎn)換器或DC/DC或AC/DC轉(zhuǎn)換器。

此系統(tǒng)包括多個功率模塊，所述功率模塊以預(yù)先給定的方式與負載接線，其中功率模塊的每個包括至少一個開關(guān)元件和局部控制部。功率模塊可不僅通過單獨的開關(guān)元件或多個串聯(lián)和/或并聯(lián)接線的開關(guān)元件形成，而且功率模塊可自身通過變換器代表。

功率電子系統(tǒng)進一步包括上級控制器以用于給出合適的控制信號以控制多個用于驅(qū)動負載的功率模塊。負載可例如是驅(qū)動器等。

系統(tǒng)此外包括裝置總線，在所述裝置總線上連接了上級控制器和多個功率模塊，且通過所述裝置總線在系統(tǒng)運行中傳輸或可傳輸用于控制多個功率模塊的控制信號。

上級控制器形成為通過裝置總線以預(yù)先給定的時間間隔在各電報中將用于針對系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)控制多個功率模塊的控制信號傳輸?shù)蕉鄠€功率模塊。開關(guān)狀態(tài)對于給定的時刻包括第一部分數(shù)量的切換為導(dǎo)通的功率模塊和各開關(guān)模塊的開關(guān)元件，以及第二部分數(shù)量的切換為阻斷的功率模塊和各開關(guān)模塊的開關(guān)元件。對于功率電子系統(tǒng)的運行要求多個不同的開關(guān)狀態(tài)，其中不同的開關(guān)狀態(tài)的數(shù)量取決于功率電子系統(tǒng)的接線和待運行的負載的接線。對于三相負載和三相換流器，例如要求至少三個不同的開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)的數(shù)量此外取決于各功率模塊內(nèi)的開關(guān)元件的數(shù)量。

所有功率模塊此外形成為掃描控制器的接收到的電報的第一通信沿，且將處理所述第一通信沿作為用于處理控制信號的系統(tǒng)的共同的時間基礎(chǔ)。

如此形成的功率電子系統(tǒng)為同步功率模塊不需要附加的通信導(dǎo)線。而是同步由通過裝置總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)導(dǎo)出。特別地，可在最低位層面導(dǎo)出同步信號，以此不要求昂貴的總線協(xié)議。結(jié)果是可將通行的基于星形的通信的在同步方面的優(yōu)點與網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點相結(jié)合。功率模塊的同步在此可無附加成本(如計算時間或附加的硬件)來實現(xiàn)。所建議的功率電子系統(tǒng)特別地對于件數(shù)多的產(chǎn)品例如基于單元的變換器是有意義的。

根據(jù)另外的構(gòu)造，上級控制器形成為以規(guī)則的時間間隔發(fā)出電報。這意味著電報以恒定的時長通過裝置總線傳輸?shù)竭B接到裝置的功率模塊。

另外的構(gòu)造建議，由控制器以恒定的時長通過裝置總線傳輸?shù)碾妶缶哂邢嗤幕蛱娲鼐哂胁煌拈L度。

在電報之間的間歇中，由功率模塊發(fā)出的返回電報可通過裝置總線傳輸?shù)娇刂破?。以此實現(xiàn)了在上級控制器和功率模塊之間的雙向通信。

功率模塊根據(jù)另外的構(gòu)造分別形成為在掃描控制器的各所接收到的電報的第一通信沿之后生成同步脈沖，且將此同步脈沖在各局部控制部中作為時間基礎(chǔ)處理。因為連接到裝置總線的功率模塊同時接收從控制部發(fā)出的電報(或也略微帶有最小的延遲)，所以功率模塊可同時進行電報的第一通信沿的掃描。因此局部控制部產(chǎn)生了各同步脈沖，所述同步脈沖然后用作所有功率模塊的共同的時間基礎(chǔ)。以此，將功率模塊很好地同步以用于執(zhí)行其任務(wù)。

根據(jù)另外的構(gòu)造，功率模塊分別形成為將在一個時段內(nèi)通過裝置總線傳輸?shù)碾妶髢?nèi)所包含的控制信號在掃描此時段之后的通信沿且確定其后的第二時段內(nèi)的時間基礎(chǔ)之后執(zhí)行。以此保證包含在電報內(nèi)的控制信號對于一定的開關(guān)狀態(tài)被所有功率模塊完全接收。通過僅在隨后的時段內(nèi)執(zhí)行控制信號而在所述隨后時段開始時又產(chǎn)生同步脈沖，對于所有功率模塊形成了相同的時間基礎(chǔ)。以此，可保證盡可能的同步性。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面建議了特別是用于運行負載的變換器的功率電子系統(tǒng)、尤其是變換器的功率模塊的同步方法。系統(tǒng)在此如上所述構(gòu)造。在方法中通過裝置總線以預(yù)先給定的時間間隔在各電報中將對于系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)的用于控制多個功率模塊的控制信號傳輸?shù)蕉鄠€功率模塊。掃描控制器的各接收到的電報的第一通信沿，且將所述第一通信沿作為用于處理控制信號的系統(tǒng)的共同的時間基礎(chǔ)處理。

根據(jù)本發(fā)明的方法具有與上文中結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)所描述的優(yōu)點相同的優(yōu)點。

根據(jù)合適的構(gòu)造，電報以規(guī)則的時間間隔發(fā)出。以此，與電報的相同的或不同的長度無關(guān)地得到恒定的時長。

根據(jù)另外的構(gòu)造，從控制器由裝置總線傳輸?shù)碾妶笤诤愣ǖ臅r長上具有相同的或不同的長度。

方法的另外的構(gòu)造建議，在電報之間的間歇內(nèi)通過裝置總線將從功率模塊發(fā)出的返回電報傳輸?shù)娇刂破鳌?/p>

方法的另外的構(gòu)造建議，功率模塊在掃描控制器的各接收到的電報的第一通信沿之后產(chǎn)生同步脈沖，且將所述同步脈沖在各局部控制部內(nèi)作為時間基礎(chǔ)處理。

在另外的構(gòu)造中建議，將在一個時段內(nèi)通過裝置總線傳輸?shù)碾妶髢?nèi)所包含的控制信號在掃描此時段之后的通信沿且確定其后的第二時段內(nèi)的時間基礎(chǔ)之后執(zhí)行。

附圖說明

本方面在下文中根據(jù)附圖中的實施例詳細解釋。各圖為：

圖1是從現(xiàn)有技術(shù)中已知的功率電子系統(tǒng)的示意性圖示；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的功率電子系統(tǒng)的示意性圖示；和

圖3是在圖2的功率電子系統(tǒng)的裝置總線上的通信的示意性圖示。

在附圖中，相同的元件提供以相同的附圖標號。

具體實施方式

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的功率電子系統(tǒng)的部分的示意性圖示。在圖2中圖示的功率電子系統(tǒng)1具有多個功率模塊10,20,…,60。因為功率模塊10,…,60的相互接線和與也未圖示的負載的接線對于本發(fā)明具有次要意義，所以省去了相應(yīng)的具體的闡述。

功率模塊10,…,60的每個僅具有示例性的開關(guān)元件11,…,61以及局部控制部12,…,62。各局部控制部12,…,62連接到裝置總線80且通過所述裝置總線80接收對于所涉及的功率模塊10,…,60所提供的控制信號以用于控制開關(guān)元件11,…,61。各局部控制部12,…,62可以以微控制器、PFGA(現(xiàn)場可編程門陣列)或ASIC(特定用途集成電路)的構(gòu)造實現(xiàn)。

在裝置總線80上進一步連接了結(jié)合圖1已描述的中央控制器。中央控制器70包括計算單元77以用于產(chǎn)生用于功率模塊10,…,60的控制信號。計算單元77可例如形成為微控制器、FPGA或ASIC。計算單元77與編碼器78連接，通過所述編碼器78將中央計算單元70連接到裝置總線80上。編碼器78從由計算單元77得到的開關(guān)狀態(tài)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生電報，在所述電報中包含用于控制多個功率模塊10,…,60所要求的全部控制信號。控制信號包含用于各功率模塊10,…,60或包含在其內(nèi)的開關(guān)元件的閾值。由此產(chǎn)生的電報以預(yù)先給定的時間間隔優(yōu)選地以恒定的時長T通過裝置總線80傳輸?shù)蕉鄠€功率模塊10,…,60上。

在以示意性圖示示出了通過裝置總線70實現(xiàn)的通信的圖3中，典型地圖示了三個在時間上相繼地處在裝置總線70上的電報200。每個時段220具有時長T。例如，通過裝置總線80傳輸?shù)碾妶?00具有相同的長度，其中電報200的持續(xù)時間以附圖標號222標記。從時長T和電報200的恒定的持續(xù)時間222的差異也得到了間歇210的恒定的持續(xù)時間224。雖然在圖3中表現(xiàn)為電報200的傳輸?shù)某掷m(xù)時間222和各時段220的間歇210的持續(xù)時間224大致等長，但這僅是典型的而非限制性的。

功率模塊10,…,60或其各局部控制部12,…,62形成為掃描每個接收到的電報200的第一通信沿201。在掃描各接收到的電報的第一通信沿210之后通過每個功率模塊10,…,60或每個局部控制部12,…,62生成同步脈沖，所述同步脈沖在各局部控制部中作為時間基礎(chǔ)被處理。因為全部功率模塊10,…,60在相同的時刻接收存在于裝置總線80上的電報200，所以以第一通信沿201的掃描和同步脈沖的生成也同時進行，使得對于每個時長同步脈沖作為共同的時間基礎(chǔ)使用。

從圖3中容易地可見，通過功率模塊10,…,60或其局部控制部12,…,62評估電報200的上升的通信沿。

在不具有分開的同步導(dǎo)線的功率電子系統(tǒng)內(nèi)的缺少時間基礎(chǔ)的問題根據(jù)本發(fā)明的建議通過利用通過裝置總線80傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流內(nèi)的脈沖-間歇比來實現(xiàn)。同步脈沖的產(chǎn)生可例如通過各局部控制部的狀態(tài)自動裝置來承擔。

各時段220的間歇224可在功率模塊10,…,60的另外的構(gòu)造中用于通過圖中未圖示的返回電報將信息傳遞到上級控制器70。為此合適的是欲將信息傳輸?shù)缴霞壙刂破?0的功率模塊在接收到電報200之后盡可能快地應(yīng)答。與此無關(guān)地，中央控制器70可僅在固定的預(yù)先給定的時間段T之后開始通信且發(fā)出另外的電報200。恒定的時間段T因此形成了連接到裝置總線70上的部件即功率模塊10,…,60的時間基礎(chǔ)。

基于電報200的第一通信沿的掃描的同步脈沖生成相對于包含在局部控制部12,…,62內(nèi)的狀態(tài)自動裝置獨立地進行，所述狀態(tài)制動裝置承擔了最優(yōu)的另外的通信進行。如所描述承擔了同步脈沖生成的狀態(tài)自動裝置通過從功率模塊到中央控制器的在裝置總線80上的可能的返回通信保持處在復(fù)位，且僅在識別到裝置總線的不工作的狀態(tài)時激活。為此，可實現(xiàn)例如復(fù)位定時器。這意味著在實現(xiàn)從功率模塊到中央控制器70的通信的情況中，在返回電報和時段結(jié)束之間必須存在預(yù)先給定的長度的空隙(未圖示)，以可識別隨后接收的電報200的第一通信沿。

所建議的方式在其中以100MHz進行掃描的系統(tǒng)中實現(xiàn)了+-15ns的范圍內(nèi)的同時性，而不需要局部控制部的附加的硬件或控制部內(nèi)的計算時間。