[发明专利]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

说明书

技术领域

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。

背景技术

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。