功率電子轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種功率電子轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)，該功率電子轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊，其包括可控功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)并且能單獨(dú)安裝到轉(zhuǎn)換器柜或者框架上。該通信系統(tǒng)涉及分別設(shè)置在轉(zhuǎn)換器模塊和轉(zhuǎn)換器柜上的光元件之間的光信號(hào)的無(wú)引導(dǎo)傳輸。提出的轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)不同部分之間的自由空間光信號(hào)傳輸結(jié)合了無(wú)線電傳輸提供的靈活性方面的優(yōu)點(diǎn)和光通信的數(shù)據(jù)率和可靠性方面的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)避免了光纖方案的電纜復(fù)雜和昂貴的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】功率電子轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率電子轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，尤其是控制或者監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]功率電子轉(zhuǎn)換器被廣泛用于將電功率從AC轉(zhuǎn)換到DC，從DC轉(zhuǎn)換到AC，從第一DC電壓轉(zhuǎn)換到第二 DC電壓，或者從第一 AC頻率轉(zhuǎn)換為第二 AC頻率。轉(zhuǎn)換器由多個(gè)可能相同的設(shè)置在轉(zhuǎn)換器柜或者殼中的轉(zhuǎn)換器模塊構(gòu)成，進(jìn)而包括功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或者電子管(valve)例如IGCT (集成門極換流晶閘管)或者IGBT (絕緣柵雙極晶體管)和它們相應(yīng)的控制單元或者驅(qū)動(dòng)器。取決于計(jì)劃應(yīng)用領(lǐng)域，模塊可以處于關(guān)于地電位的超過(guò)IkV并且范圍高達(dá)30kV的中等至高電位上。因此從地電位上的較高級(jí)轉(zhuǎn)換器控制單元傳遞開(kāi)關(guān)命令的通信線路需要電隔離或者橋接該電位差。
[0003]通常地，該上下文中的通信信號(hào)通過(guò)能夠支持高數(shù)據(jù)速率且能夠耐受大電壓的光纖傳送，但是以嚴(yán)重老化行為為代價(jià)。然而這種方案需要在光纖的兩個(gè)末端都具有機(jī)械連接器，這致使轉(zhuǎn)換器模塊安裝和替換笨重，并且對(duì)光纖的成本增加了機(jī)械連接器的成本。因此，DE-102004004621-A1提出在電-光電路板上剛性地裝配一段光纖，以及通過(guò)透鏡和反射鏡來(lái)耦合光信號(hào)。這種方式達(dá)到的板內(nèi)隔離看似在高達(dá)500V的電壓工作良好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是在處于不同電位的通信轉(zhuǎn)換器部件之間實(shí)現(xiàn)靈活的和成本有效的電隔離。該目的通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的用于功率電子轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換器模塊達(dá)到。進(jìn)一步從從屬專利權(quán)利要求中明顯得出優(yōu)選的實(shí)施例。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊的功率電子轉(zhuǎn)換器，該多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊包括可控功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)并且可各自安裝到轉(zhuǎn)換器柜或者框架上，該功率電子轉(zhuǎn)換器具有通信系統(tǒng)，其涉及分別設(shè)置在轉(zhuǎn)換器模塊和轉(zhuǎn)換器柜上的光學(xué)元件之間的光信號(hào)的無(wú)引導(dǎo)性傳輸。提出的在轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)不同部分之間的自由空間光信號(hào)傳輸結(jié)合了無(wú)線電傳輸提供的靈活性的優(yōu)點(diǎn)和光學(xué)通信在數(shù)據(jù)速率、可靠性和電磁抗擾方面的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)避免了光纖方案的纜線復(fù)雜和昂貴的問(wèn)題。
[0006]第一光學(xué)元件、例如具有光電收發(fā)器、反射鏡或者透鏡的收發(fā)器蓋設(shè)置在合適支撐物上，例如安裝在轉(zhuǎn)換器柜上的印刷電路板上。第二光學(xué)元件設(shè)置在作為轉(zhuǎn)換器模塊的一部分的不同支撐物上。第一和第二光學(xué)元件適于從或者到相應(yīng)的收發(fā)器傳播光信號(hào)，例如可見(jiàn)光、紅外線IR或者紫外線UV信號(hào)。在第一和第二光學(xué)元件之間，限定了沿著視線的直線光通路，其穿過(guò)包括例如空氣或者玻璃的光透明介質(zhì)。直線光通路不包括在光透明介質(zhì)的橫向邊界的光信號(hào)的任何反射或者其它弓I導(dǎo)。
[0007]在本發(fā)明的有益實(shí)施例中，直線光通路適于或者被設(shè)計(jì)為隔離或者承受處于地電位的轉(zhuǎn)換器柜和處于超過(guò)IkV或甚至超過(guò)3kV的電位的轉(zhuǎn)換器模塊之間的電位差或者電壓差。
[0008]在進(jìn)一步有益實(shí)施例中，光傳輸通路被保護(hù)以屏蔽不透明的微?；蛘咂渌系K物。與無(wú)線電傳輸相比，有選擇地引導(dǎo)并且保護(hù)光傳輸通路的可能性允許進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)速率和傳輸可靠性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]本發(fā)明的主題在下文參照附圖示出的優(yōu)選實(shí)施例來(lái)更詳細(xì)說(shuō)明，其中:
[0010]圖1示意性示出了帶有兩個(gè)柜的功率電子轉(zhuǎn)換器；
[0011]圖2示出了模塊-收發(fā)器對(duì)的放大圖；和
[0012]圖3示出了帶有機(jī)械保護(hù)的光通路。
[0013]原則上，圖中同樣的部件提供有同樣的參考符號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1示意性示出了帶有兩個(gè)柜1，1’的功率電子轉(zhuǎn)換器，每個(gè)中都安裝了多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊10。轉(zhuǎn)換器模塊10包括功率電子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或者電子管，適于開(kāi)關(guān)從轉(zhuǎn)換器或向轉(zhuǎn)換器在功率導(dǎo)體(未示出)中流經(jīng)的大電流。在本說(shuō)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)柜表示具有支撐框架和專用柜外殼以及電源的轉(zhuǎn)換器的可分離部分。有線骨干網(wǎng)絡(luò)2在更高級(jí)轉(zhuǎn)換器控制器3和柜控制器4、4’、4”之間傳送通信信號(hào)。在左邊的柜I中，柜控制器4連接到若干電光收發(fā)器11，其進(jìn)而安裝到或者附連到柜外殼?；趤?lái)自轉(zhuǎn)換器控制器3或者柜控制器4的通信信號(hào)，每個(gè)收發(fā)器11生成傳送到多個(gè)功率電子模塊10中的關(guān)聯(lián)的一個(gè)的光信號(hào)。在右邊的柜I’中，兩個(gè)柜控制器4’、4”包含電光收發(fā)器，其在柜I’中的模塊10’關(guān)注下生成和賦址光信號(hào)。這些信號(hào)以點(diǎn)到多點(diǎn)的形式并行傳播到多個(gè)模塊。這借助適當(dāng)?shù)臒o(wú)源第一光兀件12’、例如分束器或者按要求使光信號(hào)重定向的反射鏡,或者通過(guò)在電光收發(fā)器的情況下無(wú)需任何聚焦或者其它波生成元件而恢復(fù)成漫射傳播來(lái)進(jìn)行。
[0015]圖2示出了圖1中柜I的模塊-收發(fā)器對(duì)的放大圖。電光收發(fā)器11通過(guò)調(diào)制激光器或者光發(fā)射二極管的輸出而生成光數(shù)據(jù)信號(hào)。例如光電收發(fā)器的透明罩或者透明蓋的第一光元件12、獨(dú)立反射鏡、或者獨(dú)立的透鏡被設(shè)置在合適支撐物13上、例如安裝在轉(zhuǎn)換器柜上的印刷電路板上。通過(guò)第二光元件14收集光信號(hào)并且通過(guò)作為模塊的通信單元15的一部分的光電二極管檢測(cè)光信號(hào)。此外，第二光元件14可以為光電二極管或者通信單元15的透明罩或者透明蓋，或者可以為合適地設(shè)置在模塊10上的獨(dú)立反射鏡或者透鏡。因此，光元件12和14可以但是不需要各自形成電光收發(fā)器11和通信單元15的一體式部分。光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，基于此，模塊控制器向模塊10的個(gè)體功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)100發(fā)出控制命令。第一光元件12和第二光元件14之間的距離、即光通路的長(zhǎng)度典型地在5cm到2m之間。需要注意的是，在圖1中的柜2的設(shè)置中，第一光元件、即反射鏡12’附連到柜I’所借助的支撐物不同于唯一的電光收發(fā)器的支撐物。
[0016]在圖1和2中，點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)光通路由雙線表示，其中轉(zhuǎn)換器柜和轉(zhuǎn)換器模塊之間電壓差全部在兩個(gè)光元件12、14之間被吸收。第一光元件12、12’以獨(dú)立于在相同柜中的模塊10、10’安裝(承載第二光元件14)的形式被機(jī)械固定在柜1、1’。因此，假設(shè)兩個(gè)光元件被合適對(duì)準(zhǔn)，則當(dāng)安裝和拆除模塊時(shí)沒(méi)有單獨(dú)的手工步驟、例如出于通信目的必須要被特別觀察的連接(斷連)機(jī)械連接器。光元件的合適對(duì)準(zhǔn)可優(yōu)選借助滑入安裝機(jī)制來(lái)設(shè)置以便快速組裝和維修轉(zhuǎn)換器模塊。
[0017]光信號(hào)在直線中在兩個(gè)光元件之間傳播，即光信號(hào)不被另一反射鏡或者在兩個(gè)不同介質(zhì)之間的轉(zhuǎn)變處、例如光纖表面處被反射或者重定向。因此，盡管漫射光信號(hào)傳播也是可能的，只要通過(guò)第二光元件收集發(fā)射光的足夠份額，光信號(hào)傳播優(yōu)選地在定向光束中發(fā)生。如果轉(zhuǎn)換器柜和模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)需要，光反射鏡可被用于圍繞轉(zhuǎn)換器模塊10內(nèi)的拐角或者在支撐物13上引導(dǎo)光信號(hào)。
[0018]提出的光通信可以雙向發(fā)生，即除了向功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的控制命令的由上至下的通信之外，傳感、監(jiān)控或者其它診斷信號(hào)可從模塊傳遞到更高級(jí)的轉(zhuǎn)換器控制器。為了達(dá)到這個(gè)目的，模塊上同樣提供電光收發(fā)器，同時(shí)安裝在柜上的相對(duì)應(yīng)的支撐物同樣包括光電檢測(cè)器或者光電二極管。為了附加的可靠性，可以實(shí)施冗余的雙向鏈路。
[0019]攜帶通信信號(hào)到轉(zhuǎn)換器柜內(nèi)的電光收發(fā)器的物理位置的有線骨干網(wǎng)絡(luò)可以是模塊化的，因此允許以模塊化方式添加或者移除光鏈路以便例如在每個(gè)柜中容納可限定數(shù)目的鏈路。
[0020]自由空間中的光通信可由環(huán)境中的固體微粒例如灰塵或者其它光學(xué)上不透明的介質(zhì)，以及由設(shè)備發(fā)出的例如煙的微粒，以及由例如弧光等外部光源而被減弱。因此，光傳播通路優(yōu)選通過(guò)防護(hù)件或者管道被保護(hù)。
[0021]圖3示出了分別設(shè)置在轉(zhuǎn)換器模塊10和支撐物13上的通信單元15和電光收發(fā)器11，以及用于光通路的機(jī)械保護(hù)的防護(hù)件16。防護(hù)件具有設(shè)置在模塊和支撐物之間的薄壁管的形式。特別地，防護(hù)件包括兩部分，附連到模塊10的第一部分161和附連到支撐物13的第二部分162，二者以合適的裝配接合。第一部分161具有波紋形式的表面形狀，提供用于高電壓隔離的可限定漏電距離(creepage distance)。
[0022]備選地，例如一定體積的環(huán)氧樹(shù)脂的任何固體材料在轉(zhuǎn)換器柜和轉(zhuǎn)換器模塊之間提供電隔離，因此大致在與光通路垂直的方向上延伸，該任何固體材料可以具有光束傳播所通過(guò)的開(kāi)孔或者洞。在任何情況下，如果在收發(fā)器和通信單元以及防護(hù)件或者開(kāi)孔的相應(yīng)末端之間僅留有小空隙，則實(shí)現(xiàn)光鏈路的最佳保護(hù)。通過(guò)單獨(dú)防護(hù)件或者開(kāi)孔，或者在公共的防護(hù)件或開(kāi)孔中可存在雙向傳輸和冗余通路。
[0023]在兩個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)換器模塊之間的直接內(nèi)部模塊通信的情況下，提出的自由空間光信號(hào)傳輸也是可能的。
[0024]總之，在提出的自由空間信號(hào)傳輸中，光信號(hào)當(dāng)對(duì)定向到轉(zhuǎn)換器模塊的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的控制信息編碼時(shí)，通過(guò)連接到功率電子轉(zhuǎn)換器的中央轉(zhuǎn)換器控制單元的發(fā)射器生成，以及通過(guò)連接到功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的控制器的檢測(cè)器檢測(cè)。備選地，光信號(hào)當(dāng)對(duì)來(lái)自功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的診斷信息編碼時(shí)，通過(guò)連接到功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的控制器的發(fā)射器生成，以及通過(guò)連接到轉(zhuǎn)換器控制單元的檢測(cè)器檢測(cè)。
[0025]參考符號(hào)列表
[0026]I轉(zhuǎn)換器柜
[0027]2骨干網(wǎng)絡(luò)
[0028]3轉(zhuǎn)換器控制器
[0029]4柜控制器[0030]10轉(zhuǎn)換器模塊
[0031]11電光收發(fā)器
[0032]12第一光元件
[0033]13支撐物
[0034]14第二光元件
[0035]15通信單元
[0036]100功率半導(dǎo)體
[0037]161,162 防護(hù)件
【權(quán)利要求】
1.一種用于功率電子轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)，該功率電子轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)能單獨(dú)安裝在轉(zhuǎn)換器柜(1，1’ )中的轉(zhuǎn)換器模塊(10，10’)，該通信系統(tǒng)包括: 第一光學(xué)元件(12，12’ )和第二光學(xué)元件(14)，其適于向相應(yīng)其它光學(xué)元件或者從相應(yīng)其它光學(xué)元件傳播光信號(hào)，所述第一和第二光學(xué)元件分別設(shè)置在轉(zhuǎn)換器柜和轉(zhuǎn)換器模塊上，以及 在所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件之間具有直線光通路的光透明介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述直線光通路適于隔離轉(zhuǎn)換器柜和轉(zhuǎn)換器模塊之間的超過(guò)IkV的電位差、尤其是超過(guò)3kV的電位差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的通信系統(tǒng)，其特征在于，透明光介質(zhì)是空氣，并且特征在于，防護(hù)件(161，162)保護(hù)直線光通路不受非透明障礙物的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的通信系統(tǒng)，其特征在于，光透明介質(zhì)是空氣，并且特征在于，直線光通路穿過(guò)設(shè)置在所述第一和第二光學(xué)元件之間的固體電隔離器中的開(kāi)孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的通信系統(tǒng)，其特征在于，包括電-光收發(fā)器，其生成多個(gè)光信號(hào)以便采用點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸而被傳播到兩個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊(10’)。
6.一種用于功率電子轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器模塊，所述功率電子轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)能單獨(dú)安裝在轉(zhuǎn)換器柜(1，1’)中的轉(zhuǎn)換器模塊(10，10’)，所述轉(zhuǎn)換器模塊包括功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(100)、通信單元(15)和第二光學(xué)元件(14)，所述第二光學(xué)元件(14)適于跨光學(xué)透明介質(zhì)將從設(shè)置在轉(zhuǎn)換器柜上的第一光學(xué)元件(12)接收的光信號(hào)傳播到所述通信單元，所述光學(xué)透明介質(zhì)包括處于所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件之間的直線光通路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于，所述通信單元(15)適于在采用點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸所傳播的多個(gè)光信號(hào)之中識(shí)別定向到所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(100)的光信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04B10/11GK103650382SQ201280019391
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月19日
【發(fā)明者】D·德尊格, D·科特, A·瓦勒斯塔德, L·卡蘭德 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司