利用H桥电路的直流电力线通信控制装置

技术领域

本发明涉及一种在传输直流电的同时，通过一条线路传输数据或控制信息的方法。本发明实施例之一在LED照明领域采用了最终用电为直流电，采用的方法是，依然使用先前搭建的照明电路，通过同一条线路传输直流电和控制信息，并可以传输用来控制与照明电路相连的各LED照明灯的亮度及颜色的控制信息，并联的各接收侧LED照明灯可以根据接收的控制信息控制各LED。

像车辆这种以使用电池为基本的情况，车内各负载使用直流电源，向这些负载传输电源和控制信息时可以应用本发明。是在向远程安装的传感器或驱动设备供应足以驱动电机的充分电力的同时，可以通过同一条线路实现双向通信或多方通信的传输直流电的电力线通信相关内容。

目前普遍从电网向各用户传输交流电，最近正在开展超高压直流电(HVDC)输配电相关研究。电力需求反应技术等感知当前电力储备率低，存在断电风险时，需要向各用户传输调节负载需求的指令或数据。直流电传输至用户处时，在传输直流电的同时，可以通过与各用户连接的电力线一同传输用户负载调节指令或当前电力等级不一致相关风险等级数据值。

背景技术

基于电力配线的电力与信息传输PLC(电力线通信)技术逐渐普及，可供参考和比较的现有技术如下。

公开的电力线通信技术

众所周知的公知技术-电力线通信技术一般是在高频的RF信号或窄幅的脉冲信号上采用多种方法调制准备传输的信号，接收侧则采用仅分离通过电力线传达的相应频率信号的过滤技术或调谐电路等复原信号的解调技术等，与最近发展起来的多种数字通信技术相结合，与应对外部干扰、最大程度减少错误发生或在发生错误时进行恢复的技术相结合。

不过，这几种结合的技术相对复杂，费用高，另外因为使用了微弱的信号，所以抗外部噪音能力弱，为阻止这些信号通过电力线传达至不希望到达的部分，还必须在引入端安装闭塞滤波器(Blocking Filter)等，很不方便。

通用的普通微控制器(Microcontroller)是难于实现经济性的通信，想要进行通信必须另外安装专用调制解调器芯片(Modem Chip)，所以费用高是主要缺点。分别安装电力线和通信线路的经济负担相对较大，作为实用技术的价值不高，所以需要可以由廉价小零部件实现的作为应对方案的电力线通信方法。

下面提到的电力线通信术语指的不是一般意义上的，技术人员了解的，在高频区段加载传输信息的概念，而是利用电力线同时传输电力和信息的通信，是在含义方面比通用术语更为广泛的概念。

韩国专利第10-1222170号“调光装置及包括调光装置在内的照明系统”采用传统的Triac(三端双向可控硅)相位控制方式，基于接通触发器时相位信息的形态反映交流电的基础频率波形，向各照明负载传达信息的方式，依然可以使用之前安装的电力线传输信息。这是LED照明灯赋予单独的ID，可以独立控制各LED照明灯的专利，但具有如下缺点。

因为使用交流电，所以在零交叉(Zero Crossing)周围的时点或产生相位控制信号的时点无法实际传输电力的区间时长很长。基础频率的波形因为频率低的原因采用了大容量的电解电容器，在未经过使电源变得平滑的过程的情况下，LED照明严重闪烁。为减少闪烁现象而采用电解电容器则使各LED照明装置或照明电源装置的体积变大。另外，长时间使用时，电解电容器内部电解液流失将会引起热化(导致电气产品出现故障的主要原因)，从而无法避免寿命缩短的问题。

特别是用于安装在天花板上的各LED照明灯或照明灯的各电源装置因为安装了作为缩短寿命主要原因的大容量电解电容器部件，所以在短暂的寿命周期内难以进行维修，为将交流电源转换为LED元件可以实际使用的低电压，使用了变压器或电感器，从而导致体积增大，给设备的施工和管理带来不便。

韩国专利第10-1043218“使用二条电力线的RS 485通信装置”二条电力线的电压电平根据收发数据变得高低不同，这就是作为收发信息传输的内容。从电力传输量来看，理想的恒压电源很难维持低阻抗，所以不适合用于传输可以驱动大容量负载的大规模电力。为传输更大的电力而维持低的阻抗时，因为信号电平相对较低，所以降低了噪音容限，难以进行比本发明采用的差分信号通信(Differential Signal Communication)更稳定的通信。

传输信号导致电源电压剧烈变动，因此需要大容量电容器，搭建线路时如果连接的极性不同，就不会工作，这点需要留意。因此传输直流电时，一定要正确区分+、-级，存在搭建线路时需要格外注意的缺点；传输通信信息时，如果是反相，则存在可能出现无法相互识别的现实问题。

预防停电，降低高电力储备率并加以维持，以节约平日发电燃料费为目的的电力需求反应技术受到关注。如韩国公开专利“供电防灾系统”专利申请编号第10-2012-0100238、公开编号“第10-2013-0030725”等，目前电力储备率等级化至接近0％的危险状态，危险等级值可以参考将之记载到电气基础频率波形的物理值示例电压、频率、相位的变动模式，发送至各用户，各用户进行解码，调节负载或调整负载控制的控制目标值，可参考这种技术。

随着日后超高压直流输配电技术的进一步普及，出现可以向用户供应直流电的岛屿或偏远地区时，尝试运行基于直流电的局部地区输配电系统。在这种情况下，就可以利用本专利的基于直流供电及控制和数据传输手段，与调节用户负载的电力需求反应技术相结合。

现有技术文献

专利文献

(韩国专利文献1)KR10-1222170B1；

(韩国专利文献2)KR10-1043218B1；

(韩国专利文献3)KR10-2013-0030725A

非专利文献

(非韩国专利文献1)无。

发明内容

发明所要解决的问题

克服作为发明背景的技术中提到的传统技术所具有的问题点或缺点，进一步实现电力线通信。同时，在传统技术中，多个接收负载同时与1条电力线连接，各接收负载通过PWM方式进行负载元件的电力控制时，与1条电力线连接的各并联负载的各接通时间重复时，会有大电流流过并出现很大的电源噪音，为应对上述情况，需要解决进行电源的过滤或使其变得平滑的电容器容量增大的问题。

电容器不仅存在元件本身的费用，而且是导致故障发生的主要原因，与设备寿命直接相关并占据空间，在天花板等不便安装的场所进行大体积对象的施工，不仅存在施工和管理的不便，而且会产生审美方面的问题，所以进行电容器相关改善会有很好的收益。

电力储备率变低，存在停电的危险时，电力当局发送调节用户负载的控制信号，或用户本身为调节自身的电力需求，传输反映当前供需危险程度的数据成为电力需求反应技术的重要因素。

目前普遍进行交流电的输配电，日后改为直流输配电系统，或在岛屿、偏远地区建设一个独立的小电网-微电网时，可以构建向各用户传输直流电的环境，在这种情况下实现向各用户统一传输执行电力需求反应的需求调节指令、反映用户的电气设备、调节负载本身负载电网的供电危险程度比较参考值的经济的方法。

用于解决问题的方案

在与进行电力线通信的收发侧连接的A、B两条线路中，电线A连接电力的(+)，电线B接地或连接(-)时，数字化数值为“1”，电线A、B和相反的电力连接时对应为“0”，A、B二条电力线根据准备发送的信息与电力连接，经过一定时间后，产生改变电极(下面称为“交换”、极性变化或极性变动)的动作，了解在电力接收侧A、B的电力线接入的电力，分析数字化数值“0”和“1”的信息，将之用作接收数据或控制指令信号。

加在A、B上的电压极性随时间改变时，可以随时间的改变通过多种模式展现极性变化的情况。因此，虽然将一个极性状态对应为数字化数值“0”，另一个极性状态对应为数字化数值“1”，但也可以通过事先约定，将其中极性状态变动的特定模式对应为“0”，将另一个模式对应为“1”，根据时间改变极性，传输电力，接收侧根据约定进行数字化数值“0”和“1”的解码，从而进行通信。

在发送侧，极性变化采用了基于场效应管H桥电路(MOSFET H-Bridge)传输低阻抗大电流的优化方法，这虽然和一般的差分信号通信方式类似，但其特征在于，利用场效应管H桥电路，应用于低阻抗电力传输中。

接收侧使持续发生极性变化的电力信号通过桥式整流(Bridge Diode)变为平滑的直流电源。该电源被用作接收侧负载的电源，也被用作接收侧控制端所需电源。接收侧的桥式电路不仅限于桥式整流，也可以采用包括场效应管或IGBT的有源桥式电路。

当错误连接发送侧和接收侧，传达与准备发送的信息反相的信息时，具有从信号中检出该信息并进行自动反转的电路。

如上所述，通过差分信号进行发送信息的通信(Differential SignalCommunication)，具有易于判别信号的“1”和“0”，对同相引入外部干扰(Common ModeNoise)的耐性强，即使远程也可以稳定通信的特征。

为确保双向通信成为可能，发送侧和其它接收侧为保持高阻抗，在规定时间内电力接收侧希望发送时，选择启动差分驱动电路发送信息的方法，可进行有限的双向通信。如上所述，这样可以不经过发送信号相关的调制解调过程，通过改变直流电力相位的方法最大程度简化电路，实现提高通信可靠性的、经济的通信方法。

电力需求反应需要参考当前的电力储备率，反映电力需求危险程度，一同传输调节各用户负载的信息或调节负载的信号的技术。完成直流输配电的构建时，将进行供电危险程度同级化的“供电危险等级值”作为数据加载到H桥电路形成的极性变动模式上，传播至各用户处，各用户可以参考相应的数据调节需求。

发明效果

与主要建筑物的建设一起在建筑物内完成电路布线时，可以利用原有的电线连接很方便地控制与电线连接的各电力负载的手段。

以室内照明为例，在埋在现有墙壁中的开关盒周围安装替换原有电路的电力控制发送部，使得在悬挂于天花板上的各照明灯的位置控制亮度成为可能，本发明的直流电力线通信控制装置的接收电路因为安装内置LED灯即可，所以非常便于安装。

以主要应用的负载-LED照明为例，利用开关端输出的二条电力线向LED模块传达DC极性变化电力，同时可以传输控制信息，区分各LED模块或LED电源装置的固有ID，向控制信息传输ID，从而可以仅控制特定的LED照明灯，将ID的MSB比特值解释为分组值就可以进行分组控制，为事先规定的一系列负载群赋予另外的ID，可以仅选择并控制特定的负载，另外为ID赋予广播用ID或下达广播用指令时，可以统一控制所有负载，也就是说具有可以控制不同情况下的负载的优点，这不仅限于LED照明灯，而且可以适用于多种不同的负载。

与现有公知技术-利用高频区段传输信息进行电力线通信的电力线调制解调器(PLC)或RF控制模块(ZigBee或ISM Band RF通信等)或有线通信方法相比，本发明的构成要素更简单、更经济。另外，具有可以进行抗外部干扰噪音的、可靠的通信，不会产生很多不需要的RF电波的优点。

下面与作为发明背景的先有技术-先有技术文献韩国专利第10-1222170“调光装置及包括调光装置在内的照明系统”进行比较。

将交流电源用作进行电力线通信的手段时，各LED照明或LED照明前的控制端使用的是直流电源，也就是说无论如何都需要经过将交流转换为直流的过程，所以每个末端负载必须安装电解电容器(导致寿命变短的主要故障原因)。照明灯一般安装在不便安装和维修的天花板等处，频繁发生故障的电容器导致维修更为频繁，安装位置的不便要求维修本身需要投入更多的费用和时间。同时，和电解电容器一同安装的变压器及各种保护电路要求相对大的体积，安装在受人关注的天花板等处成为审美设计方面的制约因素。

本发明使用直流化的电力线通信，虽然也需要进行交流电源直流化的大容量电解电容器、变压器和保护电路，但不是在难以安装的天花板上一一个别安装，从而可以大大缩小照明装置的体积，进行审美方面的设计，另外大大降低了因为电解电容器的问题直接在天花板上更换照明灯或照明电源的频度，从而带来维修管理方面的经济效益。

在方便用于直流化的电容器管理的地方进行多个电容器的模块化和安装，确保可以进行直流化和安装而无需每天因为电解电容器的寿命问题维修天花板上的设备，对电容器盒进行中央集中式管理即可，从而可以获得管理方面的经济效益。另外，电容器盒内的电容器可以采用易于更换的模块方式制作而成，如果再增加通过LED等或其它显示手段告知电容器发生故障必须更换的模块相关功能，那么管理将会变得更加便利。

本发明与RS-485通信类似，可以部分实现双向通信，即使是必须将信息加载到一条电力线上的传感器也可以与电力驱动电路连接，收集传感信息。这是采用交流方式的先有技术-先有技术文献专利第10-1222170“调光装置及包括调光装置的照明系统”无法实现的效果。

与先有技术文献韩国专利第10-1043218“利用二条电力线的RS 485通信装置”相比具有显著效果。

引用发明利用二条电力线，通过在一条电线上加载电压升降的脉冲式电压传输信号。这种方式的缺点如上所述，为使脉冲容易发生，难以维持具有理想恒压的低阻抗，因此可以传输的电力容量非常有限，不适用于传输可以驱动大容量负载的大电力。

想要传输可以驱动大容量负载的大电力必须减小阻抗，但信号脉冲的波形随着降低，结果难以区分噪音和信号，进而难以确保稳定的通信。因此，如果不是大的电力脉冲信号，通过PWM控制调节接收到的混有脉冲信号的电力时，产生的噪音波形和电平与通信用脉冲的波形和电平类似，噪音因此产生影响。

与此相比，本发明分别通过(+)和(-)电源区分两条电线，利用采用On阻抗极低的场效应管等的H桥电路，通过差动方式将信号加载到电力线上并传输，从而解决了引用发明中的可传输电力量不足的问题。

与传统的电力线通信方式或在一定直流偏压电压的矩形波上加载数据发送的矩形波直流电力线通信相比，具有信号幅度非常大，信噪比(S/N ratio)非常突出的优点。

向各用户传播整体需求调节意向是电力需求反应技术的核心。在交流环境中，既有在交流的基础频率波形上加载并发送的想法，也在考虑传统的电力线通信或以太网设备等有线通信的方式。如果是在直流输配电的环境下，可以在直流电力线上作为高频信号进行加载并发送，进行与直流电压的极性变动相应的电力需求反应相关控制或数据的对应和发送，将其解码后使用时，在费用或噪音方面具有非常突出的优点。

附图说明

图1是向接收侧传输电力、传达控制信息并复原电力和控制信息所需构成要素的方框图；

图2是为进行双向通信，电力接收侧向电力发送侧发送信息所需构成要素的方框图；

图3是传输的TX信号通过H桥电路发生改变的差动电源输出波形A、B上的形状和H桥驱动电路；

图4是一般桥式整流和采用阻抗低、自身耗电量小，可以控制动作的场效应管的桥式整流电路；

图5是PWM驱动RGB 3种LED，逆断相相关控制信息信号的自动反相电路是具有由H/W构成的LED负载的接收侧电路的示例之一。

具体实施方式

直流电源-直流电源装置输出或电池输出端有几个并联在电线中的负载，电池或直流电源供应装置的输出端与由晶体管、场效应管或IGBT构成的，可以更换直流电源输出的(+)、(-)极性的H桥驱动电路相连接。二条电力线的电压大小的相对值相互改变被称为“极性变化”或“极性变动”。H桥电路根据微处理器或准备向外部信号传输的数据或控制指令信息变更极性，或按照事先的约定与“0”、“1”数字化数值对应，随着时间的变化输出产生极性变化模式的电路，这种情况下通过驱动确保交叉失真(Cross Over Distortion)最小。

接收侧接收到正常产生极性变化的发送侧的电力，为将其作为直流电源使用，应用桥式整流进行了平滑直流化。想要获得高效率，建议使用正向偏压电压低的桥式整流，适用具有充分容量和逆耐压的部件，与一般桥式整流相比，使用基于On阻抗极低、电力效率好的场效应管、IGBT的桥式整流器也是一种方法。

桥式整流电路后端虽然随着极性的变化会出现瞬间电压下降现象，但因为时间短无需使用电容器进行平滑处理，为确保使用电源的各电路动作稳定，建议局部使用。

各负载接收侧为提取桥式整流前端电力线接收到的通信数据或控制指令信号，需要将电源电压转换为适当电平的信号电压的阻抗分压电路等的电平移位(Level Shift)功能。

在并联的接收侧颠倒安装电线A、B时，被识别为逆向信息，在需要的情况下利用缺省状态的电线电压电平确认颠倒连接时，增加利用异或(Exclusive OR)等的门元件反转传达的串联信号的功能将更加方便。为区分信号是否被反转，累积平时没有信号的大部分时间(缺省状态)的信息并输出的RC积分电路等是有效的，更方便地通过专用逻辑电路或微控制器(Microcontroller)的端口输入和程序的执行可以很容易地累计没有信号情况下的基本相位信息，从而可以判断是否被颠倒连接。

需要时，传输定期反复的极性变换信息，各负载共享接收侧的基准时间，可以应用按照各ID对应的顺序轮流使用有限资源-电力的负载扩展功能时，即使是最大值较小的发送侧电力也可以供应多个接收侧所需电力，因此具有可以减少因传输过多需求电力导致的噪音，减少用于平滑电路的电容器或电感器等过滤部件的优点。

在这种情况下，进行各PWM驱动的负载之间需要按照约定的顺序动作，所以必须具有相互一致的基准时间信息。因此，电力发送侧在特定周期为确保接收侧的基准时间一致传输同步信号，接收侧参考基准时间、控制信息和ID在规定时间内进行PWM驱动，分散整体电力。一个接收侧内部有多个PWM驱动负载时，采用相同的方法可以相互分散PWM驱动时间，减少瞬间的最大需求电力，降低整体发生的噪音。

可以通过事先规定的协议使传输的信息内容具有特定的含义，这使多种信息处理方法成为可能。使用可以同时控制所连接的全部电力控制设备的广播相应ID或指令，可以控制所有设备或向所有设备传输数据，另外还可以针对各控制设备使用经过区分的ID进行单独控制或向单独的设备传输数据，还可以根据用于追加区分的分组ID进行群控制或按组传输数据。

发送电力负载控制信号的发送侧包括从单纯的整体On/Off开关到调光器(Dimmer)调整输入装置等，控制内容既可以由远程控制服务器发送，也可以是为进行电力需求管理或需求反应通过电力线调制解调器或其它电力线由外部传达的信息，或RS-232、RS-485、CAN等通过有线信号传达的信息，或使LAN通信等的大容量成为可能的通过有线信号进行的信息传输。另外，还可以通过Wi-Fi或Bluetooth(蓝牙)、ZigBee等的ISM Band RF通信信号进行，接收使用现有TV频率空白区的无线等多种格式的控制信息后，再重新传输至负载。

这种情况下，为防止因短时间内接收过多数据的输入，在相对晚的时间通过电力线进行传输的问题导致的数据消失，需要短期保存信息的空间，待传输的电力控制信息数据形态特别不同时，需要将其转换为希望形态的代码转换部。

虽然可以根据外部引入的信息信号控制连接的各负载，但负载的自带开关或容量(Volume)、轮开关等基于旋转输入手段的强制控制信号具有优先权，可以进行优先控制，这种情况下可以通过引入外部信息的通道上传当前控制状态信息，可以将各电力控制负载容量及控制值相关耗电信息、功率因数信息或故障诊断信息等负载信息上传至控制整体的服务器或通信主机。

如果没有具有有源功能的上层服务器装置，电力控制发送端可以兼具控制开关、轮开关、触摸屏等输入手段和通过LED、OLED、LCD显示等显示状态的用户接口手段等服务器功能，通过上述多种有、无线渠道接收温度、湿度、亮度或感知传感器等其它电气设备控制的数值的感知当前值，以此为参考，在限定空间内部进行负反馈(Negative Feedback)自动控制的结构是可能的。

上述各接收侧控制部应能够进行固有ID的输入、变更，且能够进行保存。应能够根据特性赋予分组ID，采用开关等输入手段都可以。

期望的接收侧负载端的控制部为避免因ID输入手段增加部件提高产品的成本，将通过有线或无线进行通信的ID输入装置以连接器进行连接是非常有效的，例如，外部有Bluetooth连接的连接器，在此处安装Bluetooth模块，基于使Bluetooth通信成为可能的智能手机的应用程序，通过无线读取或变更相关设备的ID值。

虽然在LED照明灯或电源装置等接收侧通过与交流方式相同的桥式整流电路将电源转换为一定值的固定直流电压，但因为传输的电源是直流电源，所以不需要具有平滑功能的电解电容器等，只要安装小尺寸、小容量的片式多层陶瓷电容器(MLCC)等电容器即可。

在生成直流电源的直流电源装置或电源电池内安装由几个大容量电解电容器构成的模块，电解电容器出现异常时，确保易于进行模块的拆除和更换，将其放置在易于进行直流电源装置管理的场所，或分离为直流电源装置的一部分，分离为电解电容器盒进行管理将使管理更加便利，因为这是发生故障的主要原因。相应的电解电容器发生故障时，将其置于可以检出故障的电路当中，通过LED及其它显示手段进行显示，从而带来管理上的效益。

主要用于控制时，为上传是否正常动作等状态信息，必须能够进行双向通信，因此需要本发明中的同时进行电力传输和双向通信的过程。

因为一条通信线上只能存在一个发送侧，应如同RS-485等的通信协议，分为电力发送侧主机(Master)、各电力接收侧从属机(Slave)，按照事先约定的顺序向共同使用的线路输出信号。

虽然电力发送侧为发送信号使用了H桥电路，但电力接收侧可以基于低电力驱动，所以使用了可以进行输出控制的一般差分输出电路，只在可以进行通信的规定顺序的时间内进行差分输出，这种情况下，确保电力发送侧或其它电力接收侧线路维持高阻抗。

进行双向通信时，电力接收侧在传输信号期间无法从电力发送侧获得电力，此时为储备电力接收侧将要使用的电力配备小容量的电容器或电池。配备电容器充电使用的电路在电力接收侧发送信号时，线路需要和电容器暂时断开，即在电力接收侧采用开关手段传输信号的期间需要断开连接。电力接收侧使用比较器等参考2条线路的电压比较输出可以了解电力发送侧发送的信息，通过这种方式至少可以进行部分双向通信。

作为本发明的具体实施例，电力发送侧与直流电源装置的输出连接使用的情况居多，与直流电源装置一体化时比较方便，另外期望是与直流电源装置后端相连的模块或适配器形态。

与此相反，电力接收侧位于电线和负载装置之间，中间可以连接模块活插座或适配器的形态，或者与负载一体化。特别是电力接收侧，可以和PWM驱动电路等可IC化部分绑定形成一个直接电路，具有经济性好、可靠性高和体积小的优点。

目前正在研究超高压直流输配电(HVDC)技术，为在岛屿或偏远地方构建独立的小电网，也正在研究微电网技术。这可以被称为直流输配电环境。上述技术被用户用作调节负载的手段，也可以进一步扩大范围，用作电网单位。

在直流输配电环境中，电力公司或电力交易所或管理局部电网的电力当局参考当前的电力储备率，对供电不一致导致的预计停电风险进行等级化及数据化，并将该数据和直流输配电线的极性变动对应，传播至各用户处，各用户解码后根据危险等级切断重要度低的负载，或根据事先约定的方式将负载调节至目标控制值，调节用户的负载，进行电力需求反应。

不仅是风险等级，而且还可以将直接切断、调节负载的指令与直流电的极性变化相对应，传达至各用户处，从而可以构建针对指令发生反应，根据事先约定管理用户负载的需求反应系统。在这种情况下，数据或控制指令的识别ID是以全体为对象的。

实施发明的最佳的形式

无相应内容。