輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，該裝置包括：電源單元，將輸入的交流電源進行變壓、整流和濾波處理輸出直流電源；反饋單元包括檢測電路和測量電路，檢測電路通過測量電路測量導通壓降的高低來判別功率模塊是否過流和過壓，并輸出過流或過壓故障信號給外接控制電路；控制信號單元接收外接電路的輸入信號并將該輸入信號轉換為控制信號輸出至驅動電路單元；驅動電路單元包括邏輯電路、信號調理電路和放大電路，接收控制單元輸出的控制信號并對故障信號進行調節，驅動功率模塊動作。通過反饋單元對功率模塊的過流和過壓進行監控，一旦過流或過壓即通過故障信號觸發控制信號單元，控制信號單元通過驅動電路單元控制功率模塊關斷。
【專利說明】輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及輔助變流器技術，尤其涉及一種輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的發展，直流斬波、整流、逆變、變頻及眾多新興技術已經開始應用于鐵路軌道交通，將在電力牽引領域發揮越來越重要的作用。
[0003]降壓斬波器是機車輔助電路系統中重要的組成部分，機車輔助電路系統降壓斬波器是將機車主電路中的直流電壓通常是1800V斬波降至輔助電路系統逆變器所需的直流電壓通常是540V。現有的降壓斬波器驅動裝置均為外購，結構復雜，且采購成本和日常維護維修成本較高。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，用于克服現有技術中的缺陷，實現簡化結構并降低成本。
[0005]本發明提供的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，該驅動裝置包括:
[0006]電源單元，將輸入的交流電源進行變壓、整流和濾波處理輸出直流電源為反饋單元和驅動電路單元供電；
[0007]所述反饋單元，與所述電源單元連接，包括檢測電路和輸出端與所述檢測電路連接的測量電路，所述檢測電路通過所述測量電路測量導通壓降的高低來判別功率模塊是否過流和過壓，并輸出過流或過壓故障信號給外接電路；測量電路輸入端連接所述功率模塊；
[0008]所述控制信號單元，輸出端與驅動電路單元連接，接收外接電路的輸入信號并將該輸入信號轉換為控制信號輸出至驅動電路單元；
[0009]所述驅動電路單元，兩端與所述電源單元連接，包括邏輯電路、信號調理電路和放大電路，接收控制單元輸出的控制信號并對過流和過壓故障信號進行調節，經所述邏輯電路和信號調理電路及放大電路處理，驅動功率模塊動作；邏輯電路輸入端與控制信號單元輸出端連接，輸出端連接檢測電路；信號調理電路輸入端連接邏輯電路，輸出端連接放大電路輸入端，放大電路輸處端連接所述功率模塊。
[0010]本發明提供的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，通過反饋單元對功率模塊的過流和過壓進行實時監控，一旦過流或過壓即通過故障信號觸發外接電路發出輸入信號給控制信號單元，控制信號單元將該輸入信號轉換為控制信號發送給驅動電路單元，驅動電路單元根據該控制信號對過流和過壓故障信號進行調節，經邏輯電路和信號調理電路及放大電路處理，控制功率模塊關斷。
【專利附圖】
【附圖說明】[0011]圖1為本發明實施例提供的原理圖；
[0012]圖2為本發明實施例提供的電源單元的電路圖；
[0013]圖3為本發明實施例提供的反饋單元的電路圖；
[0014]圖4為本發明實施例提供的控制單元的電路圖；
[0015]圖5為本發明實施例提供的驅動電路單元中邏輯電路的電路圖；
[0016]圖6為本發明實施例提供的驅動電路單元中測量電路的電路圖；
[0017]圖7為本發明實施例提供的驅動電路單元中信號調理電路的電路圖；
[0018]圖8為本發明實施例提供的驅動電路單元中放大電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，本發明實施例提供的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，該驅動裝置包括:電源單元1、反饋單元2、控制信號單元3和驅動電路單元4,其中電源單元I將輸入的交流電源進行變壓、整流和濾波處理輸出直流電源為驅動電路供電；反饋單元2與電源單元I連接，包括檢測電路和輸出端與檢測電路連接的測量電路，檢測電路通過測量電路測量導通壓降的高低來判別功率模塊5是否過流和過壓，并輸出過流或過壓故障信號給外接電路；測量電路輸入端連接功率模塊5 ;控制信號單元3輸出端與驅動電路單元4連接，接收外接電路的輸入信號并將該輸入信號轉換為控制信號輸出至驅動電路單元4;驅動電路單元4兩端與電源單元I連接，包括邏輯電路、信號調理電路和放大電路，接收控制單元輸出的控制信息并對過流和過壓故障信號進行調節，經邏輯電路和信號調理電路及放大電路處理，驅動功率模塊5動作；邏輯電路輸入端與控制信號單元輸出端連接，輸出端連接檢測電路；信號調理電路輸入端連接邏輯電路，輸出端連接放大電路輸入端，放大電路輸處端連接所述功率模塊。
[0020]本發明提供的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，通過反饋單元對功率模塊的過流和過壓進行實時監控，一旦過流或過壓即通過故障信號觸發外接電路發出輸入信號給控制信號單元，控制信號單元將該輸入信號轉換為控制信號發送給驅動電路單元，驅動電路單元根據該控制信號對過流和過壓故障信號進行調節，經邏輯電路和信號調理電路及放大電路處理，控制功率模塊關斷。本發明已經成功應用于新型八軸電力機車輔助變流器，驅動裝置接受來自外接控制電路的控制信號，將這些信號轉換為驅動降壓斬波器工作的驅動信號，并提供給降壓斬波器。這里所提降壓斬波器，主電路采用Buck電路結構，實現DC1800V到DC600V的電源變換；其輸入電壓為電力機車主變流器中間電壓，輸出電壓為三相逆變器和充電機提供所需電源。
[0021]如圖2所示，作為上述實施例的優選實施方式，電源單元由變壓器19和至少三個全波整流電路構成，其中變壓器19原邊繞組連接交流電源，變壓器19副邊繞組連接所有全波整流電路；本實施例中包含三個全波整流電路，依次為第一全波整流電路10、第二全波整流電路20和第三全波整流電路30，其中第一全波整流電路10輸出正壓直流電，第二全波整流電路20輸出負壓直流電，第三全波整流電路30輸出直流電為反饋單元供電。全波整流電路均包括四個第二二極管22、一個電源芯片90和一個第一電容31，第一電容31兩端分別連接電源芯片90的針腳；其中四個第二二極管22每兩個分成兩組，每組第二二極管22并聯形成一個支路，該兩個支路其中一端連接變壓器19副邊繞組，另一端連接在第一電容31兩端。
[0022]交流電源連接有第一電阻11和第一二極管21，其中該第一電阻11和該第一二極管21并聯。
[0023]正壓直流電和負壓直流電之間連接有用于指示電路工作電源正常與否的指示燈電路40。
[0024]輸入的24V/35kHz交流電源經電源單元變壓、整流、濾波環節后，輸出±15V直流電源，為斬波器驅動電路供電。變壓器19的原邊繞組接第一電阻11和第一二極管21并聯后的電路，其中第一二極管21用來限制輸入電流流通路徑，第一電阻11為輸入電源電流提供由右向左的反向的耗能的流通路徑，使得變壓器工作過程中的原邊繞組儲能得以快速、安全釋放，減少電磁干擾。變壓器19的副邊繞組有三路輸出，分別接四個第二二極管22構成的全波整流電路，經電源芯片90從而得到直流輸出電壓VYl和V2P± 15V，第一電容31用來減少輸出電壓紋波。
[0025]指示燈電路40中的穩壓管保證在設定的工作電流范圍內即穩壓二極管正常工作時，管子兩端的電壓維持在15V。在電路中適當位置分別接入平波電容，為瞬間的電流變化提供釋能/儲能元件，以減小電壓脈動。發光二級管用來指示電路工作電源正常，穩壓二極管和電阻用來限制流過發光二級管的電流大小。
[0026]如圖3所示，檢測電路包括第一驅動芯片41和用于測量導通壓降的高低的第一光電率禹合器51,第一光電稱合器51輸出端與第一驅動芯片41的輸入引腳之間連接有一并聯電路，該并聯電路由第三二極管23和第二電阻12并聯構成，第一驅動芯片41的輸出引腳通過與其串聯的用于限制輸出信號電流的第三電阻13與外接控制電路連接。
[0027]反饋單元的電路具有過流和過壓保護功能，通過檢測功率模塊以下簡稱IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流或過壓，一旦過流或過壓，將對IGBT實施關斷，并輸出過流/過壓故障信號。
[0028]輸出端連接的第三電阻13用來限制輸出信號電流，使電路外接端口的輸入/輸出信號阻抗匹配。第一驅動芯片41是雙路高速MOSFET驅動芯片，此處用來提升輸出信號0UTA.0UTB的信號功率，以滿足外接電路要求。第一驅動芯片41的輸入信號INA/INB相同，兩輸出0UTA、0UTB互補。
[0029]輸入信號來自于第一光電耦合器51，以實現本電路與外接電路之間的電氣隔離。第一光電稱合器51與第一驅動芯片41的輸入引腳之間連接有第二電阻12與第三二極管23并聯的電路。當第一光電耦合器51的內置二極管2-3腳為低電平時，通過第二電阻12從第一驅動芯片41輸入腳INA拉出向右的電流，第二電阻12可限制這個電流的大小；當第一光電I禹合器51的內置二極管2-3腳為高電平時,通過三二極管23向第一驅動芯片41輸入腳INA輸入向左的電流。電阻RB7作為第一光電I禹合器51內置三極管的上拉電阻使得三極管處于通態時，第一光電耦合器51的內置二極管2-3腳為低電平，斷態時，為高電平，與三極管相接的電源VY2通過濾波電容CB3接地，濾波電容CB3對直流電源起到了濾波作用。
[0030]如圖4所示，控制信號單元包括低通濾波器、第二光電耦合器52、第一穩壓管61和第四二極管24，其低通濾波器由第二電容32和串聯在該第二電容32兩極板間的第四電阻14和第五電阻15構成，其中第四電阻14和第五電阻15之間還串聯有用于與外接控制電路件的阻抗匹配的第六電阻16，該第六電阻16兩端連接該外接控制電路，第一穩壓管61和第四二極管24串聯在該第二電容32兩極板之間，第四二極管24兩端分別連接第二光電耦合器52的輸入端。
[0031]PULSE控制信號為差分信號來自于外接控制電路，通過本電路的信號端口引入。PULSE信號并聯連接第六電阻16，用于實現與外接控制電路間的阻抗匹配，以利于信號的正常傳輸。低通濾波器對PULSE信號進行濾波，同時，第四電阻14和第五電阻15還可以限制流入第二光電稱合器52內置發光二極管的電流大小。第二光電稱合器52是用光纖傳輸光信號的光電耦合器，使信號可以較遠距離可靠傳輸，實現信號的電隔離，保證有適當的絕緣強度和高的噪聲阻抗。
[0032]如圖5所示，邏輯電路由第二驅動芯片42、輸出端與該第二驅動芯片42輸入針腳連接的第三光電I禹合器53和輸入端與該第二驅動芯片42輸出針腳連接的第四光電I禹合器54連接構成，其中第三光電耦合器53輸入端連接第二光電耦合器52輸出端，如圖4所示，第四光電I禹合器54輸出端連接第一光電I禹合器51輸入端；如圖3所不。
[0033]如圖6所示，測量電路由第三驅動芯片43、第四驅動芯片44、第五驅動芯片45依次連接構成，其中第四驅動芯片44的輸出引腳與第二驅動芯片42的輸入引腳連接，如圖5所示，第四驅動芯片42的輸入引腳連接功率模塊5的C端，如圖1所示，第三驅動芯片43輸入引腳通過串聯的第七電阻17和一端接地的第三電容33連接第二驅動芯片42的輸出引腳；
[0034]如圖7所示，信號調理電路由第六驅動芯片46和連接在該第六驅動芯片46同一輸出引腳的第一支路70和第二支路80構成，第六驅動芯片46的輸入引腳連接第五驅動芯片45的輸出引腳連接，如圖6所示，其中第一支路70輸出正壓方波，第二支路80輸出負壓方波；其中信號調理電路輸出負壓方波的支路即第二支路80連接有用于控制信號品質的第七驅動芯片47。
[0035]如圖8所示，放大電路由第四電容34、第二穩壓管62、第三穩壓管63、與第四電容34并聯的第八電阻18及第五二極管25構成，其中第二穩壓管62與第三穩壓管63串聯后形成的電路與第四電容34并聯，第二穩壓管62與第四電容34之間通過兩個并聯支路分別與信號調理電路的第一支路70及第二支路80連接，如圖7所示，第三穩壓管63與第四電容34之間接地，第五二極管25兩端分別連接功率模塊5的G極和E極，如圖1所示。
[0036]本實施例中的驅動電路單元采用雙電源驅動技術，使輸出負柵壓比較高。信號傳輸延遲時間短，低電平-高電平的傳輸延遲時間以及高電平到低電平的傳輸延遲時間都在；第二驅動芯片42是雙高速MOSFET驅動芯片，輸入信號INA/INB相同，兩輸出信號0UTA、OUTB反相相同，上拉電阻Rr4作為第二驅動芯片42的內置三極管的上拉電阻，使得三極管處于通態時，第二驅動芯片42的2-3腳為低電平，斷態時，為高電平。5V電源是由電源VC2提供。第四光電稱合器54和第一光電稱合器51實現了信號的較遠距離可靠傳輸，PULSE脈沖控制信號由第二光電I禹合器52向第三光電I禹合器53傳輸,故障檢測反饋信號由第四光電率禹合器54返回到第一光電稱合器51。
[0037]電阻Rrll限制第二驅動芯片42輸出電流的大小。負電源V2P-通過偏置電阻Rr6為第四光電耦合器54內置二極管提供負向偏置，保證其可靠關斷，以免受到外界電磁干擾影響而異常導通。接地二極管Dr9用來保證第四光電耦合器54內置二極管的陽極電位不低于-0.7V，以免第四光電耦合器54內置二極管損壞。
[0038]第七電阻17和第三電容33對方波脈沖信號起到了相位延遲的作用，方波脈沖信號來自于第二驅動芯片42的輸出信號。利用第七電阻17和第三電容33充電使輸入信號產生延遲，通過與非門使輸出信號產生死區來防止上下橋臂開關器件直通。利用外接低成本的電阻、電容元件實現加入死區的功能，可以降低成本。
[0039]通過判斷導通壓降的高低來判別IGBT是否過流和過壓，IGBT的集電極發射極間產生過電壓的類型有兩類，即IGBT關斷過電壓和續流二極管反向恢復過電壓。通過檢測各個橋臂上的電流，當該電流值超過設定的閥值時，封鎖該橋臂IGBT的驅動信號。過壓和過流保護相結合的保護策略，使裝置的可靠性大大提高。
[0040]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
【權利要求】
1.一種輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，該驅動裝置包括: 電源單元，將輸入的交流電源進行變壓、整流和濾波處理輸出直流電源為反饋單元和驅動電路單元供電； 所述反饋單元，與所述電源單元連接，包括檢測電路和輸出端與所述檢測電路連接的測量電路，所述檢測電路通過所述測量電路測量導通壓降的高低來判別功率模塊是否過流和過壓，并輸出過流或過壓故障信號給外接控制電路；測量電路輸入端連接所述功率模塊； 所述控制信號單元，輸出端與驅動電路單元連接，接收外接電路的輸入信號并將該輸入信號轉換為控制信號輸出至驅動電路單元； 所述驅動電路單元，兩端與所述電源單元連接，包括邏輯電路、信號調理電路和放大電路，接收控制單元輸出的控制信號并對過流和過壓故障信號進行調節，經所述邏輯電路和信號調理電路及放大電路處理，驅動功率模塊動作；邏輯電路輸入端與控制信號單元輸出端連接，輸出端連接檢測電路；信號調理電路輸入端連接邏輯電路，輸出端連接放大電路輸入端,放大電路輸處端連接所述功率模塊。
2.根據權利要求1所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述電源單元由變壓器和至少三個全波整流電路構成，其中變壓器原邊繞組連接交流電源，變壓器副邊繞組連接所述全波整流電路；其中一個所述全波整流電路輸出正壓直流電，有一個所述全波整流電路輸出負壓直流電；其中有一個全波整流電路輸出直流電為反饋單元供電。
3.根據權利要求2所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述交流電源連接有第一電阻和第一二極管，其中該第一電阻和該第一二極管并聯； 所述全波整流電路均包括四個第二二極管、一個電源芯片和一個第一電容，所述第一電容兩端分別連接所述電源芯片的針腳；其中四個第二二極管每兩個分成兩組，每組第二二極管并聯形成一個支路，該兩個支路其中一端連接所述變壓器副邊繞組，另一端連接在所述第一電容兩端。
4.根據權利要求2或3所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述正壓直流電和負壓直流電之間連接有用于指示電路工作電源正常與否的指示燈電路。
5.根據權利要求1所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述檢測電路包括第一驅動芯片和用于測量導通壓降的高低的第一光電耦合器，所述第一光電耦合器輸出端與第一驅動芯片的輸入引腳之間連接有一并聯電路，該并聯電路由第三二極管和第二電阻并聯構成，所述第一驅動芯片的輸出引腳通過與其串聯的用于限制輸出信號電流的第三電阻與外接控制電路連接。
6.根據權利要求1所述的所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述控制信號單元包括低通濾波器、第二 光電耦合器、第一穩壓管和第四二極管，其中所述低通濾波器由第二電容和串聯在該第二電容兩極板間的第四電阻和第五電阻構成，其中第四電阻和第五電阻之間還串聯有用于與外接控制電路件的阻抗匹配的第六電阻，該第六電阻兩端連接該外接控制電路，所述第一穩壓管和第四二極管串聯在該第二電容兩極板之間，所述第四二極管兩端分別連接第二光電耦合器的輸入端。
7.根據權利要求1所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述邏輯電路由第二驅動芯片、輸出端與該第二驅動芯片輸入針腳連接的第三光電耦合器和輸入端與該第二驅動芯片輸出針腳連接的第四光電耦合器連接構成，其中第三光電耦合器輸入端連接第二光電I禹合器輸出端，所述第四光電I禹合器輸出端連接第一光電I禹合器輸入端。
8.根據權利要求9所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，所述測量電路由第三驅動芯片、第四驅動芯片、第五驅動芯片依次連接構成，其中第四驅動芯片的輸出引腳與第二驅動芯片的輸入引腳連接，第四驅動芯片的輸入引腳連接功率模塊C端，第三驅動芯片輸入引腳通過串聯的第七電阻和一端接地的第三電容連接第二驅動芯片的輸出引腳。
9.根據權利要求1所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，信號調理電路由第六驅動芯片和連接在該第六驅動芯片同一輸出引腳的兩個支路構成，所述第六驅動芯片的輸入引腳連接第五驅動芯片的輸出引腳連接，其中一個支路輸出正壓方波，另一支路輸出負壓方波。
10.根據權利要求9所述的輔助變流器降壓斬波功率模塊驅動裝置，其特征在于，放大電路由第四電容、第二穩壓管、第三穩壓管、與第四電容并聯的第八電阻及第五二極管和構成，其中第二穩壓管與第三穩壓管串聯后形成的電路與第四電容并聯，所述第二穩壓管與第四電容之間通過兩個并聯支路分別與信號調理電路的兩個支路連接，第三穩壓管與第四電容之間接地，第五二極 管兩端分別連接功率模塊的G極和E極；其中信號調理電路輸出負壓方波的支路連接有用于控制信號品質的第七驅動芯片。
【文檔編號】H02M1/092GK103812312SQ201210447887
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月8日 優先權日:2012年11月8日
【發明者】閆強華, 閆蕊, 邢亮, 賀覓知, 劉鵬 申請人:中國北車集團大同電力機車有限責任公司