CN101630910B - 高压变流器的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压变流器，具体为高压变流器的驱动电路。解决目前没有成熟的高压变流器的驱动电路的问题。包括驱动电路、电源电路、保护电路；该高压变流器的驱动电路除了其各功能电路的结构具有自身特点外，其实质的特征是在驱动电路和保护电路中采用了光纤发射器、光纤接收器，在电源电路中采用了高压隔离芯片，从而有效实现了该高压变流器的驱动电路与其它电路之间的高压隔离，有效防止了流经高压变流器中的高压IGBT的高电压、大电流可能经驱动电路对与其连接的其它电路造成的损害。电气隔离可达到10kV；可以反馈Vce状态，保护IGBT功率模块安全运行；该驱动电路目前已成功装配于动车组四象限及逆变模块。

Description

高压变流器的驱动电路

技术领域

本发明涉及高压变流器，特别涉及高压变流器中的高压IGBT的驱动电路，具体为高压变流器的驱动电路。

背景技术

按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，供电电压≥10kV时称高压，1kV～10kV时称中压。但我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。高压电动机在企业及铁路领域中应用极为广泛，因此，我们把驱动1～10kV交流电动机的变流器称之为高压变流器。但目前我国的调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命低。因此，推广应用高压变频调速装置的效益和潜力是非常巨大的。而高压变流器的驱动电路是变流装置中关键核心部件，能够提供驱动信号和保护电路，此技术目前国内无成功案例，也没有相关的文献报告。现有的普通(低压)变流器的驱动电路主要包括驱动电路设计、信号变换以及输出电路设计、保护电路的设计等。与低压变流器的驱动电路相比，高压变流器的驱动电路设计有其特殊性，主要体现在高压变流器的驱动电路需与其它电路之间进行高压隔离，防止流经高压变流器中的高压IGBT的高电压、大电流对与其连接的其它电路造成损害；同时，高压变流器的驱动电路为适应高压的工作环境，其各功能电路(如驱动电路、保护电路、电源电路等)的结构与低压变流器的驱动电路相比都存在较大的差异。

发明内容

本发明为了解决目前没有成熟的高压变流器的驱动电路的问题，提供一种高压变流器的驱动电路。

本发明是采用如下技术方案实现的：高压变流器的驱动电路，包括驱动单元电路、电源电路、保护电路，所述的电源电路包括一个高压隔离芯片U1，高压隔离芯片U1的输入端与24VDC输入电源相连，高压隔离芯片U1的输出端连接有含有开关电源芯片U2的+15V电源电路和含有可调稳压(器)芯片U3的-15V电源电路，所述的电源电路还包括含有其输入端与15VDC输入电源相连的可调稳压芯片U4的+5V电源电路和含有其输入端与+15V电源电路的输出电源端相连的可调稳压芯片U5的+5V电源电路；所述的驱动单元电路包括驱动芯片U13，驱动芯片U13的信号输入端连接有触发脉冲接收电路，触发脉冲接收电路包括第一光纤发射器U6和第一光纤接收器U10，第一光纤接收器U10输出端与第一非门U11B的输入端相连，第一非门U11B的输出端与第一与非门U12A的一个输入端相连，第一与非门U12A的另一个输入端(经电阻)与+15V电源电路的输出电源端相连，第一与非门U12A的输出端与第四与非门U12D的一个输入端相连，第四与非门U12D的另一个输入端(经电阻)与+15V电源电路的输出电源端相连，第四与非门U12D的输出端与驱动芯片U13的信号输入端相连；所述的保护电路包括运放芯片U8，运放芯片U8的输入端与采自变流器主回路的电压信号Vce相连，运放芯片U8的输出端与电压比较器U9A的一个输入端相连，电压比较器U9A的另一个输入端与电阻分压电路相连，电压比较器U9A的输出端一路经第一与门U15A与驱动芯片U13的控制端相连、另一路经第二非门U15B反相再经第二光纤发射器U14和第二光纤接收器U7作为控制信号而输出。

使用时，当该高压变流器的驱动电路用于驱动机车上的高压变流器时，所述的24VDC输入电源和15VDC输入电源来源于机车上的供电系统。所述的触发脉冲来自于机车上的控制单元，即触发脉冲接收电路中的第一光纤发射器U6与机车上的控制单元的触发脉冲输出端相连。第二光纤接收器U7输出的控制信号反馈至机车上的控制单元。变流器主回路电压信号Vce采自变流器IGBT的主回路。驱动芯片U13的输出端G、E，即驱动芯片U13的26、28、30、36、38、40脚输出驱动信号经驱动电阻R152、R153及二极管D12送至两个IGBT的G极、IGBT配置板IGBT_ON端驱动IGBT进行导通或关断；驱动芯片U13的27、29、31、37、39、41脚经电阻R149、R151送至两个IGBT的E极；工作时，24VDC输入电源经高压隔离芯片U1，经U2变换成+15V电压，经U3变换成-15V电压；+15V电压经U5变换为+5V电压，给高压IGBT驱动电路提供+/-15V、+5V电源；另一路RE_15VDC输入电源经U4变换后产生RE_+5V隔离电压给Vce状态反馈信号光纤接收器U7提供电源；控制单元发出的触发脉冲经光纤发射器U6至光纤接收器U10，波形经第一非门U11B整形后送入驱动芯片U13，变化经U13的26、28、30、36、38、40脚输出驱动信号经驱动电阻R152、R153及D12送至两个IGBT的G极、IGBT配置板IGBT_ON端驱动IGBT进行导通或关断；经R149、R151送至两个IGBT的E极；变流器主回路电压信号Vce经运算放大器U8输出至电压比较器U9A与U9A的2脚电阻分压电路所提供的基准电压进行比较，比较后的电压分两路输出，一路经第二非门U15B反相至第二光纤发射器U14，再经第二光纤接收器U7输出经连接器输出向控制单元上报Vce状态信息，通过控制单元实施对IGBT进行保护，输出或封锁脉冲；另一路经第一与门U15A送至驱动芯片U13的33脚控制端，直接实施对IGBT进行保护。

本发明所述的高压变流器的驱动电路除了其各功能电路(如驱动电路、保护电路、电源电路等)的结构具有自身特点外，其实质的特征是在触发脉冲接收电路和保护电路中采用了光纤发射器、光纤接收器，在电源电路中采用了高压隔离芯片，从而有效实现了该高压变流器的驱动电路与其它电路(如触发脉冲产生电路、控制单元等)之间的高压隔离，有效防止了流经高压变流器中的高压IGBT的高电压、大电流可能经驱动电路对与其连接的其它电路造成的损害。该高压变流器的驱动电路还有如下的功能和特点：能同时驱动两个IGBT模块；可提供±15V的驱动电压；可提供±30A的峰值电流；具有准确可靠的驱动功能；通过检测Vce电压提供短路保护，具有灵活可调的IGBT过流和短路保护功能；可对电源电压进行欠压检测；电气隔离可达到10kV；占空比0-100％；可以反馈Vce状态，保护IGBT功率模块安全运行；该驱动电路目前已成功装配于动车组四象限及逆变模块，并将应用在大功率四轴车电力机车上，能够满足了用户现场的实际需求，取得了良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明所述高压变流器的驱动电路的电源电路原理图；

图2为本发明所述高压变流器的驱动电路的驱动和保护电路的原理图；

具体实施方式

高压变流器的驱动电路，包括驱动单元电路、电源电路、保护电路，所述的电源电路包括一个高压隔离芯片U1，高压隔离芯片U1的输入端与24VDC输入电源相连，高压隔离芯片U1的输出端连接有含有开关电源芯片U2的+15V电源电路和含有可调稳压(器)芯片U3的-15V电源电路，所述的电源电路还包括含有其输入端与15VDC输入电源相连的可调稳压芯片U4的+5V电源电路和含有其输入端与+15V电源电路的输出电源端相连的可调稳压芯片U5的+5V电源电路；所述的驱动单元电路包括驱动芯片U13，驱动芯片U13的信号输入端连接有触发脉冲接收电路，触发脉冲接收电路包括第一光纤发射器U6和第一光纤接收器U10，第一光纤接收器U10输出端与第一非门U11B的输入端相连，第一非门U11B的输出端与第一与非门U12A的一个输入端相连，第一与非门U12A的另一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连，第一与非门U12A的输出端与第四与非门U12D的一个输入端相连，第四与非门U12D的另一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连，第四与非门U12D的输出端与驱动芯片U13的信号输入端相连；所述的保护电路包括运放芯片U8，运放芯片U8的输入端与采自变流器主回路的电压信号Vce相连，运放芯片U8的输出端与电压比较器U9A的一个输入端相连，电压比较器U9A的另一个输入端与电阻分压电路相连，电压比较器U9A的输出端一路经第一与门U15A与驱动芯片U13的控制端相连、另一路经第二非门U15B反相再经第二光纤发射器U14和第二光纤接收器U7作为控制信号而输出。

具体实施时，开关电源芯片U2、可调稳压(器)芯片U3、可调稳压芯片U4、可调稳压芯片U5都配置有相应的处围电路，在所用芯片型号已知的情况下，外围电路的设置对本领域技术人员来讲是公知的。开关电源芯片U2可采用PT6100，可调稳压芯片U3、U4、U5可选用LT1086IT，高压隔离芯片U1可选用LHVI-151818。所述的驱动芯片U13需配置相应的、公知的外围电路。第一光纤发射器U6的输入端连接有由二极管D16、电阻R15-R18、二极管D5、D6、电容C22构成的常规前置电路，用于对输入脉冲信号的限流；同样地，第二光纤发射器U14的前端也设有由二极管D10、二极管D11A、电阻R33-R35、电容C44构成的常规前置电路，第二光纤接收器U7的输出端还连接有包括与门U18A、非门U18B的常规后置电路，用于第二光纤接收器U7输出信号的逻辑变换，为后续电路(控制单元)提供所需的信号。运放芯片U8的输入端与采自变流器主回路的电压信号Vce之间连接有常规的包括电阻R22、R23、R43、电容C20、C21、C22A以及二极管D7的信号采集电路，用于对电压信号Vce的降压、限流。电压比较器U9A的另一个输入端所连的电阻分压电路由电阻R24-R26串联而成，电压比较器U9A的另一个输入端与电阻R25和电阻R26之间的连接节点相连。

第一与非门U12A的另一个输入端替换以反馈控制电路(即第一与非门U12A的另一输入端从与+15V电源电路的输出电源端相连改为与反馈控制电路相连)，该反馈控制电路包括第二与非门U12C、第三与非门U12B，第一与非门U12A的另一个输入端与第二与非门U12C的输出端相连，第二与非门U12C的一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连、另一个输入端与第三与非门U12B的输出端相连，第三与非门U12B的一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连、另一个输入端经电阻R41、短路块S1与控制芯片U13的反馈信号输出端SO相连、同时与连接于+15V电源电路的输出电源端与地之间的电阻R40、电容C37的串联支路中的电阻、电容之间的节点相连。工作时，当短路块S1断开时，反馈控制电路处于非工作状态，当闭合短路块S1时，当保护电路检测到变流器主回路电流异常时(如短路或过流)，保护电路向驱动芯片U13的控制端输出保护信号，驱动芯片U13在该信号作用下直接实施对IGBT进行保护的同时，其反馈信号输出端SO输出反馈信号(低电平)，使第三与非门U12B输出高电平，第二与非门U12C输出低电平，从而阻断控制单元发出的触发脉冲进入控制芯片U13，以实现进一步的充分保护。

具体实施时，所述的光纤发射器和光纤接收器可采用HFRB1522/HFRB2522型号，所述的运放芯片U8采用AD817型号，驱动芯片U13采用1SD1548。

Claims (2)

1.一种高压变流器的驱动电路，包括驱动单元电路、电源电路、保护电路，其特征为：所述的电源电路包括一个高压隔离芯片(U1)，高压隔离芯片(U1)的输入端与24VDC输入电源相连，高压隔离芯片(U1)的输出端连接有含有开关电源芯片(U2)的+15V电源电路和含有第一可调稳压芯片(U3)的-15V电源电路，所述的电源电路还包括含有其输入端与15VDC输入电源相连的第二可调稳压芯片(U4)的+5V电源电路和含有其输入端与+15V电源电路的输出电源端相连的第三可调稳压芯片(U5)的+5V电源电路；所述的驱动单元电路包括驱动芯片(U13)，驱动芯片(U13)的信号输入端连接有触发脉冲接收电路，触发脉冲接收电路包括第一光纤发射器(U6)和第一光纤接收器(U10)，第一光纤接收器(U10)输出端与第一非门(U11B)的输入端相连，第一非门(U11B)的输出端与第一与非门(U12A)的一个输入端相连，第一与非门(U12A)的另一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连，第一与非门(U12A)的输出端与第四与非门(U12D)的一个输入端相连，第四与非门(U12D)的另一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连，第四与非门(U12D)的输出端与驱动芯片(U13)的信号输入端相连；所述的保护电路包括运放芯片(U8)，运放芯片(U8)的输入端与采自变流器主回路的电压信号(Vce)相连，运放芯片(U8)的输出端与电压比较器(U9A)的一个输入端相连，电压比较器(U9A)的另一个输入端与电阻分压电路相连，电压比较器(U9A)的输出端一路经第一与门(U15A)与驱动芯片(U13)的控制端相连、另一路经第二非门(U15B)反相再经第二光纤发射器(U14)和第二光纤接收器(U7)作为控制信号而输出。

2.如权利要求1所述的高压变流器的驱动电路，其特征为：第一与非门(U12A)的另一个输入端替换以反馈控制电路，该反馈控制电路包括第二与非门(U12C)、第三与非门(U12B)，第一与非门(U12A)的另一个输入端与第二与非门(U12C)的输出端相连，第二与非门(U12C)的一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连、另一个输入端与第三与非门(U12B)的输出端相连，第三与非门(U12B)的一个输入端与+15V电源电路的输出电源端相连、另一个输入端经电阻(R41)、短路块(S1)与控制芯片(U13)的反馈信号输出端(SO)相连、同时与连接于+15V电源电路的输出电源端与地之间的电阻(R40)、电容(C37)的串联支路中的电阻、电容之间的节点相连。

Images