CN101888179A - 一种混合动力挖机dc/dc控制及驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，包括一充电回路及一放电回路，其特征在于：所述第二开关管的控制端与一PWM控制电路连接，该PWM控制电路由采样电阻、光耦隔离放大器、PWM控制器及驱动电路构成，所述采样电阻的采样点分别连接于所述升压电路的输出滤波电容两端上；还包括设置于所述充电回路与电容器之间的预充电回路，由第一继电器与一限流电路并联组成。本发明由PWM控制电路提供驱动放电回路中第二开关管的开关脉冲，响应速度快，避免传输信号过程的延迟，实现对直流母线电压的精确控制，同时由预充电路为电容器提供充电保护，使充电回路更为安全，延长使用寿命。

Description

一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路

技术领域

本发明涉及一种DC/DC控制驱动电路，尤其涉及一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路。

背景技术

通常所说的混合动力一般是指油电混合动力，即燃料(汽油，柴油等)和电能的混合。混合动力挖掘机是有电动马达作为发动机辅助动力驱动的挖掘机。混合动力挖掘机的燃油经济性能高，而且整体性能优越，混合动力挖掘机的发动机要使用燃油，而且在起步、加速、回转时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗，简单地说，就是与同样大小的挖掘机相比，燃油费用更低。

发动机启动时或者发动机加速以及回转电机回转时，可由接在直流母线上超级电容提供瞬时放电功率，通过逆变器驱动电机。直流母线与电容端的电压匹配，随着电容的放电，电容端电压会不断下降，电容端电压波动会直接影响到逆变器端电压，对最终控制电机的平稳运行存在一定的风险。如果要保持电容端电压的变化对电机控制影响不大，那么电容要做的很大，体积和价格都是问题。为了能保证直流母线端电压稳定的同时电容体积尽可能小的前提下，DC/DC这种电压转换装置被提出。DC/DC主要是用来稳定直流母线电压，当电容端电压随着放电而下降时，可以通过DC/DC的升压作用将直流母线的电压稳定。

上述DC/DC升压作用是通过升压电路(boost电路)来实现，基本boost电路主要由滤波电容、功率开关管(IGBT)、功率电感、续流二极管和输出滤波电容组成。在开关开通时，电感接在输入电源和地之间，电源对电感进行充电；当开关断开时，电感通过续流二极管接在输入和输出之间，将其所储存的能量传递到输出滤波电容上，并以此得到高于输入电压的输出电压。当被应用于混合动力挖机上时，电源输入即为超级电容器，输出为直流母线，提升电压以实现电容器与直流母线之间的电压匹配。

如上所述boost电路中，功率开关管的开通与断开是控制直流母线电压升压多少的关键，开关管导通时间越长，直流母线电压就会升得超高，因此需要得到精确控制。目前的控制策略为，控制器采集直流母线端电压信号，反馈到控制器，与给定三角波进行比较(或者期望波形进行比较)，生成相应的调制波形，再通过线路传输给驱动电路，这样线上本身就带来一定的延迟，响应速度下降，灵敏度不足，必将直接影响到直流母线上的电压值。

另外，DC/DC电压转换装置安装于直流母线与超级电容器之间，当为电容充电时，由于开机时电容内空，直接为电容充电，对电容产生冲击较大，影响到超级电容的使用安全性。同样，在制动能量回收时，瞬间会在与直流母线并联的滤波电容上产生高压，此时对电容充电会形成浪涌，对电容和IGBT都带来冲击。

据上所述，目前的DC/DC还不够完善，在用于大电流、大电容的混合动挖机上时，无法精确快速控制电压转换量，匹配性不足，影响电容使用安全及对电机的驱动力。

发明内容

本发明目的是提供一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，使用该电路可使电容与直流母线之间电压匹配性提高，控制升压量更为精确快速，同时有效提高电容充放电的安全性，延长使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，包括一充电回路及一放电回路，所述充电回路由第一开关管控制连接，所述放电回路为一升压电路，包括第二开关管、功率电感、续流二极管和输出滤波电容，所述第二开关管的控制端与一PWM控制电路连接，该PWM控制电路由采样电阻、光耦隔离放大器、PWM控制器及驱动电路构成，所述采样电阻的采样点分别连接于所述升压电路的输出滤波电容两端上，采样信号经所述光耦隔离放大器放大后输入所述PWM控制器中，输出信号经所述驱动电路输出驱动所述第二开关管；还包括一预充电回路，该回路设置于所述充、放电回路与电容器之间，由第一继电器与一限流电路并联组成，所述限流电路由第二继电器与限流电阻串联构成。

上述技术方案中，所述充、放电回路分别由一对IGBT开关管控制，当第一开关管导通时，第二开关管截止，电容器充电；当第一开关管截止，第二开关管导通时，第一开关管截止，电容器经升压电路放电。放电时，以PWM控制电路驱动第二开关管，从直流母线端通过采样电阻将输出滤波电容上的电压采样到光耦隔离放大器的前端，进行隔离放大，之后，采样信号会输入到PWM控制器中，对前级的采样信号与芯片内部的三角波形进行比较调制，产生一定脉宽的PWM调制波形，此PWM信号经驱动电路后，使第二开关管IGBT进行相应的开关动作。假如，设定直流母线稳压之后，若电容端的电压随着放大不断的下降，此时采样电路会检测到一个比设定值小的信号，此信号与PWM控制器中的三角波进行调制后，会生成一个脉宽变宽的调制波，此调制波送入驱动电路，会延长IGBT的导通时间。此后由于导通时间变长，直流母线电压就会升到，起到升压作用。通过PWM控制芯片生成PWM信号来驱动IGBT的通断，以硬件电路代替现有的软件控制(传感器与控制器的配合)，使得响应速度得到提高，增强了IGBT的灵敏度，精确控制直流母线输出电压。同时，设置预充电回路，首次充电时，打开第二继电器，关闭第一继电器，使充电电流经限流电阻后再充入电容，当电容器内的电压达到一定电位后，打开第一继电器，短路限流电阻，充电电流直接充入电容器中，从而避免首次充电对电容器产生的冲击，延长电容器的使用寿命，确保充电回路的安全性。在制动瞬间限制浪涌也可采用类似方法。

上述技术方案中，所述驱动电路为由一IGBT驱动光耦隔离放大器及一对推挽功放MOS管组成，所述推挽功放MOS管的输出与所述第二开关管的控制端连接，还包括一预压电阻，该预压电阻的一端并接于所述IGBT驱动光耦隔离放大器的输出端上，另一端与所述第二开关管栅极连接。对于推挽功放MOS管，其建立栅源电压也需要一定时间，这样对于总体电路的开通延迟会增大，故而增加一路直接从光耦输出到IGBT的线路，此路的作用主要是，在推挽功放MOS管还未导通前，先由此路对IGBT的栅极电容充电，待推挽功放MOS管导通时，此时IGBT栅极已经积累一定的电压，这样可以减少IGBT开通时间，减小开通延迟，加快整个电路的反应速度。

上述技术方案中，所述充、放电回路与电容器之间设有一熔断器。熔断器可制定在600A，一旦电路发生短路，此时线路电流就很大，电流超过600A时，熔断器断后电路，对电容器和IGBT起到基本的保护作用。

上述技术方案中，所述PWM控制器包括一误差放大器及一PWM比较器，所述误差放大器的输入端与所述光耦隔离放大器的输出端连接，误差放大器的输出端与所述PWM比较器的输入端连接，比较波形由该PWM比较器的另一输入端输入，所述PWM比较器的输出端与所述驱动电路连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明中采样电阻、光耦隔离放大器、PWM控制电路构成对放电回路上第二开关管的控制电路，通过采样直流母线两端的电压，以PWM控制电路比较输出驱动第二开关管的脉冲，以硬件电路驱动开关管，与以往传感器+软件控制的驱动方式，避免了信号传输带来的延迟及干扰现象，提高响应速度及灵敏度，精确调整直流母线的输出电压，增强直流母线与电容器之间的匹配度；

2.设置预充电路，为电容器在首次充电时提供预充电压，瞬间制动时，避免瞬间上电对电容器造成的冲击，从而提高电容器及充电回路的使用安全性，延长使用寿命；

3.充放电回与电容器之间串接一熔断器，在电路发生短路时，及时断开电路，保证了整个充、放电路的使用安全性；

4.在对第二开关管IGBT的驱动电路中，以一推挽功放MOS管对IGBT进行驱动，同时增加一从光耦隔离放大器直接到IGBT栅极的线路，从而在推挽功放MOS管未导通前，由该线路先为IGBT栅极电容充电，减少开通时间，避免开通延迟对整个电路的影响，提高响应速度。

附图说明

图1是本发明实施例一的使用状态参考图；

图2是本发明实施例一的电路原理框图；

图3是本发明实施例一中PWM控制电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1～3所示，一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，包括一充电回路、一放电回路及预压回路，所述充电回路由第一开关管S1控制连接，所述预回路设置于充、放电回路与电容器C2之间，由第一继电器J1与一限流电路并联组成，所述限流电路由第二继电器J2与限流电阻R3串联构成；所述放电回路为一升压电路，包括第二开关管S2、功率电感L、续流二极管D1和输出滤波电容C1，所述第二开关管S2的控制端与一PWM控制电路连接，该PWM控制电路由采样电阻R1、R2、光耦隔离放大器HCPL-7800、PWM控制器SG2525及驱动电路构成，所述采样电阻R1、R2的采样点分别连接于所述升压电路的输出滤波电容C1两端上，采样信号经所述光耦隔离放大器HCPL-7800放大后输入所述PWM控制器SG2525中，输出信号经所述驱动电路输出驱动所述第二开关管S2；所述驱动电路为由-IGBT驱动光耦隔离放大器HCPL-314J及一对推挽功放MOS管QS-A、QS-B组成，所述推挽功放MOS管的输出与所述第二开关管S2的控制端连接，所述光耦隔离放大器HCPL-7800的输出端并接一预压电阻R4，该预压电阻R4的另一端与所述第二开关管S2控制端连接，如图3所示。

如图2所示，所述充、放电回路与电容器C2之间设有一熔断器FS，参数可选择250V/600A，电路一旦发生短路，此时线路电流瞬间升高，当电流超过600A时，熔断器FS断开，保护电容器C2和IGBT管S1、S2，对整个电路起到基本的保护作用。

如图3所示，所述PWM控制器包括一误差放大器及一PWM比较器，所述误差放大器的输入端与所述光耦隔离放大器的输出端连接，误差放大器的输出端与所述PWM比较器的输入端连接，比较波形由该PWM比较器的另一输入端输入，所述PWM比较器的输出端与所述驱动电路连接。

其工作过程：电容器C2放电时，电容端电压会随着放电时间的增加而不断降低。如果要维持直流母线的电压恒定，必须用到DC/DC来实现升压功能。升压控制时，第二开关管S2工作，第一开关管S1截止，此时S2、D1、L、C1是基本的boost电路(升压电路)。第二开关管由PWM控制电路输出信号控制其开通和关断，在直流母线端通过高精度的采样电阻R1、R2，将直流母线采样到光耦隔离放大器HCPL-7800A的前端，进行隔离放大，之后，采样信号会输入到PWM控制器S62525进行调制，对前级的采样信号进行进一步的误差放大，此后将此误差放大信号与芯片内部的三角波进行比较，产生一定脉宽的PWM调制波形。此PWM信号最终被送入到驱动电路中，通过推挽功放MOS管与预压电阻R4的输出，驱动第二开关管S2。假如，设定直流母线稳压之后，若电容端的电压随着放电不断下降，此时采样电路会检测到一个比设定值小的信号，此信号与PWM控制器S62525的三角波进行调制比较后，会生成一个脉宽变宽的调制波，此调制波送入驱动电路，会延长第二开关管S2的导通时间，此后由于导通时间变长，直流母线电压就会升高，起到升压作用，实现恒压控制。其中，设置推挽功放MOS管与预压电阻R4一并输出驱动第二开关管S2，是由于建立推挽功放MOS管的栅源电压需要一定时间，这样对于总体电路的开通延迟会增大，在推挽的MOS还未导通前，先由预压电阻R4对第二开关管S2的栅极电容充电，加快IGBT开关管S2的导通。在MOS管导通时，此时栅极已经积累一定的电压，之后栅极电压由推挽功放MOS管与预压电阻R4共同加入，可以减少IGBT开关管S2的开通时间，减小开通延迟，提高控压灵敏度。

Claims (4)

1.一种混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，包括一充电回路及一放电回路，所述充电回路由第一开关管控制连接，所述放电回路为一升压电路，包括第二开关管、功率电感、续流二极管和输出滤波电容，其特征在于：所述第二开关管的控制端与一PWM控制电路连接，该PWM控制电路由采样电阻、光耦隔离放大器、PWM控制器及驱动电路构成，所述采样电阻的采样点分别连接于所述升压电路的输出滤波电容两端上，采样信号经所述光耦隔离放大器放大后输入所述PWM控制器中，输出信号经所述驱动电路输出驱动所述第二开关管；还包括一预充电回路，该回路设置于所述充、放电回路与电容器之间，由第一继电器与一限流电路并联组成，所述限流电路由第二继电器与限流电阻串联构成。

2.根据权利要求1所述的混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，其特征在于：所述驱动电路为由一IGBT驱动光耦隔离放大器及一对推挽功放MOS管组成，所述推挽功放MOS管的输出与所述第二开关管的控制端连接，还包括一预压电阻，该预压电阻的一端并接于所述IGBT驱动光耦隔离放大器的输出端上，另一端与所述第二开关管栅极连接。

3.根据权利要求1所述的混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，其特征在于：所述充、放电回路与电容器之间设有一熔断器。

4.根据权利要求1所述的混合动力挖机DC/DC控制及驱动电路，其特征在于：所述PWM控制器包括一误差放大器及一PWM比较器，所述误差放大器的输入端与所述光耦隔离放大器的输出端连接，误差放大器的输出端与所述PWM比较器的输入端连接，比较波形由该PWM比较器的另一输入端输入，所述PWM比较器的输出端与所述驱动电路连接。

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