CN102945003A - 一种变流器模块仿真装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变流器模块仿真装置及方法，变流器模块仿真装置包括控制芯片和主电路单元，所述主电路单元包括低压电容支路、八个PowerMOSFET，所述八个PowerMOSFET两两串联组成四个串联支路，所述四个串联支路并联，所述低压电容支路与所述串联支路并联，所述PowerMOSFET的栅极接入所述控制芯片。本发明的装置体积减小到原来变流器模块体积的1/10，成本减少到原来的1/100，重量减少到原来的1/50；本发明能方便、灵活地获取正常状态以及各种类型的故障状态信息，为变流器控制电路部分前期的研究、软硬件调试以及变流器模块测试装置的研发及验证带来极大的便利。

Description

一种变流器模块仿真装置及方法

技术领域

本发明涉及一种变流器模块,特别是一种变流器模块仿真装置及仿真方法。 

背景技术

变流器包括主牵引逆变器、辅助逆变器等，它们是用在机车、动车、高铁、地铁车辆上的大功率电气设备。以机车上的主牵引逆变器为例，其正常工作时，输入额定电压为DC1500V，（波动范围在DC1050V～DC1875V之间），输出为0V~1400V、800A的三相交流电。变流器内部一般包括控制电路部分和主电路部分。变流器模块是主电路的一部分，它包括由六个开关管组成的逆变部分、由两个开关管组成的斩波部分以及支撑电容。控制电路部分（如：DCU）在研发的过程中需要和变流器模块联合调试。为了研究或验证控制电路部分的软硬件功能，通常需要变流器模块工作在低压小电流的环境中，并根据需要处于不同的状态，如正常状态、故障状态（如：A相上管短路、C相下管开路等情况）。若使用真实的变流器模块则一般只处在一种状态（如：正常状态），无法获得其它状态。另外，真实的变流器模块造价昂贵，体积大，重量重，不适合用来做低压环境试验、调试、验证等工作。在研发阶段或者后续验证阶段，变流器模块的测试装置一般也需要变流器模块的配合。同样也需要变流器模块根据需要处于不同的状态，如正常状态、故障状态（如：D相上管短路、B相下管开路等情况）。这就需要一种变流器模块仿真装置来替代真实的变流器模块。目前还没有这样的变流器模块仿真装置。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种变流器模块仿真装置及仿真方法，方便、灵活地获取正常状态以及各种类型的故障状态信息，降低仿真装置制造成本，减小仿真装置体积和重量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种变流器模块仿真装置，包括控制芯片和主电路单元，所述主电路单元包括低压电容支路、八个Power MOSFET或三极管，所述八个Power MOSFET或三极管两两串联组成四个串联支路，所述四个串联支路并联，所述低压电容支路与所述串联支路并联，所述Power MOSFET的栅极或三极管的基极接入所述控制芯片。

利用上述变流器模块仿真装置进行仿真的方法步骤如下：

1）初始化控制芯片：

a）CPU的内部参数填入初值；

b）设置变量F1、F2、S1、S2；其中S1为输入状态变量，S2为输出状态变量，F1为短路故障变量，F2为开路故障变量；

c）给变量F1、F2、S1、S2填入初始值；

2）设置并启动通信中断：

A) 判断中断指令是否有效，有效则执行B)，无效则跳转到D)，并反馈通信错误信息；

B) 将收到的通信指令进行解析，若指令有效则进入C)；

C) 根据解析数据的结果更新故障变量F1、F2；

D) 退出中断，进入3）。

3）读取外部脉冲输入的状态，并将外部脉冲的状态量存入变量S1中；

4）S1和F1做或运算，得到的结果和F2做与运算，然后取非，最终合成用于控制输出的变量S2；

5）利用变量S2控制主电路中Power MOSFET或三极管的开通或关断，控制脉冲输出到主电路中Power MOSFET的栅极或三极管的基极；

6）根据故障变量F1、F2输出故障反馈信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的装置体积减小到原来变流器模块体积的1/10，成本减少到原来的1/100，重量减少到原来的1/50；本发明能方便、灵活地获取正常状态以及各种类型的故障状态信息，为变流器控制电路部分（如：DCU）前期的研究、软硬件调试以及变流器模块测试装置的研发及验证带来极大的便利。

附图说明

图1为本发明一实施例仿真装置结构框图；

图2为本发明一实施例主电路单元电路原理图；

图3为本发明一实施例仿真方法主流程图；

图4为本发明一实施例中断流程图；

图5为本发明一实施例变量说明图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一实施例包括控制芯片和主电路单元，主电路单元包括低压电容支路、八个Power MOSFET，所述八个Power MOSFET两两串联组成四个串联支路，所述四个串联支路并联，所述低压电容支路与所述串联支路并联，所述Power MOSFET的栅极接入所述控制芯片。

控制芯片可以选择CPLD、FPGA、DSP、ARM、POWERPC等任意一种，本发明用到的控制芯片为FPGA，其型号为：XC3S700AN-4FG484I。控制芯片的通信接口可以接收外部控制命令并由控制芯片进行解析处理。控制命令包含每个Power MOSFET将要进入哪种状态：正常、强制开通与强制关断。通信接口的形式可以是RS232，RS485，以太网，USB，Can总线等任意一种。脉冲输入接口可以接收外部传过来的PWM脉冲信号。PWM脉冲信号由控制芯片处理后通过脉冲输出接口去控制主电路单元的Power MOSFET。

漏源电压为24V～200V的Power MOSFET均可满足本发明的需求，本实施例选择漏源电压为200V，漏极电流为18A的绝缘栅型Power MOSFET；工作电压为24V～200V、标称电容量为4500uF的铝电解电容器均可用于本发明的仿真装置中，本实施例中选用三个工作电压为200V，标称电容量为1500uF的铝电解电容器并联组成电容支路。

仿真方法主流程如图3所示：第一步，进行控制芯片初始化，包括1、CPU的内部参数填入初值；2、设置变量F1、F2和S1、S2；3、给变量F1、F2、S1、S2填入初始值。第二步，设置并启动通信中断；第三步：读取外部脉冲输入的状态，并将外部脉冲的状态量存入变量S1中；第四步，将变量S1以及故障变量F1、F2进行对比、分析，并最终合成用于控制输出的变量S2；第五步，将合成的变量S2输出，控制主电路中的Power MOSFET进行开通或关断，控制脉冲输出到主电路中的a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2；第六步，根据故障变量F1、F2输出故障反馈信号。

中断流程如图4所示。由于通信指令的接收时间并不能确定，所以可以用中断的方式进行：当主程序在执行时，只要遇到通信指令便进入中断程序中执行；当中断程序执行完毕则退出中断继续执行主程序。中断流程中：第一步，判断中断指令是否有效，有效则执行第二步，无效则跳转到第四步，并反馈通信错误信息；第二步，将收到的通信指令进行解析，若指令有效则进入第三步；第三步，根据解析数据的结果更新故障变量F1、F2；第四步，退出中断，继续进行主流程。

图5为变量说明图， S1为输入状态变量、S2为输出状态变量、F1为短路故障变量、F2为开路故障变量。由于所使用的控制芯片不同，变量的位数也不同，有8位（bit）的、有16位的、有32位的、有64位的等等，但在本发明中只使用其中的8位,下面也仅以8位进行说明。Power MOSFET的控制端为1（高电平）时，其处于导通状态；为0（低电平）时，其处于截止状态。如S1 、S2、F1、F2的8位从高到低分别对应8个Power MOSFET的控制端（a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2）。

例如：当S1为10010000时表示主电路中V1和V4导通，其它的Power MOSFET截止。通过通信得到的短路故障指令F1为00001000（V5短路，其它正常）；通过通信得到的开路故障指令F2为00000000（全部正常）。则S2等于S1和F1的或再与F2的非，则S2为10011000（V1、V4、V5导通，其它截止）。最后输出S2到主电路8个Power MOSFET的控制端。

由此可见，本发明的装置轻便实用，通过控制芯片的配合，能方便灵活地获取各种故障状态信息。 

Claims (6)

1.一种变流器模块仿真装置，其特征在于，包括控制芯片和主电路单元，所述主电路单元包括低压电容支路、八个Power MOSFET或三极管，所述八个Power MOSFET或三极管两两串联组成四个串联支路，所述四个串联支路并联，所述低压电容支路与所述串联支路并联，所述Power MOSFET的栅极或三极管的基极接入所述控制芯片。

2.根据权利要求1所述的变流器模块仿真装置，其特征在于，所述Power MOSFET为漏源电压为200V，漏极电流为18A的绝缘栅型Power MOSFET。

3.根据权利要求1所述的变流器模块仿真装置，其特征在于，所述低压电容为工作电压为24V～200V、标称电容量为4500uF的铝电解电容器。

4.根据权利要求3所述的变流器模块仿真装置，其特征在于，所述低压电容支路由三个铝电解电容器并联组成。

5.根据权利要求1所述的变流器模块仿真装置，其特征在于，所述控制芯片为CPLD、FPGA、DSP、ARM、POWERPC中的一种。

6.利用权利要求1所述变流器模块仿真装置进行仿真的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

1）初始化控制芯片：

a）CPU的内部参数填入初值；

b）设置变量F1、F2、S1、S2；其中S1为输入状态变量，S2为输出状态变量，F1为短路故障变量，F2为开路故障变量；

c）给变量F1、F2、S1、S2填入初始值；

2）设置并启动通信中断：

A) 判断中断指令是否有效，有效则执行B)，无效则跳转到D)，并反馈通信错误信息；

B) 将收到的通信指令进行解析，若指令有效则进入C)；

C) 根据解析数据的结果更新故障变量F1、F2；

D) 退出中断，进入3）。

3）读取外部脉冲输入的状态，并将外部脉冲的状态量存入变量S1中；

4）S1和F1做或运算，得到的结果和F2做与运算，然后取非，最终合成用于控制输出的变量S2；

5）利用变量S2控制主电路中Power MOSFET或三极管的开通或关断，控制脉冲输出到主电路中Power MOSFET的栅极或三极管的基极；

6）根据故障变量F1、F2输出故障反馈信号。

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