CN103812312B - 辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，该装置包括：电源单元，将输入的交流电源进行变压、整流和滤波处理输出直流电源；反馈单元包括检测电路和测量电路，检测电路通过测量电路测量导通压降的高低来判别功率模块是否过流和过压，并输出过流或过压故障信号给外接控制电路；控制信号单元接收外接电路的输入信号并将该输入信号转换为控制信号输出至驱动电路单元；驱动电路单元包括逻辑电路、信号调理电路和放大电路，接收控制单元输出的控制信号并对故障信号进行调节，驱动功率模块动作。通过反馈单元对功率模块的过流和过压进行监控，一旦过流或过压即通过故障信号触发控制信号单元，控制信号单元通过驱动电路单元控制功率模块关断。

Description

辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置

技术领域

本发明涉及辅助变流器技术，尤其涉及一种辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，直流斩波、整流、逆变、变频及众多新兴技术已经开始应用于铁路轨道交通，将在电力牵引领域发挥越来越重要的作用。

降压斩波器是机车辅助电路系统中重要的组成部分，机车辅助电路系统降压斩波器是将机车主电路中的直流电压通常是1800V斩波降至辅助电路系统逆变器所需的直流电压通常是540V。现有的降压斩波器驱动装置均为外购，结构复杂，且采购成本和日常维护维修成本较高。

发明内容

本发明提供一种辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，用于克服现有技术中的缺陷，实现简化结构并降低成本。

本发明提供的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，该驱动装置包括：

电源单元，将输入的交流电源进行变压、整流和滤波处理输出直流电源为反馈单元和驱动电路单元供电；

所述反馈单元，与所述电源单元连接，包括检测电路和输出端与所述检测电路连接的测量电路，所述检测电路通过所述测量电路测量导通压降的高低来判别功率模块是否过流和过压，并输出过流或过压故障信号给外接电路；测量电路输入端连接所述功率模块；

所述控制信号单元，输出端与驱动电路单元连接，接收外接电路的输入信号并将该输入信号转换为控制信号输出至驱动电路单元；

所述驱动电路单元，两端与所述电源单元连接，包括逻辑电路、信号调理电路和放大电路，接收控制单元输出的控制信号并对过流和过压故障信号进行调节，经所述逻辑电路和信号调理电路及放大电路处理，驱动功率模块动作；逻辑电路输入端与控制信号单元输出端连接，输出端连接检测电路；信号调理电路输入端连接逻辑电路，输出端连接放大电路输入端，放大电路输处端连接所述功率模块。

本发明提供的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，通过反馈单元对功率模块的过流和过压进行实时监控，一旦过流或过压即通过故障信号触发外接电路发出输入信号给控制信号单元，控制信号单元将该输入信号转换为控制信号发送给驱动电路单元，驱动电路单元根据该控制信号对过流和过压故障信号进行调节，经逻辑电路和信号调理电路及放大电路处理，控制功率模块关断。

附图说明

图1为本发明实施例提供的原理图；

图2为本发明实施例提供的电源单元的电路图；

图3为本发明实施例提供的反馈单元的电路图；

图4为本发明实施例提供的控制单元的电路图；

图5为本发明实施例提供的驱动电路单元中逻辑电路的电路图；

图6为本发明实施例提供的驱动电路单元中测量电路的电路图；

图7为本发明实施例提供的驱动电路单元中信号调理电路的电路图；

图8为本发明实施例提供的驱动电路单元中放大电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，该驱动装置包括：电源单元1、反馈单元2、控制信号单元3和驱动电路单元4，其中电源单元1将输入的交流电源进行变压、整流和滤波处理输出直流电源为驱动电路供电；反馈单元2与电源单元1连接，包括检测电路和输出端与检测电路连接的测量电路，检测电路通过测量电路测量导通压降的高低来判别功率模块5是否过流和过压，并输出过流或过压故障信号给外接电路；测量电路输入端连接功率模块5；控制信号单元3输出端与驱动电路单元4连接，接收外接电路的输入信号并将该输入信号转换为控制信号输出至驱动电路单元4；驱动电路单元4两端与电源单元1连接，包括逻辑电路、信号调理电路和放大电路，接收控制单元输出的控制信息并对过流和过压故障信号进行调节，经逻辑电路和信号调理电路及放大电路处理，驱动功率模块5动作；逻辑电路输入端与控制信号单元输出端连接，输出端连接检测电路；信号调理电路输入端连接逻辑电路，输出端连接放大电路输入端，放大电路输处端连接所述功率模块。

本发明提供的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，通过反馈单元对功率模块的过流和过压进行实时监控，一旦过流或过压即通过故障信号触发外接电路发出输入信号给控制信号单元，控制信号单元将该输入信号转换为控制信号发送给驱动电路单元，驱动电路单元根据该控制信号对过流和过压故障信号进行调节，经逻辑电路和信号调理电路及放大电路处理，控制功率模块关断。本发明已经成功应用于新型八轴电力机车辅助变流器，驱动装置接受来自外接控制电路的控制信号，将这些信号转换为驱动降压斩波器工作的驱动信号，并提供给降压斩波器。这里所提降压斩波器，主电路采用Buck电路结构，实现DC1800V到DC600V的电源变换；其输入电压为电力机车主变流器中间电压，输出电压为三相逆变器和充电机提供所需电源。

如图2所示，作为上述实施例的优选实施方式，电源单元由变压器19和至少三个全波整流电路构成，其中变压器19原边绕组连接交流电源，变压器19副边绕组连接所有全波整流电路；本实施例中包含三个全波整流电路，依次为第一全波整流电路10、第二全波整流电路20和第三全波整流电路30，其中第一全波整流电路10输出正压直流电，第二全波整流电路20输出负压直流电，第三全波整流电路30输出直流电为反馈单元供电。全波整流电路均包括四个第二二极管22、一个电源芯片90和一个第一电容31，第一电容31两端分别连接电源芯片90的针脚；其中四个第二二极管22每两个分成两组，每组第二二极管22并联形成一个支路，该两个支路其中一端连接变压器19副边绕组，另一端连接在第一电容31两端。

交流电源连接有第一电阻11和第一二极管21，其中该第一电阻11和该第一二极管21并联。

正压直流电和负压直流电之间连接有用于指示电路工作电源正常与否的指示灯电路40。

输入的24V/35kHz交流电源经电源单元变压、整流、滤波环节后，输出±15V直流电源，为斩波器驱动电路供电。变压器19的原边绕组接第一电阻11和第一二极管21并联后的电路，其中第一二极管21用来限制输入电流流通路径，第一电阻11为输入电源电流提供由右向左的反向的耗能的流通路径，使得变压器工作过程中的原边绕组储能得以快速、安全释放，减少电磁干扰。变压器19的副边绕组有三路输出，分别接四个第二二极管22构成的全波整流电路，经电源芯片90从而得到直流输出电压VY1和V2P±15V，第一电容31用来减少输出电压纹波。

指示灯电路40中的稳压管保证在设定的工作电流范围内即稳压二极管正常工作时，管子两端的电压维持在15V。在电路中适当位置分别接入平波电容，为瞬间的电流变化提供释能/储能元件，以减小电压脉动。发光二级管用来指示电路工作电源正常，稳压二极管和电阻用来限制流过发光二级管的电流大小。

如图3所示，检测电路包括第一驱动芯片41和用于测量导通压降的高低的第一光电耦合器51，第一光电耦合器51输出端与第一驱动芯片41的输入引脚之间连接有一并联电路，该并联电路由第三二极管23和第二电阻12并联构成，第一驱动芯片41的输出引脚通过与其串联的用于限制输出信号电流的第三电阻13与外接控制电路连接。

反馈单元的电路具有过流和过压保护功能，通过检测功率模块以下简称IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流或过压，一旦过流或过压，将对IGBT实施关断，并输出过流/过压故障信号。

输出端连接的第三电阻13用来限制输出信号电流，使电路外接端口的输入/输出信号阻抗匹配。第一驱动芯片41是双路高速MOSFET驱动芯片，此处用来提升输出信号OUTA、OUTB的信号功率，以满足外接电路要求。第一驱动芯片41的输入信号INA/INB相同，两输出OUTA、OUTB互补。

输入信号来自于第一光电耦合器51，以实现本电路与外接电路之间的电气隔离。第一光电耦合器51与第一驱动芯片41的输入引脚之间连接有第二电阻12与第三二极管23并联的电路。当第一光电耦合器51的内置二极管2-3脚为低电平时，通过第二电阻12从第一驱动芯片41输入脚INA拉出向右的电流，第二电阻12可限制这个电流的大小；当第一光电耦合器51的内置二极管2-3脚为高电平时，通过三二极管23向第一驱动芯片41输入脚INA输入向左的电流。电阻RB7作为第一光电耦合器51内置三极管的上拉电阻使得三极管处于通态时，第一光电耦合器51的内置二极管2-3脚为低电平，断态时，为高电平，与三极管相接的电源VY2通过滤波电容CB3接地，滤波电容CB3对直流电源起到了滤波作用。

如图4所示，控制信号单元包括低通滤波器、第二光电耦合器52、第一稳压管61和第四二极管24，其低通滤波器由第二电容32和串联在该第二电容32两极板间的第四电阻14和第五电阻15构成，其中第四电阻14和第五电阻15之间还串联有用于与外接控制电路件的阻抗匹配的第六电阻16，该第六电阻16两端连接该外接控制电路，第一稳压管61和第四二极管24串联在该第二电容32两极板之间，第四二极管24两端分别连接第二光电耦合器52的输入端。

PULSE控制信号为差分信号来自于外接控制电路，通过本电路的信号端口引入。PULSE信号并联连接第六电阻16，用于实现与外接控制电路间的阻抗匹配，以利于信号的正常传输。低通滤波器对PULSE信号进行滤波，同时，第四电阻14和第五电阻15还可以限制流入第二光电耦合器52内置发光二极管的电流大小。第二光电耦合器52是用光纤传输光信号的光电耦合器，使信号可以较远距离可靠传输，实现信号的电隔离，保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。

如图5所示，逻辑电路由第二驱动芯片42、输出端与该第二驱动芯片42输入针脚连接的第三光电耦合器53和输入端与该第二驱动芯片42输出针脚连接的第四光电耦合器54连接构成，其中第三光电耦合器53输入端连接第二光电耦合器52输出端，如图4所示，第四光电耦合器54输出端连接第一光电耦合器51输入端；如图3所示。

如图6所示，测量电路由第三驱动芯片43、第四驱动芯片44、第五驱动芯片45依次连接构成，其中第四驱动芯片44的输出引脚与第二驱动芯片42的输入引脚连接，如图5所示，第四驱动芯片42的输入引脚连接功率模块5的C端，如图1所示，第三驱动芯片43输入引脚通过串联的第七电阻17和一端接地的第三电容33连接第二驱动芯片42的输出引脚；

如图7所示，信号调理电路由第六驱动芯片46和连接在该第六驱动芯片46同一输出引脚的第一支路70和第二支路80构成，第六驱动芯片46的输入引脚连接第五驱动芯片45的输出引脚连接，如图6所示，其中第一支路70输出正压方波，第二支路80输出负压方波；其中信号调理电路输出负压方波的支路即第二支路80连接有用于控制信号品质的第七驱动芯片47。

如图8所示，放大电路由第四电容34、第二稳压管62、第三稳压管63、与第四电容34并联的第八电阻18及第五二极管25构成，其中第二稳压管62与第三稳压管63串联后形成的电路与第四电容34并联，第二稳压管62与第四电容34之间通过两个并联支路分别与信号调理电路的第一支路70及第二支路80连接，如图7所示，第三稳压管63与第四电容34之间接地，第五二极管25两端分别连接功率模块5的G极和E极，如图1所示。

本实施例中的驱动电路单元采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。信号传输延迟时间短，低电平-高电平的传输延迟时间以及高电平到低电平的传输延迟时间都在；第二驱动芯片42是双高速MOSFET驱动芯片，输入信号INA/INB相同，两输出信号OUTA、OUTB反相相同，上拉电阻Rr4作为第二驱动芯片42的内置三极管的上拉电阻，使得三极管处于通态时，第二驱动芯片42的2-3脚为低电平，断态时，为高电平。5V电源是由电源VC2提供。第四光电耦合器54和第一光电耦合器51实现了信号的较远距离可靠传输，PULSE脉冲控制信号由第二光电耦合器52向第三光电耦合器53传输，故障检测反馈信号由第四光电耦合器54返回到第一光电耦合器51。

电阻Rr11限制第二驱动芯片42输出电流的大小。负电源V2P-通过偏置电阻Rr6为第四光电耦合器54内置二极管提供负向偏置，保证其可靠关断，以免受到外界电磁干扰影响而异常导通。接地二极管Dr9用来保证第四光电耦合器54内置二极管的阳极电位不低于-0.7V，以免第四光电耦合器54内置二极管损坏。

第七电阻17和第三电容33对方波脉冲信号起到了相位延迟的作用，方波脉冲信号来自于第二驱动芯片42的输出信号。利用第七电阻17和第三电容33充电使输入信号产生延迟，通过与非门使输出信号产生死区来防止上下桥臂开关器件直通。利用外接低成本的电阻、电容元件实现加入死区的功能，可以降低成本。

通过判断导通压降的高低来判别IGBT是否过流和过压，IGBT的集电极发射极间产生过电压的类型有两类，即IGBT关断过电压和续流二极管反向恢复过电压。通过检测各个桥臂上的电流，当该电流值超过设定的阀值时，封锁该桥臂IGBT的驱动信号。过压和过流保护相结合的保护策略，使装置的可靠性大大提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，该驱动装置包括：

电源单元，将输入的交流电源进行变压、整流和滤波处理输出直流电源为反馈单元和驱动电路单元供电；

所述反馈单元，与所述电源单元连接，包括检测电路和测量电路，所述测量电路的输出端与所述检测电路连接，所述检测电路通过所述测量电路测量导通压降的高低来判别功率模块是否过流，并输出过流故障信号给外接控制电路；测量电路输入端连接所述功率模块；

控制信号单元，输出端与驱动电路单元连接，接收外接电路的输入信号并将该输入信号转换为控制信号输出至驱动电路单元；

所述驱动电路单元，两端与所述电源单元连接，包括逻辑电路、信号调理电路和放大电路，接收控制信号单元输出的控制信号并对过流故障信号进行调节，经所述逻辑电路和信号调理电路及放大电路处理，驱动功率模块动作；逻辑电路输入端与控制信号单元输出端连接，输出端连接检测电路；信号调理电路输入端连接逻辑电路，输出端连接放大电路输入端，放大电路输出端连接所述功率模块；

所述检测电路包括第一驱动芯片和用于测量导通压降的高低的第一光电耦合器，所述第一光电耦合器输出端与第一驱动芯片的输入引脚之间连接有一并联电路，该并联电路由第三二极管和第二电阻并联构成，所述第一驱动芯片的输出引脚通过与其串联的用于限制输出信号电流的第三电阻与外接控制电路连接。

2.根据权利要求1所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，其特征在于，所述电源单元由变压器和至少三个全波整流电路构成，其中变压器原边绕组连接交流电源，变压器副边绕组连接所述全波整流电路；其中一个所述全波整流电路输出正压直流电，有一个所述全波整流电路输出负压直流电；其中有一个全波整流电路输出直流电为反馈单元供电。

3.根据权利要求2所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，其特征在于，所述正压直流电和负压直流电之间连接有用于指示电路工作电源正常与否的指示灯电路。

4.根据权利要求1所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装 置，其特征在于，所述控制信号单元包括低通滤波器、第二光电耦合器、第一稳压管和第四二极管，其中所述低通滤波器由第二电容、第四电阻和第五电阻构成，所述第四电阻的一端和所述第五电阻的一端分别连接在所述第二电容两极板上，所述第四电阻的另一端和所述第五电阻的另一端之间还串联有用于与外接控制电路件的阻抗匹配的第六电阻，该第六电阻两端连接该外接控制电路，所述第一稳压管和第四二极管串联在该第二电容两极板之间，所述第四二极管两端分别连接第二光电耦合器的输入端。

5.根据权利要求1所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，其特征在于，所述逻辑电路由第二驱动芯片、第三光电耦合器和第四光电耦合器构成；所述第三光电耦合器的输出端与该第二驱动芯片输入针脚连接，所述第四光电耦合器的输入端与该第二驱动芯片输出针脚连接，其中第三光电耦合器输入端连接第二光电耦合器输出端，所述第四光电耦合器输出端连接第一光电耦合器输入端。

6.根据权利要求5所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，其特征在于，所述测量电路由第三驱动芯片、第四驱动芯片、第五驱动芯片依次连接构成，其中第四驱动芯片的输出引脚与第二驱动芯片的输入引脚连接，第四驱动芯片的输入引脚连接功率模块C端，第三驱动芯片输入引脚通过串联的第七电阻和一端接地的第三电容连接第二驱动芯片的输出引脚。

7.根据权利要求1所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，其特征在于，信号调理电路由第六驱动芯片和连接在该第六驱动芯片同一输出引脚的两个支路构成，所述第六驱动芯片的输入引脚连接第五驱动芯片的输出引脚，其中一个支路输出正压方波，另一支路输出负压方波。

8.根据权利要求7所述的辅助变流器降压斩波功率模块驱动装置，其特征在于，放大电路由第四电容、第二稳压管、第三稳压管、第八电阻及第五二极管构成，所述第八电阻和第五二极管均与第四电容并联，其中第二稳压管与第三稳压管串联后形成的电路与第四电容并联，所述第二稳压管与第四电容之间通过两个并联支路分别与信号调理电路的两个支路连接，第三稳压管与第四电容之间接地，第五二极管两端分别连接功率模块的G极和E极；其中信号调理电路输出负压方波的支路连接有用于控制信号品质的第七驱动芯片。