CN108233338A - 变频器电源装置和包含该装置的变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种用于向变频器的安全力矩中断接口电路和控制器供电的电源装置以及包含该装置的变频器。按照本发明一个实施例的变频器电源装置（150）包括：变换单元（151），其配置为将外部电能转换为适于变频器的驱动信号源（130）和安全力矩中断控制单元（140）的工作电压；与所述变换单元（151）耦合的异常处理单元（152），其配置为当所述变换单元（151）的输出电压超出预设范围时，使所述变频器电源装置（150）停止对所述驱动信号源（130）和安全力矩中断控制单元（140）的供电。

Description

变频器电源装置和包含该装置的变频器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种用于向变频器的安全力矩中断接口电路和控制器供电的电源装置以及包含该装置的变频器。
背景技术
变频器是应用变频技术，通过改变电机工作频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要包含整流滤波单元、逆变单元、驱动单元和控制单元等部件。变频器通过控制逆变单元内诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)之类的开关器件的通断，向电机提供可变频率的电压，从而实现调速和转矩控制。在许多应用领域中，为了杜绝不希望或意外的旋转所导致的伤害，需要提供一种在紧急情况下能够停止电机工作的方法。题为“EN61800-5-2：2007”的技术标准将停止驱动电机运行的方法(以下又称为“安全力矩中断”)定义为“能够引起电机旋转的电能没有施加在电机上”。有关安全力矩中断进一步的内容可参见上述技术标准，该标准在此以全文引用方式包含在本说明书中。
在现有技术中，为了实现安全力矩中断，通常在逆变器的控制输入端提供安全力矩中断(STO)控制单元。该单元通过在紧急状态下阻断驱动信号向逆变单元内的开关器件的传输，从而中断能够产生转矩的电机电流的产生。为了满足较高的安全级别，需要以高度可靠的方式提供安全力矩中断功能，即，STO控制单元需要具有非常低的故障概率。
STO控制单元通常由独立电源供电。一个突出的问题是，一旦供电电源运行异常(例如输出电压过高或过低)，则可能导致STO控制单元无法正常工作，从而导致STO功能失效。
因此需要提供一种具有高度可靠性和强壮性的保护机制，以确保STO功能的有效性。
发明内容
本发明的目的是提供一种变频器电源装置，其具有高度可靠性和强壮性的保护机制，以确保STO功能的有效性。
按照本发明一个方面的变频器电源装置包括：
变换单元，其配置为将外部电能转换为适于变频器的驱动信号源和安全力矩中断控制单元的工作电压；
与所述变换单元耦合的异常处理单元，其配置为当所述变换单元的输出电压超出预设范围时，使所述变频器电源装置停止对所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的供电。
优选地，在上述变频器电源装置中，所述异常处理单元包括：
过压响应电路，其配置为当所述变换单元的输出电压大于第一阈值时，使所述变频器电源装置停止对所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的供电；以及
欠压响应电路，其配置为当所述变换单元的输出电压小于第二阈值时，使所述变频器电源装置停止对所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的供电。
优选地，在上述变频器电源装置中，所述过压响应电路通过切断所述变换单元与所述驱动信号源的连接，使所述变频器电源装置停止对所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的供电。
优选地，在上述变频器电源装置中，所述欠压响应电路通过切断所述变换单元与所述驱动信号源的连接，使所述变频器电源装置停止对所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的供电，和/或借助复位信号阻止所述驱动信号源输出驱动信号。
优选地，在上述变频器电源装置中，所述过压响应电路包含多个互相独立运行的电路模块，每个所述电路模块包含第一开关晶体管，各个电路模块的第一开关晶体管串联耦合在所述变换单元与所述驱动信号源之间，各个电路模块被配置为当所述输出电压大于第一阈值时，通过关断各自的第一开关晶体管来切断所述变换单元与所述驱动信号源的连接。
优选地，在上述变频器电源装置中，所述多个电路模块具有相同的电路结构。
优选地，在上述变频器电源装置中，所述欠压响应电路包含：
第一电路模块，其包含与所述第一开关晶体管串联耦合在所述变换单元与所述驱动信号源之间的第二开关晶体管，并且配置为当所述输出电压小于第二阈值时，通过关断所述第二开关晶体管来切断所述变换单元与所述驱动信号源的连接；以及
独立于所述第一电路模块而运行的第二电路模块，其包含与所述驱动信号源耦合的复位信号端，并且配置为当所述输出电压小于第二阈值时，通过向所述驱动信号源输出复位信号阻止所述驱动信号源输出驱动信号。
本发明的还有一个目的是提供一种变频器，其具有高度可靠性和强壮性的保护机制，以确保STO功能的有效性。
按照本发明一个方面的变频器包含：
整流单元；
与所述整流单元耦合的逆变器单元；
驱动信号源，其配置为向所述逆变器单元提供驱动信号；
连接在所述驱动信号源与逆变器单元之间的安全力矩中断控制单元；
用于向变频器的驱动信号源和安全力矩中断控制单元供电的变频器电源装置，
所述变频器电源装置包括：
变换单元，其配置为将外部电能转换为适于所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的工作电压；
与所述变换单元耦合的异常处理单元，其配置为当所述变换单元的输出电压超出预设范围时，使所述变频器电源装置停止对所述驱动信号源和安全力矩中断控制单元的供电。
附图说明
本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：
图1为框图，其示出了一种典型的变频器架构。
图2为按照本发明一个实施例的变频器电源装置的框图。
图3为图2所示变频器电源装置中的异常处理单元的示例性电路原理图。
图4为图2所示变频器电源装置中的异常处理单元的另一示例性电路原理图。
具体实施方式
下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，从而使对本发明保护范围的理解更为全面和准确。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。
以下借助附图具体描述本发明的实施例。
图1为框图，其示出了一种典型的变频器架构。
图1所示的变频器10包括整流单元110、逆变器单元120、驱动信号源130、STO控制单元140和变频器电源装置150，其中整流单元110对交流电源输送的交流电进行整流变换以得到脉动直流电流，逆变器单元120则在来自驱动信号源130的脉宽调制(PWM)驱动信号的控制下，借助于内部的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的闭合和断开操作向电机提供所需电压和频率的电能。在图1所示的变频器10中，逆变器单元120可包含多个以三相桥式方式连接在一起的IGBT，每个IGBT的栅极经一条驱动信号路径与驱动信号源130相连，每条驱动信号路径的通断则由STO控制单元140控制。在本实施例中，变频器电源装置150向驱动信号源130和STO控制单元140提供运行所需的电能。
图2为按照本发明一个实施例的变频器电源装置的框图，该装置可用作图1所示变频器中的驱动信号源和STO控制单元的供电电源。
参见图2，所示的变频器电源装置150包括变换单元151和异常处理单元152。以下对各个单元作进一步的描述。
变换单元151将外部电能转换为适于驱动信号源130和STO控制单元140的工作电压。这里所述的外部电能应作广义地理解，其既可取自变频器外部，也可取自变频器内部(例如整流单元110的输出端)。示例性地，变换单元151可包含反激开关电源151A和与反激开关电源151A耦合的DC-DC变换器151B，其中反激开关电源151A的输入端与整流单元110的输出端耦合，其将整流单元110输出的直流高压降低至一定的水平，然后由DC-DC变换器151B变换为适于驱动信号源130和STO控制单元140的工作电压。
异常处理单元152与变换单元151的输出端耦合，其监测变换单元151的输出电压并且在输出电压超出预设范围时，切断给驱动信号源130和STO控制单元140的供电，进而阻止驱动信号源130输出驱动信号到逆变单元120，以确保力矩输出被关断。如图2所示，异常处理单元152包括过压响应电路152A和欠压响应电路152B。过压响应电路152A监测变换单元151的输出端的电压，并且在输出电压大于第一阈值时，切断给驱动信号源130和STO控制单元140的供电，进而阻止驱动信号源130输出驱动信号到逆变单元120。欠压响应电路152B监测变换单元151的输出端的电压，并且在输出电压小于第二阈值时，切断给驱动信号源130和STO控制单元140的供电，进而阻止驱动信号源130输出驱动信号到逆变单元120。优选地，过压响应电路152A和欠压响应电路152B可以通过切断变换单元151的输出端与驱动信号源130之间的连接来阻止驱动信号源130输出驱动信号，或者可以通过向驱动信号源130提供复位信号来阻止驱动信号源130输出驱动信号。
可选地，当变换单元151的输出电压超出预设范围时，同时切断变换单元151的输出端与驱动信号源130之间的连接以及变换单元151的输出端与STO控制单元140之间的连接。
图3为图2所示变频器电源装置中的异常处理单元的示例性电路原理图。
图3的异常处理单元152包括过压响应电路152A和欠压响应电路152B，并且变换单元151的输出电压经输入端INPUT输入。
本示例的过压响应电路152A主要包括晶体管Q11、分压电阻器R11和R12、场效应管T11和电压基准源U11。如图3所示，晶体管Q11作为开关器件，其发射极与输入端INPUT耦合，集电极与变频器电源装置的输出端OUT耦合，发射极与基极之间还连接电阻器R13。通过控制施加在晶体管Q11的基极上的电压，可以控制变换单元151与驱动信号源130和STO控制单元140之间的连接状态。分压电阻器R11和R12连接在输入端INPUT与接地GND之间，其中间抽头与电压基准源U11的控制极相连，此外，该中间抽头与接地GND之间还并接电容器C11。电压基准源U11的第一接线端接地，并且第二接线端经电阻器R14连接至输入端INPUT。场效应管T11的漏极接地，源极经电阻器R15与晶体管Q11的基极相连，栅极经电阻器R16与电压基准源U11的第二接线端相连并且经电阻器R17接地。
以下描述上述过压响应电路152A的工作原理。
当输入端INPUT上的电压小于或等于第一阈值(例如5V)时，分压电阻器R11和R12的中间抽头的电压小于或等于电压基准源U11的控制极电压门限，电压基准源U11处于截止状态，使得施加在场效应管T11的栅极电压为高电平，因而晶体管Q11的基极电压也为低电平，此时晶体管Q11处于导通状态。另一方面，当输入端INPUT上的电压大于第一阈值(例如5V)时，分压电阻器R11和R12的中间抽头的电压大于电压基准源U11的控制极电压门限，电压基准源U11处于导通状态，使得施加在场效应管T11的栅极电压为低电平，因而晶体管Q11的基极电压也为高电平，此时晶体管Q11处于关断状态，从而切断变频器电源装置对驱动信号源和STO控制单元的供电。
本示例的欠压响应电路152B主要包括晶体管Q3和Q4、场效应管T3和瞬变电压抑制(TVS)二极管D1。参见图3，晶体管Q3作为开关器件，其发射极经晶体管Q11与输入端INPUT耦合，集电极与变频器电源装置的输出端OUT耦合，发射极与基极之间还连接电阻器R31，通过控制施加在晶体管Q3的基极上的电压，可以控制变换单元151与驱动信号源130和STO控制单元140之间的连接状态。TVS二极管D1的阳极接地，阴极经电阻器R32与晶体管Q11的集电极相连并且经电阻器R33与晶体管Q4的基极相连。晶体管Q4的发射极与晶体管Q11的集电极相连，集电极经电阻器R34接地并且经电阻器R35与场效应管T3的栅极相连。场效应管T3的漏极接地，源极经电阻器R36与晶体管Q3的基极相连。
以下描述上述欠压响应电路152B的工作原理。
当输入端INPUT上的电压大于或等于第二阈值(例如3V)时，TVS二极管D1被击穿，TVS二极管D1处于导通状态，导致晶体管Q4的基极电压为低电平，使得施加在场效应管T3的栅极电压为高电平，因而晶体管Q3的基极电压也为低电平，此时晶体管Q3处于导通状态。另一方面，当输入端INPUT上的电压小于第二阈值(例如3V)时，TVS二极管D1处于截止状态，导致晶体管Q4的基极电压为高电平，使得施加在场效应管T3的栅极电压为低电平，因而晶体管Q3的基极电压也为高电平，此时晶体管Q3处于关断状态，从而切断变频器电源装置对驱动信号源和STO控制单元的供电。
为了进一步提高可靠性，可以考虑在异常处理单元152中配置冗余电路以确保驱动信号源在电源故障时停止输出驱动信号。
图4为图2所示变频器电源装置中的异常处理单元的另一示例性电路原理图，其包括过压响应电路152A'和欠压响应电路152B'，并且变换单元151的输出电压经输入端INPUT输入。与图3所示的实施例相比，这里的过压响应电路152A'和欠压响应电路152B'都包含冗余模块，以下将作进一步的描述。
如图4所示，本示例的过压响应电路152A'包括两个完全一致的模块152A1和152A2，它们互为备份以提供冗余性。在本示例中，每个模块的电路结构和工作原理与图3所示实施例中的过压响应电路152A一致，此处不再赘述。
本示例的欠压响应电路152B'也包括两个模块152B1和152B2，它们互为备份以提供冗余性。在本实例中，模块152B1的电路结构和工作原理与图3所示实施例中的欠压响应电路152B一致，此处也不再赘述。
以下描述模块152B2的结构和工作原理。
如图4所示，模块152B2主要包括晶体管Q5和瞬变电压抑制(TVS)二极管D2。参见图4，晶体管Q5的发射极与输出端OUT耦合，集电极经电阻器R41接地并且经反向偏置的二极管D3与驱动信号源的复位端耦合，基极经电阻器R42和R43连接至输出端OUT。TVS二极管D2的阳极接地，阴极经电阻器R42与输出端OUT相连并且经电阻器R43与晶体管Q5的基极相连。当输入端INPUT上的电压大于或等于第二阈值(例如3V)时，输出端OUT上的电压足以使TVS二极管D1被击穿，导致晶体管Q5的基极电压为低电平，使得晶体管Q5的集电极电压也为高电平，从而导致二极管D3处于反向偏置状态，无复位信号输出至驱动信号源130。另一方面，当输入端INPUT上的电压小于第二阈值(例如3V)时，即使模块152B1失效而在输出端OUT上仍然有电压输出，但是由于该电压不足以使TVS二极管D2被击穿，因而TVS二极管D2处于截止状态，导致晶体管Q5的基极电压为高电平，使得晶体管Q5的集电极电压也为低电平，此时二极管D3处于正向偏置状态，因此将向驱动信号源130输出复位信号以阻止驱动信号源130输出驱动信号。
虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (11)

1.一种变频器电源装置(150)，其特征在于，包括：
变换单元(151)，其配置为将外部电能转换为适于变频器的驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的工作电压；
与所述变换单元(151)耦合的异常处理单元(152)，其配置为当所述变换单元(151)的输出电压超出预设范围时，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电。
2.如权利要求1所述的变频器电源装置(150)，其中，所述异常处理单元(152)包括：
过压响应电路(152A，152A')，其配置为当所述变换单元(151)的输出电压大于第一阈值时，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电；以及
欠压响应电路(152B，152B')，其配置为当所述变换单元(151)的输出电压小于第二阈值时，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电。
3.如权利要求2所述的变频器电源装置(150)，其中，所述过压响应电路(152A，152A')通过切断所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)的连接，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电。
4.如权利要求2所述的变频器电源装置(150)，其中，所述欠压响应电路(152B，152B')通过切断所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)的连接，阻止所述驱动信号源(130)输出驱动信号，和/或借助复位信号阻止所述驱动信号源(130)输出驱动信号。
5.如权利要求2所述的变频器电源装置(150)，其中，所述过压响应电路(152A')包含多个互相独立运行的电路模块(152A1，151A2)，每个所述电路模块包含第一开关晶体管(Q11，Q21)，各个电路模块(152A1，151A2)的第一开关晶体管(Q11，Q21)串联耦合在所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)之间，各个电路模块(152A1，151A2)被配置为当所述输出电压大于第一阈值时，通过关断各自的第一开关晶体管(Q11，Q21)来切断所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)的连接。
6.如权利要求5所述的变频器电源装置(150)，其中，所述多个电路模块(152A1，151A2)具有相同的电路结构。
7.如权利要求5所述的变频器电源装置(150)，其中，所述欠压响应电路(152B')包含：
第一电路模块(152B1)，其包含与所述第一开关晶体管(Q11，Q21)串联耦合在所述变换单元与所述驱动信号源之间的第二开关晶体管(Q3)，并且配置为当所述输出电压小于第二阈值时，通过关断所述第二开关晶体管(Q3)来切断所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)的连接；以及
独立于所述第一电路模块(152B1)而运行的第二电路模块(152B2)，其包含与所述驱动信号源(130)耦合的复位信号端，并且配置为当所述输出电压小于第二阈值时，通过向所述驱动信号源(130)输出复位信号阻止所述驱动信号源(130)输出驱动信号。
8.一种变频器(10)，包含：
整流单元(110)；
与所述整流单元(110)耦合的逆变器单元(120)；
驱动信号源(130)，其配置为向所述逆变器单元(120)提供驱动信号；
连接在所述驱动信号源(130)与逆变器单元(120)之间的安全力矩中断控制单元(140)；
用于向变频器的驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)供电的变频器电源装置(150)，
其特征在于，所述变频器电源装置(150)包括：
变换单元(151)，其配置为将外部电能转换为适于所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的工作电压；
与所述变换单元(151)耦合的异常处理单元(152)，其配置为当所述变换单元(151)的输出电压超出预设范围时，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电。
9.如权利要求8所述的变频器(10)，其中，所述异常处理单元(152)包括：
过压响应电路(152A，152A')，其配置为当所述变换单元(151)的输出电压大于第一阈值时，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电；以及
欠压响应电路(152B，152B')，其配置为当所述变换单元(151)的输出电压小于第二阈值时，使所述变频器电源装置(150)停止对所述驱动信号源(130)和安全力矩中断控制单元(140)的供电。
10.如权利要求9所述的变频器(10)，其中，所述过压响应电路(152A')包含多个互相独立运行的电路模块(152A1，151A2)，每个所述电路模块(152A1，151A2)包含第一开关晶体管(Q11，Q21)，各个电路模块(152A1，151A2)的第一开关晶体管(Q11，Q21)串联耦合在所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)之间，各个电路模块(152A1，151A2)被配置为当所述输出电压大于第一阈值时，通过关断各自的第一开关晶体管(Q11，Q21)来切断所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)的连接。
11.如权利要求9所述的变频器(10)，其中，所述欠压响应电路(152B')包含：
第一电路模块(152B1)，其包含与所述第一开关晶体管(Q11，Q21)串联耦合在所述变换单元与所述驱动信号源之间的第二开关晶体管(Q3)，并且配置为当所述输出电压小于第二阈值时，通过关断所述第二开关晶体管(Q3)来切断所述变换单元(151)与所述驱动信号源(130)的连接；以及
独立于所述第一电路模块(152B1)而运行的第二电路模块(152B2)，其包含与所述驱动信号源(130)耦合的复位信号端，并且配置为当所述输出电压小于第二阈值时，通过向所述驱动信号源(130)输出复位信号阻止所述驱动信号源(130)输出驱动信号。
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