CN109194176B - 一种特种车辆的车载逆变电源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于用于特种车辆逆变控制技术领域，尤其涉及一种特种车辆的车载逆变电源。逆变电源包括功率回路和控制系统两部分，其中，功率回路包括：平波稳流电路、辅助谐振电路、逆变电路、滤波电路、隔离变压器和IGBT驱动电路。控制系统包括：DSP28335、输入电压采样、输出电压采样、输出电流采样、调理电路、过压/欠压保护、过流/短路保护、温度检测保护、液晶显示、风冷温控、人机交互系统、多路隔离直流供电电路。特种车载逆变电源能够利用车载中央计算机控制监测逆变器输入输出各种参数，具有输入输出电压可调范围广，功率等级高、安全性能好等特点的逆变器，其具有高压输入，大功率，低功耗，具有人机交互和自适应控制。

Description

一种特种车辆的车载逆变电源
技术领域
本发明属于用于特种车辆逆变控制技术领域，尤其涉及一种特种车辆的车载逆变电源。
背景技术
目前，普通的车载逆变器输入电压一般在十几到一百伏之间，功率在几十到几百瓦之间。虽然逆变技术在普通电子产品领域比较成熟，但是由于普通电子产品和特种车辆的工作环境有很大差别，从而对逆变器的要求也截然不同。特种车辆经常遇到各种恶劣的工作环境，电流从几十安培到上百安培的级别，而且逆变器装载在车辆内部狭小的空间，散热条件恶劣，还会受到电机与发动机强烈的电磁干扰，再加上储能单元的自身输出特性及负载变化频繁，对逆变器工作的稳定性有较高的要求，而传统的车载电源存在可调范围小、功率级别低、安全性能差的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种特种车辆的车载逆变电源，能够解决现有技术中存在的可调范围小、功率级别低、安全性能差的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种特种车辆的车载逆变电源，其包括功率回路和控制系统两部分；
其中，功率回路包括：平波稳流电路、辅助谐振电路、逆变电路、滤波电路、隔离变压器和IGBT驱动电路；
控制系统包括：DSP28335、输入电压采样、输出电压采样、输出电流采样、调理电路、过压/欠压保护、过流/短路保护、温度检测保护、液晶显示、风冷温控、人机交互系统、多路隔离直流供电电路；
平波稳流电路用于将输入的DC900V直流电压中电压波动削弱同时减小母线上电流纹波，在输入输出电压电路异常时通过继电器保护系统安全；辅助谐振电路用于逆变器全桥开关管的软开关控制；逆变电路用于产生基波为540V、50Hz的交流电压；滤波电路输入接逆变电路输出，经过滤波再输出到隔离变压器；隔离变压器用于隔离输出与逆变器功率回路，同时起到降压输出220V、50Hz的交流电压；
DSP28335控制产生正弦波的同时，输入输出电压、输入输出电流采样电路采集输入输出电压、输入输出电流信号；调理电路将处理后的正半波信号传递给DSP处理，判断是否需要过压/欠压保护动作，或者过流/短路保护动作；人机交互系统用于中央计算机与逆变器DSP28335控制器数据交互或者中央计算机控制逆变器各个参数在线调整；多路隔离直流供电电路用于给控制系统各个子模块电路供应隔离各个等级直流电压；温度检测保护用于检测系统温度变化，温度达到系统设定将会控制风冷温控经行风冷散热；液晶显示用于实时精准显示系统各参数。
优选的，所述平波稳流电路包括继电器部分和平波稳流电路两部分，其中继电器K0串接于DC900V电源一端和稳流电感L1一端，K0起到过流/短路保护以及过压/欠压保护切除作用，继电器K1串接在平波电容C1和C2上为母线平波电容启动限流后电阻切除继电器；
所述平波稳流电路平波稳流部分为串接母线端稳流电感L1,并联母线端的平波电容C1、C2串联作为电容组，C1、C2电容组分别并联均压电阻R1、R2。
优选的，所述辅助谐振电路并联连接于所在逆变电路全桥桥臂，辅助谐振电路由关于桥臂中点上下对称的辅助开关管S5、S6，主谐振电容CS1、CS2，辅助谐振电容C5、C6，辅助谐振电感L1、L2，辅助二极管D5、D6，能量再生反馈二极管D7、D8组成；
辅助开关管S5、S6一端与母线连接，另一端串接辅助谐振电感L1、L2，辅助开关管S5、S6串接辅助谐振电感L1、L2后与主谐振电容CS1、CS2并联；
辅助开关管S5、S6与辅助谐振电感L1、L2中间连接辅助二极管D5负极，辅助二极管D5正极连接辅助谐振电容C5、C6，能量再生反馈二极管D7负极连接辅助二极管D5正极，能量再生反馈二极管D7正极连接母线负极端，能量再生反馈二极管D8负极连接母线正极端；
辅助谐振电感L1、L2与辅助谐振电容C5、C6一端连接。
所述辅助谐振电路有11种工作模式，为了实现全桥开关管S1、S2的准ZVS动作和ZCS动作，从而使得开关中能量反馈回电源中，实现了软开关功能。
优选的，所述IGBT驱动电路驱动逆变电路，驱动电路为2*4单元模块，每模块2路PWM波驱动电路，共需要输出8路PWM驱动波，IGBT驱动电路输入信号来源端为DSP28335的GPIO 0/1/2/3/4/5/6/7端口，输出信号端包括IGBT模块S1/S2/S3/S4/S5/S6/S7/S8，每个模块的门极g、发射极e、集电极c分别与对应的端口连接，S1的发射极e与S2的集电极c连接，S3的发射极e与S3的集电极c连接，S1的集电极c与S3的集电极c连接，S2的发射极e与S4发射极e连接；
IGBT驱动电路包含软起动，动态短路保护、低电压保护、故障信息管理功能，信号控制输入端与驱动输出端中间有磁隔离模块；
IGBT驱动电路驱动峰值电流计算：
Ipeak(max)＝(UGE+-UGE-)/(Rg(int)+Rg(ext)min)。
优选的，所述的滤波电路中滤波电感工作在工频段，滤波电容C为无极性电容，L与C一端连接，该连接点与隔离变压器一次高压侧端口抽头连接，滤波电容C另一端与隔离变压器一次侧另一高压端抽头连接；
所述隔离变压器一次高压侧端口连接滤波器电路，二次低压侧端口连接电源输出端，该隔离变压器一次侧漏感较大用于滤波，工作在工频段；
滤波电路传递函数推导：
Figure GDA0002385800270000041
滤波电路截至频率时滤波元件参数可通过(1)、(2)计算：
Figure GDA0002385800270000042
Figure GDA0002385800270000043
优选的，所述DSP28335控制整个逆变电源系统工作，
从GPIO 0/1/2/3/4/5/6/7端口输出8路PWM波驱动IGBT驱动电路产生正弦交流，从ADCINA 1/2/3端口接受调理电路处理后的半波正周期限幅信号；
温度检测保护输入端连接温度检测传感器，输出端连接DSP28335、ADCINA6端口；
人机交互系统通过双CAN与DSP28335连接、多路隔离直流供电电路为DSP28335提供稳定+5V电压。
优选的，所述的DSP28335与调理电路的连接中均有电气隔离元件。
优选的，所述的调理电路接受的输入电压采样和输出电流采样采用电压传感器和电流传感器，输出电压采样使用分压采样方式；
所述的输出电压采样和输出电流采样获得的信号通过调理电路处理后作为反馈信号传递到DSP28335；
DSP28335将所采集的输出电压采样和输出电流采样通过自适应控制，调节输出电压和电流波形。
优选的，所述的人机交互系统与DSP28335通过双CAN进行连接,人机交互系统使用Lebview界面可以实时观测逆变器系统各个参数。
优选的，Lebview界面可显示的参数包括输出电压/电流波形、有效电压/电流值、频率、温度、效率、调制比和自适应PID参数，还可以用于设置输出电压/电流幅值大小。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的特种车辆的车载逆变电源，在输入达到900±20％V、5kVA级别，能够利用车载中央计算机控制监测逆变器输入输出各种参数，具有输入输出电压可调范围广，功率等级高、安全性能好等特点的逆变器，其具有高压输入，大功率，低功耗，具有人机交互和自适应控制。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的特种车辆的车载逆变电源的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式提供的单桥臂PWM调制策略；
图3为本发明具体实施方式提供的实时液晶显示模块显示图；
图4为本发明具体实施方式提供的控制流程图；
图5为本发明具体实施方式提供的拓扑与控制部分功能图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1至图5所示，本发明公开了一种特种车辆的车载逆变电源，逆变电源主要包括功率回路和控制系统两部分。
其中功率回路包括：平波稳流电路、辅助谐振电路、IGBT驱动电路、逆变电路、滤波电路、隔离变压器。
在功率回路中，平波稳流电路用于将输入的DC900V直流电压中电压波动削弱同时减小母线上电流纹波，在输入输出电压电路异常时通过继电器保护系统安全；辅助谐振电路用于逆变电路全桥开关管的软开关控制；逆变电路用于产生基波为540V、50Hz的交流电压；滤波电路输入接逆变电路输出，经过滤波再输出到隔离变压器；隔离变压器用于将逆变器输出端与负载之间进行电气隔离，同时起到降压输出220V、50Hz的交流电压。
控制系统包括：DSP28335、输入电压采样、输出电压采样、输出电流采样、调理电路、过压/欠压保护、过流/短路保护、温度检测保护、液晶显示、风冷温控、人机交互系统和多路隔离直流供电电路。
在控制电路中，DSP28335控制产生正弦波的同时，输入输出电压、输入输出电流采样电路采集输入输出电压、输入输出电流信号；调理电路将处理后的正半波信号传递给DSP28335处理，判断是否需要过压/欠压保护动作，或者过流/短路保护动作；人机交互系统用于中央计算机与DSP28335数据交互或者中央计算机控制逆变电路各个参数在线调整；多路隔离直流供电电路用于给控制系统各个子模块电路供应隔离各个等级直流电压；温度检测保护用于检测系统温度变化，温度达到系统设定将会控制风冷温控进行风冷散热；液晶显示用于实时精准显示系统各参数。
平波稳流电路输入端正极接母线保护继电器，输出端接辅助谐振电路，继电器电路输入端接DC900V，继电器包括两个部分，分别为DC900V母线输入端保护控制继电器和母线平波电容启动限流后电阻切除继电器，其控制端接DSP28335。
辅助谐振电路输入端接所述平波稳流电路，控制端接IGBT驱动电路，用于辅助逆变电路IGBT实现软开关控制。
IGBT驱动电路用于输出SPWM波给逆变电路，IGBT驱动电路包含软起动，动态短路保护、低电压保护、故障信息管理功能。
逆变电路为全桥结构，全桥桥臂中点作为正弦波输出端，输出电压经过滤波电路接隔离变压器一次侧。
隔离变压器，用于将滤波电路滤波后电压由一次侧540V降到二次侧220V，同时将逆变电路输出端与负载之间进行电气隔离；
DSP28335包括DSP最小系统以及各类型扩张接口，双CAN通信接口,外部RAM存储、JTAG、5V供电接口、LED、AD/DA等I/O端口，DSP28335分别连接过压/欠压保护、过流/短路保护、温度检测保护、液晶显示、人机交互系统，也接收电压电流反馈信号并处理控制驱动输出。
输入电压采样，用于将输入电压分压采样，并将采集电压型号发送给调理电路，调理电路将采集信号进行处理滤波等处理后传递给DSP28335AD端口。
输出电压采样，用于将输出电压分压采样，并将采集电压信号发送给调理电路，调理电路将信号反馈给DSP28335。
输出电流采样，用于将输出电流采样，并将采集电流信号发送给调理电路，调理电路将信号反馈给DSP28335。
过压/欠压保护和过流/短路保护，过压/欠压保护连接输入端DC900V正负极两端，为系统提供输入电压保护，过压/欠压保护另一端连接调理电路输入电压和输出电压电路信号入口端，当出现过压/欠压信号时DSP28335控制继电器电路切断主回路中DC900V母线输入。
调理电路输出电压和电流信号作为反馈信号传递给DSP28335，当检测计算输出电流出现过流/短路时DSP28335控制继电器电路切断主回路中DC900V母线输入。
调理电路输入端连接输出电压采样和输出电流采样和输入电压采样3部分，另一端连接DSP28335ADCINA端口。
温度检测保护与DSP28335AD输入端口连接，用于逆变器内部IGBT表面温度采集，并将采集温度信号反馈给DSP28335，过温时候就会触发过温保护从而触发继电器电路以及风冷温控，风冷温控供电由逆变器输交流出端供电。
液晶显示与DSP28335液晶显示接口连接，用于逆变器工作时实时参数显示，可显示输出电压有效值，实时IGBT稳步，调至比M，系统运行状态等实时监控参数。
人机交互系统与双CAN连接，用于高速精准传递中央计算与逆变器控制核心DSP28335之间的通信数据。
多路隔离直流供电电路供应控制系统中各个子模块各类型直流隔离电源，与DSP28335/输入电压采样、输出电压采样、输出电流采样、调理电路、温度检测保护、液晶显示、人机交互系统连接。
调理电路为3路调理电路，分别为输入电压调理电路，输出电压调理电路，输出电流调理电路，调理电路输入分别跟别连接对应的采样信号，输出连接DSP28335、ADCINA 1/2/3端口。
具体的，平波稳流电路包括继电器部分和平波稳流电路两部分，其中继电器K0串接于DC900V电源一端和稳流电感L1一端，K0起到过流/短路保护以及过压/欠压保护切除作用，继电器K1与平波电容C1和C2串联连接，继电器K1为母线平波电容启动限流后电阻切除继电器。
平波稳流电路的平波稳流部分为串接母线端稳流电感L1,并联母线端的平波电容C1、C2串联作为电容组，C1、C2电容组分别并联均压电阻R1、R2。
具体的，辅助谐振电路并联连接于所在逆变电路全桥桥臂，辅助谐振电路由关于桥臂中点上下对称的辅助开关管S5、S6，主谐振电容CS1、CS2，辅助谐振电容C5、C6，辅助谐振电感L1、L2，辅助二极管D5、D6，能量再生反馈二极管D7、D8组成；
辅助开关管S5、S6一端与母线连接，另一端串接辅助谐振电感L1、L2，辅助开关管S5、S6串接辅助谐振电感L1、L2后与主谐振电容CS1、CS2并联；
辅助开关管S5、S6与辅助谐振电感L1、L2中间连接辅助二极管D5负极，辅助二极管D5、D6正极连接辅助谐振电容C5、C6的一端，能量再生反馈二极管D7负极连接辅助二极管D5正极，能量再生反馈二极管D7正极连接母线负极端，能量再生反馈二极管D8负极连接母线正极端。
辅助谐振电感L1、L2与辅助谐振电容C5、C6一端连接。
辅助谐振电路有11种工作模式，为了实现全桥开关管S1、S2的准ZVS动作和ZCS动作，从而使得开关中能量反馈回电源中，实现了软开关功能。
具体的，IGBT驱动电路驱动逆变电路，驱动电路为2*4单元模块，每模块2路PWM波驱动电路，共需要输出8路PWM驱动波，IGBT驱动电路输入信号来源端为DSP28335的GPIO 0/1/2/3/4/5/6/7端口，输出信号端包括IGBT模块S1/S2/S3/S4/S5/S6/S7/S8，每个模块的门极g、发射极e、集电极c分别与对应的端口连接，S1的发射极e与S2的集电极c连接，S3的发射极e与S3的集电极c连接，S1的集电极c与S3的集电极c连接，S2的发射极e与S4发射极e连接；
IGBT驱动电路包含软启动，动态短路保护、低电压保护、故障信息管理功能，信号控制输入端与驱动输出端中间有磁隔离模块；
IGBT驱动电路驱动峰值电流计算：
Ipeak(max)＝(UGE+-UGE-)/(Rg(int)+Rg(ext)min)。
具体的，的滤波电路中滤波电感工作在工频段，滤波电容C为无极性电容，滤波电感L与滤波电容C一端连接，该连接点与隔离变压器一次高压侧端口抽头连接，滤波电容C另一端与隔离变压器一次侧另一高压端抽头连接；
所述隔离变压器一次高压侧端口连接滤波器电路，二次低压侧端口连接电源输出端，该隔离变压器一次侧漏感较大用于滤波，工作在工频段；
滤波电路传递函数推导：
Figure GDA0002385800270000101
滤波电路截至频率时滤波元件参数可通过(1)、(2)计算：
Figure GDA0002385800270000102
Figure GDA0002385800270000103
具体的，DSP28335控制整个逆变电源系统工作，从GPIO0/1/2/3/4/5/6/7端口输出8路PWM波驱动IGBT驱动电路产生正弦交流电，从ADCINA 1/2/3端口接收调理电路处理后的半波正周期限幅信号；
温度检测保护输入端连接温度检测传感器，输出端连接DSP28335的ADCINA6端口；
人机交互系统通过双CAN与DSP28335连接，多路隔离直流供电电路为DSP28335提供稳定+5V电压。
具体的，DSP28335与调理电路的连接中均有电气隔离元件。
具体的，调理电路接收的输入电压采样和输出电流采样采用电压传感器和电流传感器，输出电压采样使用分压采样方式；
所述的输出电压采样和输出电流采样获得的信号通过调理电路处理后作为反馈信号传递到DSP28335；
DSP28335将所采集的输出电压采样和输出电流采样通过自适应控制，调节输出电压和电流波形。
具体的，人机交互系统与DSP28335通过双CAN进行连接,人机交互系统使用Lebview界面可以实时观测逆变电路各个参数。其中，Lebview界面可显示的参数包括输出电压/电流波形、有效电压/电流值、频率、温度、效率、调制比和自适应PID参数，还可以用于设置输出电压/电流幅值大小。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种特种车辆的车载逆变电源，其特征在于：包括功率回路和控制系统两部分；
其中，功率回路包括：平波稳流电路、辅助谐振电路、逆变电路、滤波电路、隔离变压器和IGBT驱动电路；
控制系统包括：DSP28335、输入电压采样、输出电压采样、输出电流采样、调理电路、过压/欠压保护、过流/短路保护、温度检测保护、液晶显示、风冷温控、人机交互系统、多路隔离直流供电电路；
平波稳流电路用于将输入的DC900V直流电压中电压波动削弱同时减小母线上电流纹波，在输入输出电压电路异常时通过继电器保护系统安全；
辅助谐振电路用于逆变电路全桥开关管的软开关控制；逆变电路用于产生基波为540V、50Hz的交流电压；滤波电路输入接逆变电路输出，经过滤波再输出到隔离变压器；隔离变压器用于将逆变电路输出端与负载之间进行电气隔离，同时起到降压输出220V、50Hz的交流电压；
DSP28335控制产生正弦波的同时，输入输出电压、输入输出电流采样电路采集输入输出电压、输入输出电流信号；调理电路将处理后的正半波信号传递给DSP28335处理，判断是否需要过压/欠压保护动作，或者过流/短路保护动作；人机交互系统用于中央计算机与DSP28335数据交互或者中央计算机控制逆变电路各个参数在线调整；多路隔离直流供电电路用于给控制系统各个子模块电路供应隔离各个等级直流电压；温度检测保护用于检测系统温度变化，温度达到系统设定将会控制风冷温控进行风冷散热；液晶显示用于实时精准显示系统各参数；
所述辅助谐振电路并联连接于所在逆变电路全桥桥臂，辅助谐振电路由关于桥臂中点上下对称的辅助开关管S5、辅助开关管S6，主谐振电容CS1、主谐振电容CS2，辅助谐振电容C5、辅助谐振电容C6，辅助谐振电感L5、辅助谐振电感L6，辅助二极管D5、辅助二极管D6，能量再生反馈二极管D7、能量再生反馈二极管D8组成；
辅助开关管S5一端与母线正极端连接，另一端串联连接辅助谐振电感L5的一端，辅助开关管S5串联连接辅助谐振电感L5后与主谐振电容CS1并联连接；
辅助开关管S6一端与母线负极端连接，另一端串联连接辅助谐振电感L6的一端，辅助开关管S6串联连接辅助谐振电感L6后与主谐振电容CS2并联连接；
辅助开关管S5与辅助谐振电感L5中间连接辅助二极管D5负极，辅助二极管D5正极连接辅助谐振电容C5的一端，能量再生反馈二极管D7负极连接辅助二极管D5正极，能量再生反馈二极管D7正极连接母线负极端，
辅助开关管S6与辅助谐振电感L6中间连接辅助二极管D6正极，辅助二极管D6负极连接辅助谐振电容C6的一端，能量再生反馈二极管D8正极连接辅助二极管D6负极，能量再生反馈二极管D8负极连接母线正极端；
辅助谐振电容C5和辅助谐振电容C6串联连接；
辅助谐振电感L5的另一端、辅助谐振电感L6的另一端、辅助谐振电容C5的另一端和辅助谐振电容C6的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，
所述平波稳流电路包括继电器部分和平波稳流部分，其中继电器K0串接于DC900V电源一端和稳流电感L1一端，K0起到过流/短路保护以及过压/欠压保护切除作用，继电器K1与平波电容C1和C2串联连接，继电器K1为母线平波电容启动限流后电阻切除继电器；
所述平波稳流电路的平波稳流部分为串接母线端稳流电感L1,并联母线端的平波电容C1、C2串联作为电容组，C1、C2电容组分别并联均压电阻R1、R2。
3.根据权利要求1所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，所述的滤波电路中滤波电感工作在工频段，滤波电容C为无极性电容，滤波电感L与滤波电容C一端连接，该连接点与隔离变压器一次高压侧端口抽头连接，滤波电容C另一端与隔离变压器一次高压侧另一高压端抽头连接；
所述隔离变压器一次高压侧端口连接滤波电路，二次低压侧端口连接电源输出端，该隔离变压器一次高压侧漏感较大用于滤波，工作在工频段。
4.根据权利要求1所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，所述DSP28335控制整个逆变电源系统工作，从GPIO 0/1/2/3/4/5/6/7端口输出8路PWM驱动波驱动IGBT驱动电路产生正弦交流电，从ADC INA1/2/3端口接收调理电路处理后的半波正周期限幅信号；
温度检测保护输入端连接温度检测传感器，输出端连接DSP28335的ADCINA6端口；
人机交互系统通过双CAN与DSP28335连接，多路隔离直流供电电路为DSP28335提供稳定+5V电压。
5.根据权利要求4所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，所述的DSP28335与调理电路的连接中均有电气隔离元件。
6.根据权利要求5所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，所述的调理电路接收的输入电压采样和输出电流采样采用电压传感器和电流传感器，输出电压采样使用分压采样方式；
所述的输出电压采样和输出电流采样获得的信号通过调理电路处理后作为反馈信号传递到DSP28335；
DSP28335将所采集的输出电压采样和输出电流采样通过自适应控制，调节输出电压和电流波形。
7.根据权利要求1所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，所述的人机交互系统与DSP28335通过双CAN进行连接,人机交互系统使用Lebview界面可以实时观测逆变电路各个参数。
8.根据权利要求7所述的特种车辆的车载逆变电源，其特征在于，Lebview界面可显示的参数包括输出电压/电流波形、有效电压/电流值、频率、温度、效率、调制比和自适应PID参数，还可以用于设置输出电压/电流幅值大小。
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