CN110365197A - 地铁列车牵引逆变模块驱动板 - Google Patents

地铁列车牵引逆变模块驱动板 Download PDF

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CN110365197A CN201910754451.7A CN201910754451A CN110365197A CN 110365197 A CN110365197 A CN 110365197A CN 201910754451 A CN201910754451 A CN 201910754451A CN 110365197 A CN110365197 A CN 110365197A
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蔡鹏飞
王泉
陆军
陈燕
文飏
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Abstract

本发明涉及一种地铁列车牵引逆变模块驱动板，包括控制接口、隔离升压变压器、AC/DC电源模块、驱动隔离电路、驱动放大电路、保护电路、反馈隔离电路和IGBT驱动接口，其特征在于牵引控制单元通过控制接口为驱动板提供AC电源和IGBT驱动信号，AC电源经过隔离升压变压器和AC/DC电源模块为驱动板提供供电电源，IGBT驱动信号经驱动隔离电路、驱动放大电路和IGBT驱动接口控制大功率IGBT晶体管的导通与关断，保护电路具有电源电压检测功能和过流保护功能，检测到故障时封锁IGBT驱动电路，并通过反馈隔离电路和控制接口反馈信号到牵引控制单元。本发明具有结构简单、成本低、可靠性高的优势。

Description

地铁列车牵引逆变模块驱动板
技术领域
本发明涉及一种地铁列车牵引逆变模块驱动板，主要用于电气控制。
背景技术
牵引逆变模块是牵引逆变器的核心部件，它的主要功能是在列车牵引时将触网1500V直流电通过脉宽调制(PWM)逆变成电压、频率可调(VVVF)的交流电，给三相交流电机供电。驱动板是牵引逆变模块的核心控制部件，它主要用于驱动IGBT通断，同时具有监控电源电压、反馈故障信息等功能，它的工作状态正常与否直接影响整列车的功能。
如专利文献公开CN206727977U的一种IGBT驱动控制电路，IGBT驱动控制电路设置在控制板与IGBT模块之间，包括驱动电路、PWM控制电路、驱动电源电路和故障检测电路；PWM控制电路的信号输入端与控制板连接，PWM控制电路的方波信号输出端分别与驱动电路的第一输入端和故障检测电路的第一输入端连接；驱动电源电路的电压输入端接控制板上外接电源，驱动电源电路的电压信号输出端与驱动电路的第二输入端连接；驱动电路的输出端与IGBT模块的输入端连接；故障检测电路的第二输入端与IGBT模块的反馈输出端连接，故障检测电路的输出端与控制板连接。
随着地铁列车的运营年限增加，以及高强度的使用频率，加剧了电子元器件老化程度，导致列车故障频发，严重制约着轨道交通的安全、高效运行。牵引逆变模块驱动板是地铁列车牵引系统中最核心同时也是故障率较高的部件之一，而原装驱动板主要依赖于国外进口，价格高且供货周期长。为此，需要投入一定的技术力量就此问题进行探索与解决，解决备品备件问题，降低维护成本，进一步进行技术革新，改善牵引模块的工作性能，提高列车运营的安全性与可靠性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种地铁列车牵引逆变模块驱动板。
根据本发明提供的一种地铁列车牵引逆变模块驱动板，包括控制接口、AC/DC电源模块、驱动隔离电路、驱动放大电路以及IGBT驱动接口；
所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器；
列车的牵引控制单元和供电电源板与所述控制接口相连接；所述控制接口与隔离升压变压器一次侧线圈相连，为AC/DC电源模块提供设定的电源；所述AC/DC电源模块为驱动隔离电路和驱动放大电路提供设定的电源；所述控制接口还与驱动隔离电路相连；所述驱动隔离电路与驱动放大电路相连；所述驱动放大电路与IGBT驱动接口相连；所述IGBT驱动接口上外接有IGBT。
优选地，所述地铁列车牵引逆变模块驱动板还包括保护电路和反馈隔离电路；
所述AC/DC电源模块为保护电路和反馈隔离电路提供设定的电源；
所述保护电路与驱动放大电路相连；所述反馈隔离电路与控制接口相连接。
优选地，所述隔离升压变压器输入电源为±24V、35KHz的方波；所述AC/DC电源模块能够提供+15V DC和-12V DC两路电源。
优选地，所述驱动隔离电路包括第一隔离光耦；所述驱动隔离电路通过第一隔离光耦进行隔离；所述反馈隔离电路包括第二隔离光耦；所述反馈隔离电路通过第二隔离光耦进行隔离。
优选地，所述保护电路包括电源电压检测电路和过流保护电路；所述过流保护电路能够通过检测IGBT管压降来实现过流保护。
优选地，所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器电路、桥式整流电路以及稳压电路，具体元件包括隔离升压变压器、整流二极管以及稳压芯片；
所述控制接口与隔离升压变压器一次侧线圈相连；所述隔离升压变压器二次侧线圈输出经桥式整流电路与稳压电路相连接。
优选地，所述驱动隔离电路包括第一隔离光耦、限流电阻以及上拉电阻；
所述第一隔离光耦的输入端通过限流电阻与控制接口相连接，输出端通过上拉电阻与上拉电平信号相连接。
优选地，所述保护电路包括设定数量的三极管通路；
所述三极管通路包括三极管；所述三极管的集电极与设定的电信号或驱动放大电路这两者之一相连接，发射极与两者另一相连接；所述三极管的基极与设定的控制信号相连接。
优选地，所述驱动放大电路与驱动隔离电路通过连接电阻相连接；所述驱动放大电路包括第一驱动芯片、第二驱动芯片、稳压管、第一场效应管、第二场效应管以及匹配电阻；
所述第一驱动芯片的输入端与连接电阻相连接，输出端分别与稳压管第一端、第一场效应管栅极相连接；
所述稳压管第二端接入设定的电信号，并且与第二驱动芯片输入端相连接；所述第二驱动芯片的输出端与第二场效应管的栅极相连接；第二场效应管的源极接入设定的电信号，漏极通过匹配电阻与IGBT相连接；
所述第一场效应管的源极接入设定的电信号，漏极通过另一匹配电阻与IGBT相连接。
优选地，所述第一驱动芯片的输出端通过并联的第一支路和第二支路与第一场效应管栅极相连接；所述第二驱动芯片的输出端通过并联的第三支路和第四支路与第二场效应管的栅极相连接；
所述第一支路包括第十电阻R10；所述第二支路包括串联的第十七二极管D17和第十一电阻R11，其中第十七二极管D17的导通方向指向第一场效应管；所述第三支路包括第十三电阻R13；所述第四支路包括串联的第十九二极管D19和第十四电阻R14，其中第十九二极管D19的导通方向指向第二场效应管；
第十电阻R10的阻值大于第十一电阻R11的阻值；第十三电阻R13的阻值大于第十四电阻R14的阻值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
采用AC/DC电源模块，将AC/DC电源模块分离出来同时为6路驱动板供电，使得驱动板硬件电路结构简单，成本低；每一路IGBT由一块独立的驱动板控制，提高了电气隔离特性，抗干扰能力强，工作稳定，且单块板卡易于更换，维护成本低；通过在驱动放大电路中增加二极管和电阻形成IGBT导通关断的死区时间，能有效避免短路情况，保护IGBT，提高驱动板可靠性，且易于通过修改匹配电阻阻值实现对不同型号IGBT的通用性匹配。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种地铁列车牵引逆变模块驱动板的示意图；
图2为本发明一种地铁列车牵引逆变模块驱动板的结构框图；
图3为AC/DC电源模块的电路图；
图4为驱动电路原理示意图。
图中示出：
控制接口 1
隔离升压变压器 2
第一隔离光耦 3
第二隔离光耦 4
IGBT驱动接口 5
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种地铁列车牵引逆变模块驱动板，包括控制接口1、AC/DC电源模块、驱动隔离电路、驱动放大电路以及IGBT驱动接口5；所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器2；列车的牵引控制单元和供电电源板与所述控制接口1相连接；所述控制接口1与隔离升压变压器2一次侧线圈相连，为AC/DC电源模块提供设定的电源；所述AC/DC电源模块为驱动隔离电路和驱动放大电路提供设定的电源；所述控制接口1还与驱动隔离电路相连；所述驱动隔离电路与驱动放大电路相连；所述驱动放大电路与IGBT驱动接口5相连；所述IGBT驱动接口5上外接有IGBT。
具体地，所述地铁列车牵引逆变模块驱动板还包括保护电路和反馈隔离电路；所述AC/DC电源模块为保护电路和反馈隔离电路提供设定的电源；所述保护电路与驱动放大电路相连；所述反馈隔离电路与控制接口1相连接。所述隔离升压变压器输入电源为±24V、35KHz的方波；所述AC/DC电源模块能够提供+15V DC和-12V DC两路电源。所述驱动隔离电路包括第一隔离光耦3；所述驱动隔离电路通过第一隔离光耦3进行隔离；所述反馈隔离电路包括第二隔离光耦4；所述反馈隔离电路通过第二隔离光耦4进行隔离。所述保护电路包括电源电压检测电路和过流保护电路；所述过流保护电路能够通过检测IGBT管压降来实现过流保护。所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器电路、桥式整流电路以及稳压电路，具体元件包括隔离升压变压器2、整流二极管以及稳压芯片；所述控制接口1与隔离升压变压器2一次侧线圈相连；所述隔离升压变压器2二次侧线圈输出经桥式整流电路与稳压电路相连接。所述驱动隔离电路包括第一隔离光耦3、限流电阻以及上拉电阻；所述第一隔离光耦3的输入端通过限流电阻与控制接口1相连接，输出端通过上拉电阻与上拉电平信号相连接。所述保护电路包括设定数量的三极管通路；所述三极管通路包括三极管；所述三极管的集电极与设定的电信号或驱动放大电路这两者之一相连接，发射极与两者另一相连接；所述三极管的基极与设定的控制信号相连接。
更具体地，所述驱动放大电路与驱动隔离电路通过连接电阻相连接；所述驱动放大电路包括第一驱动芯片、第二驱动芯片、稳压管、第一场效应管、第二场效应管以及匹配电阻；所述第一驱动芯片的输入端与连接电阻相连接，输出端分别与稳压管第一端、第一场效应管栅极相连接；所述稳压管第二端接入设定的电信号，并且与第二驱动芯片输入端相连接；所述第二驱动芯片的输出端与第二场效应管的栅极相连接；第二场效应管的源极接入设定的电信号，漏极通过匹配电阻与IGBT相连接；所述第一场效应管的源极接入设定的电信号，漏极通过另一匹配电阻与IGBT相连接。所述第一驱动芯片的输出端通过并联的第一支路和第二支路与第一场效应管栅极相连接；所述第二驱动芯片的输出端通过并联的第三支路和第四支路与第二场效应管的栅极相连接；所述第一支路包括第十电阻R10；所述第二支路包括串联的第十七二极管D17和第十一电阻R11，其中第十七二极管D17的导通方向指向第一场效应管；所述第三支路包括第十三电阻R13；所述第四支路包括串联的第十九二极管D19和第十四电阻R14，其中第十九二极管D19的导通方向指向第二场效应管；第十电阻R10的阻值大于第十一电阻R11的阻值；第十三电阻R13的阻值大于第十四电阻R14的阻值。
进一步地，本发明优选例提供的一种地铁列车牵引逆变模块驱动板，包括：控制接口1、隔离升压变压器2、AC/DC电源模块、驱动隔离电路、驱动放大电路、保护电路、反馈隔离电路和IGBT驱动接口5；
所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器2、半桥整流和三端集成稳压电路，输入电源为±24V、35KHz的方波，为驱动板提供+15V DC和-12V DC两路电源；
所述驱动放大电路包括两路驱动器、推挽放大电路和匹配电阻，所述驱动器与场效应管通过电阻R10、电阻R11和二极管D8连接，电阻R11与二极管D8串联，再与电阻R10并联，且电阻R10阻值大于电阻R11。
所述驱动放大电路与驱动隔离电路通过连接电阻R7相连接。
所述保护电路包括电源电压检测电路和过流保护电路，所述过流保护电路通过检测IGBT管压降来实现。
所述控制接口选用SMS12GE6；
所述IGBT驱动接口5选用SMS6GE6；
所述+15V三端集成稳压芯片选用MC7815BT；
所述-12V三端集成稳压芯片选用MC7912BT；
所述隔离光耦，即第一隔离光耦3和第二隔离光耦4选用OPI1268；
所述驱动芯片选用TC427EPA；
更进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种地铁列车牵引逆变模块驱动板主要包括：控制接口1、隔离升压变压器2、AC/DC电源模块、驱动隔离电路、驱动放大电路、保护电路、反馈隔离电路和IGBT驱动接口5。
如图2所示，控制接口1外接牵引控制单元和供电电源板，控制接口1与隔离升压变压器2的一次侧线圈直接相连，为AC/DC电源模块提供±24V、35KHz的方波电源；AC/DC电源模块为驱动隔离电路、驱动放大电路、保护电路及反馈隔离电路提供+15V和-12V的工作电源；控制接口1与第二隔离光耦4通过限流电阻R3、R4、R5相连，为驱动隔离电路提供IGBT驱动信号；驱动隔离电路通过限流连接电阻R7与驱动放大电路的输入信号直接相连；驱动放大电路的输出与IGBT驱动接口5直接相连，外接到大功率IGBT晶体管，控制大功率IGBT晶体管的导通与关断；
牵引逆变模块驱动板还包括保护电路和反馈隔离电路，具有电源电压检测功能和过流保护功能，保护电路与驱动放大电路直接相连，当检测到过流过压故障时能直接封锁IGBT驱动信号；反馈隔离电路第二隔离光耦4控制接口1直接相连，将故障信号反馈给牵引控制单元。
驱动隔离电路主要由第一隔离光耦3构成，实现牵引控制单元与牵引逆变模块驱动板的电气隔离，第一隔离光耦3的输出为集电极开路输出，通过上拉电阻R6提供高电平输出电源。反馈隔离电路主要由第二隔离光耦4构成，实现牵引逆变模块驱动板与大功率IGBT晶体管的电气隔离。
如图3所示，AC/DC电源模块包括隔离升压变压器TR1，桥式整流二极管D1、D2、D3、D4和三端集成稳压芯片U1、U2。隔离升压变压器TR1一次侧与控制接口1直接相连，由供电电源板提供±24V、35KHz的方波电源，隔离升压变压器TR1的二次侧输出±40V的方波电源，经中心抽头分压、单相桥式整流后输出±20V的直流电，经过三端集成稳压芯片U1和U2分别输出+15V DC和-12V DC电源，为驱动隔离电路、驱动放大电路、保护电路及反馈隔离电路提供工作电源。
采用AC/DC电源模块，牵引逆变模块仅需1路DC/AC供电电源板就可以同时为6路驱动板供电，极大的简化了驱动板的硬件电路结构。
如图4所示，驱动隔离电路包括隔离光耦U3，即第一隔离光耦3，限流电阻R3、R4、R5和上拉电阻R6，隔离光耦U3与控制接口1通过限流电阻R3、R4、R5相连，由牵引控制单元提供IGBT驱动信号，隔离光耦U3的输出为集电极开路输出，通过上拉电阻R6提供高电平输出电源，上拉电平为+15V。IGBT导通信号为P+电压大于P-，此时光耦导通，输出电压为0V，否则光耦不导通，输出电压为+15V，IGBT关断。
驱动放大电路与驱动隔离电路通过限流连接电阻R7相连接，驱动放大电路包括驱动芯片U4、U5(分别作为第一驱动芯片、第二驱动芯片)，稳压管D32，场效应管T1、T2和匹配电阻R16、R17，稳压管D32稳压值为15V，驱动芯片U4为正电源电压(+15V、0V)，驱动芯片U5为负电源电压(0V、-12V)。当驱动放大电路输入为高电平时，驱动芯片U4输出+15V，驱动芯片U5输出0V，场效应管T1截止，场效应管T2导通，输出-12V电平，IGBT关断；当驱动放大电路输入为低电平时，驱动芯片U4输出0V，驱动芯片U5输出-12V，场效应管T1导通，场效应管T2截止，输出+15V电平，IGBT导通。
驱动芯片与场效应管之间通过二极管D17、D19，电阻R10、R11、R13、R14连接，且电阻R10的阻值比R11大，电阻R13的阻值比R14大。当驱动放大电路输入为高电平时，T1门极触发信号经过D17和R11，T2门极触发信号经过R13，T1截止速度比T2导通速度快；当驱动放大电路输入为低电平时，T1门极触发信号经过R10，T2门极触发信号经过D19和R14，T2截止速度比T1导通速度快，因此IGBT关断速度比导通速度快，形成死区时间，能有效防止上下桥臂两路IGBT同时导通造成短路的情况发生。
保护电路包括三极管T3、T4，保护电路采用集电极开路输出，与驱动放大电路直接连接，当检测到电压故障时，三极管T3导通，驱动放大电路输入被拉为高电平，通过限流连接电阻R7封锁IGBT驱动信号，IGBT保持关断状态；当检测到过流故障时，三极管T4导通，驱动放大电路输入被拉为高电平，通过限流连接电阻R7封锁IGBT驱动信号，IGBT保持关断状态。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，包括控制接口(1)、AC/DC电源模块、驱动隔离电路、驱动放大电路以及IGBT驱动接口(5)；
所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器(2)；
列车的牵引控制单元和供电电源板与所述控制接口(1)相连接；所述控制接口(1)与隔离升压变压器(2)一次侧线圈相连，为AC/DC电源模块提供设定的电源；所述AC/DC电源模块为驱动隔离电路和驱动放大电路提供设定的电源；所述控制接口(1)还与驱动隔离电路相连；所述驱动隔离电路与驱动放大电路相连；所述驱动放大电路与IGBT驱动接口(5)相连；所述IGBT驱动接口(5)上外接有IGBT。
2.根据权利要求1所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述地铁列车牵引逆变模块驱动板还包括保护电路和反馈隔离电路；
所述AC/DC电源模块为保护电路和反馈隔离电路提供设定的电源；
所述保护电路与驱动放大电路相连；所述反馈隔离电路与控制接口(1)相连接。
3.根据权利要求2所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述隔离升压变压器输入电源为±24V、35KHz的方波；所述AC/DC电源模块能够提供+15V DC和-12V DC两路电源。
4.根据权利要求2所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述驱动隔离电路包括第一隔离光耦(3)；所述驱动隔离电路通过第一隔离光耦(3)进行隔离；所述反馈隔离电路包括第二隔离光耦(4)；所述反馈隔离电路通过第二隔离光耦(4)进行隔离。
5.根据权利要求2所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述保护电路包括电源电压检测电路和过流保护电路；所述过流保护电路能够通过检测IGBT管压降来实现过流保护。
6.根据权利要求1所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述AC/DC电源模块包括隔离升压变压器电路、桥式整流电路以及稳压电路，具体元件包括隔离升压变压器(2)、整流二极管以及稳压芯片；
所述控制接口(1)与隔离升压变压器(2)一次侧线圈相连；所述隔离升压变压器(2)二次侧线圈输出经桥式整流电路与稳压电路相连接。
7.根据权利要求1所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述驱动隔离电路包括第一隔离光耦(3)、限流电阻以及上拉电阻；
所述第一隔离光耦(3)的输入端通过限流电阻与控制接口(1)相连接，输出端通过上拉电阻与上拉电平信号相连接。
8.根据权利要求1所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述保护电路包括设定数量的三极管通路；
所述三极管通路包括三极管；所述三极管的集电极与设定的电信号或驱动放大电路这两者之一相连接，发射极与两者另一相连接；所述三极管的基极与设定的控制信号相连接。
9.根据权利要求1所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述驱动放大电路与驱动隔离电路通过连接电阻相连接；所述驱动放大电路包括第一驱动芯片、第二驱动芯片、稳压管、第一场效应管、第二场效应管以及匹配电阻；
所述第一驱动芯片的输入端与连接电阻相连接，输出端分别与稳压管第一端、第一场效应管栅极相连接；
所述稳压管第二端接入设定的电信号，并且与第二驱动芯片输入端相连接；所述第二驱动芯片的输出端与第二场效应管的栅极相连接；第二场效应管的源极接入设定的电信号，漏极通过匹配电阻与IGBT相连接；
所述第一场效应管的源极接入设定的电信号，漏极通过另一匹配电阻与IGBT相连接。
10.根据权利要求9所述的地铁列车牵引逆变模块驱动板，其特征在于，所述第一驱动芯片的输出端通过并联的第一支路和第二支路与第一场效应管栅极相连接；所述第二驱动芯片的输出端通过并联的第三支路和第四支路与第二场效应管的栅极相连接；
所述第一支路包括第十电阻R10；所述第二支路包括串联的第十七二极管D17和第十一电阻R11，其中第十七二极管D17的导通方向指向第一场效应管；所述第三支路包括第十三电阻R13；所述第四支路包括串联的第十九二极管D19和第十四电阻R14，其中第十九二极管D19的导通方向指向第二场效应管；
第十电阻R10的阻值大于第十一电阻R11的阻值；第十三电阻R13的阻值大于第十四电阻R14的阻值。
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