CN113777984A - 一种直流高压多路固态功率控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直流高压多路固态功率控制器，有效解决智能化程度高，成本低，配线简单，体积小，满足轨道交通行业快速发展的需要问题，中央控制器接GAN通信总线，状态检测器和驱动器接中央控制器并行接口I/O1，状态检测器和驱动器并联接功效开关管的栅极，漏极接电源，功效开关管的源极接电源检测电路，电源检测电路、电流检测电路、电压检测电路的输出端经串口总线接中央控制器的ADC转换接口，电流检测电路、电压检测电路上接超压短路保护器，电流检测电路、电压检测电路输入端接负载，供电电源经隔离变换器接中央控制器驱动电源接口，应急通断器经隔离控制器接中央控制器并行接口I/O2，本发明设计科学合理，采用集成化模块，体积小，智能化高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及电器，特别是轨道交通中用的一种直流高压多路固态功率控制器。
背景技术
随着我国经济的昌盛繁荣和科技进步，轨道交通行业得到了快速发展，动车组列车的国产化、智能化、自动化程度越来越高，新工艺新技术被广泛应用。在铁路交通高铁时代背景下，但轨道交通中，继电器作为电气控制系统的核心部件，依然采用传统电磁式继电器，暴露出了包括故障率高、检修维护困难、进口依赖度高、综合应用成本高、配线繁杂、体积大等众多问题。目前，我国针对专用于轨道交通行业的车载固态功率控制器技术的研究还处于技术引进和消化吸收阶段，国内虽然已有相关企业实现了铁路专用固态功率控制器技术的自主研发，但依然存在智能化程度不高、成本高、配线复杂、体积大、使用不尽人意的问题。
固态功率控制器将是未来高速铁路、普速铁路、城轨列车等发展的技术瓶颈，因此，如何解决传统电磁继电器在轨道交通行业应用中出现的成本高、配线繁杂、体积大等问题，提供与生产符合我国轨道交通行业未来发展趋势，而且具有自主知识产权的车载固态功率控制器是必需解决的技术问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种直流高压多路固态功率控制器，可有效解决智能化程度高，成本低，配线简单，体积小，满足轨道交通行业快速发展的需要问题。
本发明解决的技术方案是，一种直流高压多路固态功率控制器，包括外壳、中央控制器、总线通信器、状态检测（监控）器、状态显示器和应急通断器，中央控制器经总线接口接GAN通信总线，状态检测（监控）器和驱动（监控）器经并行接口总线接中央控制器并行接口（串口）I/O1，状态检测（监控）器和驱动（监控）器并联接功效开关管的栅极，功效开关管的漏极接电源，功效开关管的源极接电源检测电路，电源检测电路、电流检测电路、电压检测电路的输出端经串口总线接中央控制器的ADC转换接口，电流检测电路、电压检测电路上分别接超压短路保护器，电流检测电路、电压检测电路输入端接负载，供电电源经隔离变换器接中央控制器驱动电源接口，应急通断器经隔离控制器接中央控制器并行接口（串口）I/O2，并经隔离控制器接状态检测（监控）器，中央控制器上装有用于显示状态检测器检测出的故障状态、跳闸状态、工作状态、超压状态、过流状态的显示器，各器件采用模块化装在外壳内。
本发明结构新颖独特，设计科学合理，各部件采用集成化模块，体积小，智能化高，配线简单，成本低，可有效满足轨道交通行业未来发展的实际需要，有巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明的结构框示图。
图2为本发明的中央控制器与各器件的框示连接结构图。
图3为本发明的电流检测原理图。
图4为本发明的电压检测原理图。
图5为本发明电流/电压保护流程图。
图6为本发明电源驱动示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1、2所示，本发明一种直流高压多路固态功率控制器，包括外壳、中央控制器、总线通信器、状态检测（监控）器、状态显示器和应急通断器，中央控制器经总线接口接GAN通信总线，状态检测（监控）器和驱动（监控）器经并行接口总线接中央控制器并行接口（串口）I/O1，状态检测（监控）器和驱动（监控）器并联接功效开关管的栅极，功效开关管的漏极接电源，功效开关管的源极接电源检测电路，电源检测电路、电流检测电路、电压检测电路的输出端经串口总线接中央控制器的ADC转换接口，电流检测电路、电压检测电路上分别接超压短路保护器，电流检测电路、电压检测电路输入端接负载，供电电源经隔离变换器接中央控制器驱动电源接口，应急通断器经隔离控制器接中央控制器并行接口（串口）I/O2，并经隔离控制器接状态检测（监控）器，中央控制器上装有用于显示状态检测器检测出的故障状态、跳闸状态、工作状态、超压状态、过流状态的显示器，各器件采用模块化装在外壳内。
为了保证使用效果的使用方便，所述的中央控制器为CPU中央控制器；
所述的总线接口为RS485通讯总线接口；
所述的并行接口（串口）I/O1、并行接口（串口）I/O2为8155、8255、8251或8237等；
所述的状态检测（监控）器为多功能状态检测仪，型号为ZT2006E；
所述的应急通断器型号为JYFK-T；
所述的驱动（监控）器为XTR300工业级模拟电流/电压输出驱动器；.
所述的电流检测电路是由霍尔传感器和运算器及ADC转换器构成，霍尔传感器的输出端接运算器的电源正极，运算器的负极接地，运算器的输出端接ADC转换器的输入端，ADC转换器的输入端接中央控制器的ADC转换接口；所述的霍尔传感器型号为CSCA0400A000B15B01（又称开环电流传感器）；所述的运算器型号为ths3001（又称电流反转放大器）；霍尔传感器为高精度、高隔离度霍尔传感器电流检测芯片，传感器的IC芯片表面设有铜箔，当电流从铜箔通过时，将会产生一个磁场，从而霍尔元件将依磁场感应出一个成线性关系的电压信号VOUT，经传感器对信号进行放大、滤波、斩波、修正后，输入运算器，再通过ADC转换器输入中央控制器，流经铜箔电流强弱大小被直接在中央控制器反应出来，从而实现电流检测精度要求，并与负载信号高度适应和隔离，具体检测和保护方法（流程）是：产品上电，进行初始化，判断是否过流，若不过流，回到初始化，若是过流，进行逻辑延时，再判断过逻辑信号持续时间是否超过阈值，当不超过阈值，再回到初始化，若超过阈值，进行过流保护（见图3、图5所示）；
所述的电压检测电路是由运算器和ADC转换器构成，运算器的正极接负载，负极接地，运算器的输入端经ADC转换器接中央控制器的ADC转换接口，直接通过运放运算电路将负载电压变换至ADC采样范围，电压检测精度由设计保证；所述的运算器型号为ths3001（又称电流反转放大器）；其具体检测和保护方法（流程）同电流检测电路，产品上电，进行初始化，判断是否过压，若不过压，回到初始化，若是过压，进行逻辑延时，再判断过逻辑信号持续时间是否超过阈值，当不超过阈值，再回到初始化，若超过阈值，进行过压保护（见图4、图5所示）；
所述的驱动（监控）器经并行接口（串口）I/O1接中央控制器，驱动（监控）器的3个控制信号端口分别接通路①、通路②、通路③，通路①接第一可控硅开关管G1的栅极，通路②接第二可控硅开关管G2的栅极，通路③接第三可控硅开关管G的栅极，第一可控硅开关管G1、第二可控硅开关管G2、第三可控硅开关管G3的漏极接负载电源110V，源极经电阻接地；所述的第一可控硅开关管G1、第二可控硅开关管G2、第三可控硅开关管G3均为氮化镓（GaN）半导体开关管。
由上述可以看出，本发明是一种大功率直流高压多路固态控制器，应用在列车电气控制系统中，用来代替传统的电磁继电器和断路器。控制器包括低压输入控制接口、高压负载兼容、过流过压保护以及手动控制、状态监测输出、电压检测与保护、总线通信等功能。其中，为了实现高精度、低功耗、低成本、小尺寸、大范围电流检测，过流保护的设计，设计了基于霍尔效应的电流检测。
具有多种控制功能，可以同时控制8条通路的通断功能；通信功能：具备CAN总线通信功能。负载单元接通、关断控制、用户参数读取、负载电流读取、过流保护及跳闸状态读取、短路保护及跳闸状态读取、负载电压读取、欠压保护及欠压保护状态读取、过压保护及过压状态读取、超压保护及超压状态读取、负载单元工作导常状态读取；过流保护功能：可通过上位机指令或CAN总线设置过流保护基准电流以及选取过流保护曲线，保护时间满足反时限保护；负载过流自动切断后，状态锁存，并输出过流保护标识位；短路保护功能：负载短路自动功断，状态锁存，并输出短路保护标识指令；欠压保护功能：可通过上位机命令或CAN总线设置欠压保护值以及欠压保护时间；负载欠压自动切断后，状态锁存，并输出过压保护标识指令；超压保护功能：负载超压自动切断，状态锁存，并输出超压保护标识指令；状态监测与故障报警功能：实时监测固态功率控制器工作状态，根据环境温度、内部温度、单路动作次数等参数，自动判定固态功率控制器当前所处的工作状态，对于出现的异常状态进行报警，并输出故障位置标识指令。
本发明可广泛应用于轨道交通等大型复杂机电设备中，是列车电气控制系统的重要电子元器件，以CRH3型动车组为例，全车电气控制柜内共安装有继电器约1024个，本发明以半导体器件盒集成电路为核心，将转换、控制和检测等功能集成于一体，可以完美替换现有车载继电器，具有无机械触点、响应速度快、工作寿命长、成本低、可靠性高、无电弧等特点，具有在线测试借口，便于车载控制系统数字化、智能化管理，降低综合应用成本，智能化程度高，成本低，配线简单，体积小，满足轨道交通行业快速发展的需要，经济和社会效益巨大。
Claims (4)
1.一种直流高压多路固态功率控制器，包括外壳、中央控制器、总线通信器、状态检测器、状态显示器和应急通断器，其特征在于，中央控制器经总线接口接GAN通信总线，状态检测器和驱动器经并行接口总线接中央控制器并行接口I/O1，状态检测器和驱动器并联接功效开关管的栅极，功效开关管的漏极接电源，功效开关管的源极接电源检测电路，电源检测电路、电流检测电路、电压检测电路的输出端经串口总线接中央控制器的ADC转换接口，电流检测电路、电压检测电路上分别接超压短路保护器，电流检测电路、电压检测电路输入端接负载，供电电源经隔离变换器接中央控制器驱动电源接口，应急通断器经隔离控制器接中央控制器并行接口I/O2，并经隔离控制器接状态检测器，中央控制器上装有用于显示状态检测器检测出的故障状态、跳闸状态、工作状态、超压状态、过流状态的显示器，各器件采用模块化装在外壳内。
2.根据权利要求1所述的直流高压多路固态功率控制器，其特征在于，所述的电流检测电路是由霍尔传感器和运算器及ADC转换器构成，霍尔传感器的输出端接运算器的电源正极，运算器的负极接地，运算器的输出端接ADC转换器的输入端，ADC转换器的输入端接中央控制器的ADC转换接口；所述的霍尔传感器型号为CSCA0400A000B15B01；所述的运算器型号为ths3001；霍尔传感器为高精度、高隔离度霍尔传感器电流检测芯片，传感器的IC芯片表面设有铜箔，当电流从铜箔通过时，将会产生一个磁场，从而霍尔元件将依磁场感应出一个成线性关系的电压信号VOUT，经传感器对信号进行放大、滤波、斩波、修正后，输入运算器，再通过ADC转换器输入中央控制器，流经铜箔电流强弱大小被直接在中央控制器反应出来，从而实现电流检测精度要求，并与负载信号高度适应和隔离，具体检测和保护方法是：产品上电，进行初始化，判断是否过流，若不过流，回到初始化，若是过流，进行逻辑延时，再判断过逻辑信号持续时间是否超过阈值，当不超过阈值，再回到初始化，若超过阈值，进行过流保护。
3.根据权利要求1所述的直流高压多路固态功率控制器，其特征在于，所述的电压检测电路是由运算器和ADC转换器构成，运算器的正极接负载，负极接地，运算器的输入端经ADC转换器接中央控制器的ADC转换接口，直接通过运放运算电路将负载电压变换至ADC采样范围，电压检测精度由设计保证；其具体检测和保护方法同电流检测电路，产品上电，进行初始化，判断是否过压，若不过压，回到初始化，若是过压，进行逻辑延时，再判断过逻辑信号持续时间是否超过阈值，当不超过阈值，再回到初始化，若超过阈值，进行过压保护。
4.根据权利要求1所述的直流高压多路固态功率控制器，其特征在于，所述的驱动器经并行接口I/O1接中央控制器，驱动器的3个控制信号端口分别接通路①、通路②、通路③，通路①接第一可控硅开关管G1的栅极，通路②接第二可控硅开关管G2的栅极，通路③接第三可控硅开关管G的栅极，第一可控硅开关管G1、第二可控硅开关管G2、第三可控硅开关管G3的漏极接负载电源110V，源极经电阻接地；所述的第一可控硅开关管G1、第二可控硅开关管G2、第三可控硅开关管G3均为氮化镓半导体开关管。
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