CN206421199U - 动车组用高压大功率隔离驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种动车组用高压大功率隔离驱动电路，包括：用于所述驱动电路与控制器之间的电气隔离、电平转换以及传递脉冲信号的数字信号隔离电路，用于接收数字信号隔离电路传输及电平转换后的脉冲信号、并将功率模块的状态反馈给控制器的FPGA，用于将FPGA输出的脉冲信号转化为光信号传输给功率模块、并将功率模块反馈回的光信号转化为电信号传输给FPGA的光电转换模块，以及为FPGA供电的隔离电源。本实用新型能够长距离的传输控制器发出的脉冲信号，且脉冲信号在长距离的传输中抗干扰能力强，能够对控制脉冲信号进行检测、诊断及保护，并进行精确的死区控制，符合动车组对高压大功率驱动电路高可靠性和安全性的要求。
Description
技术领域
本实用新型属于电气控制技术领域，涉及动车组用高压大功率功率器件的驱动装置，具体地说，涉及一种动车组用高压大功率隔离驱动电路。
背景技术
功率模块是牵引变流器和辅助变流器等动车组变流装置的核心单元，主要执行电力电子变换。驱动电路是实现控制器与功率模块之间信号传递、以弱电控制强电的桥梁。驱动电路能否准确可靠传递控制器发出的脉冲信号，控制功率器件的开通和关断，是列车运行安全的重要因素。
与普通铁路客车相比，动车组普遍使用高压大功率的IGBT作为功率器件，IGBT的额定电压最高可达6500V。高压大功率及动车组对变流装置高能量密度的要求，使变流器内部的电磁环境更加严酷，对驱动电路的可靠性及抗干扰能力要求更高。目前，现有的驱动方案主要有以下两类：
第一类：电驱动方案，控制器发出的脉冲信号通过光耦隔离及电平转换后，以高低电平的方式传递到功率模块，控制功率器件的开通和关断。这种方案全部由电信号进行传递，电信号在长距离的传输过程中易受到高压IGBT开关的干扰，容易发生信号的失真变形，可靠性较低。
第二类：光驱动方案，控制器发出的脉冲信号通过光电转换电路转换为光信号，通过光纤传递到功率模块，再通过光电转换电路转换成电信号，控制功率器件的开通和关断。虽然光纤信号在长距离的传输中抗干扰能力强，但传统方案只是单纯的传递控制信号，不能对控制脉冲信号进行检测、诊断及保护，不能进行精确的死区控制，无法满足动车组对高压大功率驱动电路高可靠性的要求。
授权公告号为CN 201478999U的中国专利公开了一种中高压变频器IGBT驱动电路，包括电源模块，可编程逻辑器件FPGA、电路保护监测电路、光电隔离模块和功率放大电路，电源模块、电路保护监测电路的输出连接FPGA，FPGA的输出经光电隔离模块和功率放大电路连接至IGBT。该专利适用于大功率、高耐压IGBT模块串、并联电路的驱动和保护。通过光纤传输驱动及状态识别信号，进行高压隔离传输，具有良好的抗电磁干扰性能和较大的驱动电流，适用于高压大功率场合，实现了IGBT的过流和短路保护，以及信号反馈检测功能。但该专利中的驱动电路容易受到外界干扰的影响，可靠性较差。
实用新型内容
为了解决现有功率模块驱动电路存在的可靠性及抗干能力差等上述问题，本实用新型提供了一种可靠性高、抗干扰能力强的动车组用高压大功率隔离驱动电路。该驱动电路能够长距离的传输控制器发出的脉冲信号，且脉冲信号在长距离的传输中抗干扰能力强，能够对控制脉冲信号进行检测、诊断及保护，并进行精确的死区控制，符合动车组对高压大功率驱动电路高可靠性和安全性的要求。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：提供了一种动车组用高压大功率隔离驱动电路，包括：
数字信号隔离电路，用于所述驱动电路与控制器之间的电气隔离、电平转换以及传递脉冲信号；
FPGA，与数字量信号隔离电路连接，用于接收数字信号隔离电路传输及电平转换后的脉冲信号，并将功率模块的状态反馈给控制器；
光电转换模块，与FPGA连接，用于将FPGA输出的脉冲信号转化为光信号传输给功率模块，并将功率模块反馈回的光信号转化为电信号传输给FPGA；
隔离电源，为FPGA供电。
在本实用新型上述驱动电路中，在传统光驱动方案的基础上加入了FPGA，实现了驱动电路的脉冲整形、自检测、自诊断、自保护功能。驱动电路中的隔离电路及隔离电源使整个驱动电路成为独立的电气系统，避免了其它板卡干扰信号对驱动电路的影响，提高了驱动电路的抗干扰性。
作为本实用新型的优选，数字信号隔离电路采用光电隔离器和I2C芯片，其中，光电隔离器用于FPGA与控制器之间的电信号隔离，I2C芯片用于通过I2C总线连接控制器与FPGA，向控制器传递功率模块的工作状态。
作为本实用新型的优选，隔离电源将外部输入的+15V电源信号转换为5V电源信号后经电源芯片转换为1.8V、1.2V电源信号，满足FPGA对多种电平的需求。
作为本实用新型的进一步设计，所述驱动电路还包括3U板卡，隔离电源、数字信号隔离电路、FPGA以及光电转换模块集成安装于3U板卡上。采用模块化设计，整个电路采用3U板卡，适用于6U机箱、4U机箱等不同系统，通用性强。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型设计的隔离驱动电路，采用光纤进行信号传输，克服了现有电驱动方案易受外部噪声干扰、传输距离短的特点；与传统光驱动方案相比，在驱动电路中加入FPGA，对控制器发出的脉冲信号进行统一管理，能够实现对脉冲信号的整形、滤除毛刺信号，增加上升沿和下降沿的陡峭性，对功率模块实现更好的控制，能够对脉冲信号死区时间进行精确控制，避免出现上下管直通的现象，能够根据功率模块的反馈信号实现故障诊断，并在故障发生时，迅速封锁脉冲，保护功率模块。
(2)本实用新型隔离驱动电路设计有数字信号隔离电路和隔离电源，使整个隔离驱动电路成为独立的电气系统，避免了其它板卡干扰信号对本实用新型隔离驱动电路的影响，提高了抗干扰性能。
(3)本实用新型设计的隔离驱动电路能够实现对6500V等级大功率IGBT的控制，并且得到装车使用，安全可靠。
(4)本实用新型隔离驱动电路采用3U板卡设计，可以集成到机箱内部，适用于6U机箱、4U机箱等不同系统，通用性强，维修更换简单方便，满足动车组对检修维护的要求。
附图说明
图1为本实用新型具体实施例结构框图。
图2为本实用新型具体实施例隔离驱动电路中光电隔离器的电路连接关系示意图。
图3为本实用新型具体实施例隔离驱动电路中I2C芯片的电路连接关系示意图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
参见图1，图1为一种动车组用高压大功率隔离驱动电路的结构框图，该隔离驱动电路包括：
数字信号隔离电路，用于所述驱动电路与控制器之间的电气隔离、电平转换以及传递脉冲信号；FPGA，与数字量信号隔离电路连接，用于接收数字信号隔离电路传输及电平转换后的脉冲信号，并将功率模块的状态反馈给控制器；
光电转换模块，与FPGA连接，用于将FPGA输出的脉冲信号转化为光信号传输给功率模块，并将功率模块反馈回的光信号转化为电信号传输给FPGA；
隔离电源，将外部输入的+15V电源信号转换为5V电源信号后经电源芯片转换为1.8V、1.2V电源信号，为FPGA供电，满足FPGA对多种电平的需求。
在本实施例上述隔离驱动电路中，所述数字信号隔离电路采用光电隔离器和I2C芯片，其中，光电隔离器用于FPGA与控制器之间的电信号隔离，I2C芯片用于通过I2C总线连接控制器与FPGA，向控制器传递功率模块的工作状态。
参见图2，图2为光电隔离器的电路连接关系示意图，光电隔离器采用ISO7240芯片，其输出端由+3V和接地0V供电，输出由电阻R1-R4下拉，光电隔离器与控制器传来的电脉冲信号PWM1-PWM4相连，并对电脉冲信号PWM1-PWM4进行电信号-光信号的转换，将电脉冲PWM信号转换为光脉冲PWM_FB信号，用光信号实现电气隔离和电平转换，防止控制器电路对本实施例中隔离驱动电路的干扰影响，隔离并进行电平转换后的脉冲信号传输至FPGA。
参见图3，图3为I2C芯片的电路连接关系示意图，I2C芯片采用PCA9674芯片，其输入与FPGA的输出引脚相连，通过I2C总线实时向控制器传递功率模块的工作状态。
在本实施例中，所述驱动电路还包括3U板卡，隔离电源、数字信号隔离电路、FPGA以及光电转换模块集成安装于3U板卡上。采用模块化设计，整个电路采用3U板卡，适用于6U机箱、4U机箱等不同系统，通用性强。
控制器输出的脉冲信号经过数字信号隔离电路传输及电平转换后，波形中会混有毛刺，并且波形的上升沿和下降沿会变缓，有可能会导致功率模块的IGBT误动作造成安全隐患。在本实施例中，由于加入了FPGA，通过FGGA对脉冲信号进行正向操作，滤除毛刺信号，使脉冲信号的波形边沿更加陡峭。同时，FGPA能够实现对脉冲信号的死区控制，精确控制死区时间，有效避免上下管直通现象。FPGA还可以判断功率模块的反馈信号是否正常，实现自检测和自诊断的功能，并且在判断出故障后迅速封锁脉冲信号，保护功率模块，实现自我保护功能，节省了与控制器通信的时间，提高安全性，同时通过I2C芯片经I2C总线实时向控制器传递功率模块的工作状态，使控制器能够及时掌握功率模块的状态信息。
上述实施例用来解释本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种动车组用高压大功率隔离驱动电路，其特征在于，包括：
数字信号隔离电路，用于所述驱动电路与控制器之间的电气隔离、电平转换以及传递脉冲信号；
FPGA，与数字量信号隔离电路连接，用于接收数字信号隔离电路传输及电平转换后的脉冲信号，并将功率模块的状态反馈给控制器；
光电转换模块，与FPGA连接，用于将FPGA输出的脉冲信号转化为光信号传输给功率模块，并将功率模块反馈回的光信号转化为电信号传输给FPGA；隔离电源，为FPGA供电。
2.如权利要求1所述的动车组用高压大功率隔离驱动电路，其特征在于，数字信号隔离电路采用光电隔离器和I2C芯片，其中，光电隔离器用于FPGA与控制器之间的电信号隔离，I2C芯片用于通过I2C总线连接控制器与FPGA，向控制器传递功率模块的工作状态。
3.如权利要求1所述的动车组用高压大功率隔离驱动电路，其特征在于，隔离电源将外部输入的+15V电源信号转换为5V电源信号后经电源芯片转换为1.8V、1.2V电源信号。
4.如权利要求1至3任意一项所述的动车组用高压大功率隔离驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括3U板卡，隔离电源、数字信号隔离电路、FPGA以及光电转换模块集成安装于3U板卡上。
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| CN201720091050.4U CN206421199U (zh) | 2017-01-24 | 2017-01-24 | 动车组用高压大功率隔离驱动电路 |
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| CN201720091050.4U CN206421199U (zh) | 2017-01-24 | 2017-01-24 | 动车组用高压大功率隔离驱动电路 |
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| CN201720091050.4U Active CN206421199U (zh) | 2017-01-24 | 2017-01-24 | 动车组用高压大功率隔离驱动电路 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110244207A (zh) * | 2018-03-09 | 2019-09-17 | 深圳市禾望电气股份有限公司 | 半导体器件故障检测方法及装置、变换器 |
| CN117439559A (zh) * | 2023-10-20 | 2024-01-23 | 哈尔滨海鸿基业科技发展有限公司 | 一种隔离脉冲的功率放大电路及控制方法 |
| CN117439559B (zh) * | 2023-10-20 | 2024-05-17 | 哈尔滨海鸿基业科技发展有限公司 | 一种隔离脉冲的功率放大电路及控制方法 |
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