CN2742669Y

CN2742669Y - 一种新型控制电源

Info

Publication number: CN2742669Y
Application number: CN 200420068534
Authority: CN
Inventors: 谭常清; 张伟先; 魏衍成; 何安清
Original assignee: Zhuzhou Gofront Electric Equipment Co ltd
Current assignee: CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co Ltd
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2005-11-23
Anticipated expiration: 2014-08-30

Abstract

一种新型控制电源，它包括主电路、控制电路和辅助电源电路，控制电路包括功率因素控制电路，欠过压保护电路、系统过热保护电路和过流保护电路；辅助电源电路由模块电源组成，为所述控制电路提供+5伏、+15伏和+24伏直流供电电源；它以IGBT等为核心部件，采用先进的开关电源技术，通过采用功率因数校正、电磁兼容技术、模块化设计，使输出电压精度高，稳定性高，保证了机车控制电源的高可靠性，提高机车控制电源的效率和电磁兼容性能，适应铁路各型机车发展的需要。

Description

一种新型控制电源

技术领域

本实用新型涉及一种电力机车控制电源，特别是一种产生DC110V的新型控制电源。

背景技术

长期以来，直流传动电力机车上均采用全波半控桥整流的线性控制电源，如中国铁道出版社1998年出版的《韶山8型电力机车》第四章第一节所介绍。这种控制电源虽能基本满足机车直流110V供电的需要，但具有体积大、输出电压特性差、效率低、电磁兼容性差和可靠性低的缺点，越来越不能满足机车高效、可靠、节能的要求。为此，迫切需要设计一种新型DC110V控制电源来解决以上问题，与蓄电池并联为机车提供稳定的110V控制电源，在降弓或控制电源故障情况下由蓄电池维持机车的控制电源。

发明内容

本实用新型的目的是为了适应铁路各型机车发展的需要，提高机车控制电源的可靠性、效率和电磁兼容性能，提供一种设计新颖、结构精湛、工艺先进的新型控制电源。

本实用新型的解决方案是，一种新型DC110V控制电源。该控制电源以IGBT等为核心部件，采用先进的开关电源技术，使输出电压精度高，稳定性高。同时通过采用功率因数校正、电磁兼容技术、模块化设计，保证了机车控制电源的高可靠性。

它包括主电路1、控制电路2和辅助电源电路3，其特征在于：

所述主电路1包括：

一个与外部输入单相交流电相连的输入滤波器EMI1；由接触器KM2和电阻器串联构成并与该输入滤波器EMI1相连的软启动电路；

一个与所述输入滤波器EMI1的一个输出端及软启动电路相连的整流桥B1；

一个与所述整流桥B1的负输出端相连的电流检测电阻器R2，该电流检测电阻器R2的另一端成为第一输出电压信号端口PORT4；

一个与所述整流桥B1的正输出端相连的由电感器L1、电容C2和IGBT器件U1构成的升压电路，该电感器L1的另一端成为第二输出电压信号端口PORT12；

一个由电阻器R3、可调电位器W1和电阻器R4串联构成并连接在第一输出电压信号端口PORT4与第二输出电压信号端口PORT12之间的第一电压取样支路；

一个由电阻器R5、可调电位器W2和电阻器R6构成并连接在第一输出电压信号端口PORT4与第二输出电压信号端口PORT12之间的第二电压取样支路；

一个由IGBT器件U3和U4构成并串联在第一输出电压信号端口PORT4与第二输电压信号端口PORT12之间的半桥逆变电路；该半桥逆变电路的中间连接端及串联在第一输出电压信号端口PORT4与第二输出电压信号端口PORT12之间的电阻器R7、R8的中间连接端分别与变压器T1的一个原边相连，该变压器T1的副边与第二整流桥B2相连，第二整流桥B2的输出端与一个由电感器L2、电容器C3和电解电容器E3构成的滤波电路相连，该滤波电路的正输出端通过电流互感器与防反接二极管U5的正极相连；该U5的负极与一个输出滤波器EMI3相连，该输出滤波器EMI3的输出端输出一个稳定的110伏直流电源；

所述辅助电源电路3由模块电源组成，通过输入滤波器EMI2与110伏蓄电池相连，该辅助电源电路3为所述控制电路2提供+5伏、+15伏和+24伏直流供电电源；

所述控制电路2包括功率因素控制电路4，欠过压保护电路5、系统过热保护电路6和过流保护电路7；其中

所述功率因素控制电路4包括型号为控制器U30及其外围电阻器、电容器，所述整流桥B1的正输出端通过电阻器R208与其交流电流输入端第6脚相连，整流桥B1的负输出端通过电阻器R211与控制器U30的乘法器输出端第5脚相连，还通过电阻器R212与控制器U30的峰值电流限制端第2脚相连；所述主电路1的第一输出电压信号端口PORT4通过电阻器R214与其电流放大输出端第3脚相连；所述主电路1的第一电压取样支路的W1的动端与该控制器U30的7.5伏电压基准输出端第9脚相连；该控制器U30的栅极驱动端第16脚通过由三极管M1、M2构成的驱动放大电路、电阻器R232与所述主电路1的IGBT器件U1的栅极相连；

所述欠过压保护电路5由比较器U31及其外围电路构成，所述主电路1的第二电压取样支路的W2的动端与电源地之间连接有由电阻器R224、R221构成的第一串联分压电路和由电阻器R225、R223构成的第二串联分压电路，且二个串联分压电路的中间点电压信号送入比较器U31的两个输入端，比较器U31的欠压或过压输出端分别通过电阻器与三极管Q11的基极相连，该三极管Q11的集电极与所述功率因素控制电路4中控制器U30的使能控制端第10脚相连，在欠压或过压时关断控制器U30的第16脚输出；

所述系统过热保护电路6包括一个安装在散热器上的温度传感器U21、控制芯片U12、三个运算放大器U10B、U20A、U20B、逻辑控制芯片U7和达林顿管U9及其它们的外围电路构成，其中：

所述温度传感器U21的电压信号输出端分别与三个设定参考值不同的运算放大器的一个输入端相连，其中运算放大器U10B的输出端与控制芯片U12的比较端第9脚相连；

所述控制芯片U12的第11脚和第12脚分别与所述主电路1的IGBT器件U3、U4的控制极相连；

所述运算放大器U20A的过热显示输出端与逻辑控制芯片U7的过热显示输入端相连，该逻辑控制芯片U7通过达林顿管U9与过热显示二极管L3相连；所述运算放大器U20B的过热关机输出端与控制芯片U12的关机信号输入端第10脚相连；

所述过流保护电路7由驱动器U16、定时器U15、计数器U14A和计数器U14B及其外围电路构成，所述主电路1的IGBT器件U3、U4的三个管脚分别与该驱动器U16的对应输入/输出端口相连，且驱动器U16的第3脚、第10脚通过电阻器R94与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的集电极与+5V电源相连，发射极通过电阻器R93与电源地相连；发射极还分别与所述电源触发控制电路6中的逻辑控制芯片U7的第三脚和计数器U14A的复位端相连；所述定时器U15的计数脉冲输出端与计数器U14A的时钟输入端相连，计数器U14A的第6脚与计数器U14B的使能端相连，并通过电阻器R97与三极管Q3的基极相连，该三极管Q3的集电极与U16的复位端相连；

所述计数器U14B的第13脚信号输出端与系统过热保护电路6中的逻辑控制芯片U7的第4脚相连。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为本实用新型的原理图；

图3为本实用新型的功率因素控制电路和输入欠过压保护电路；

图4为本实用新型的过系统过热保护电路原理图；

图5为本实用新型的过流保护电路原理图。

具体实施方式

如图1-5所示：

主电路1的电源输入单相396V交流电(通过低压柜的库用转换开关接到牵引变压器辅助绕组得到，随网压变化)，经输入滤波器EMI1后送到全波整流桥，经V1～V4整流和功率因数校正(PFC)，大电容C1滤波，和由升压电感L1、功率器件U1、单向二极管U2、电容C2构成的boost电路升压，并经电容滤波后得到较平稳的直流700V；直流电压由U3、U4半桥逆变、主变压器T1变压和V5～V8全桥整流后，再经滤波电感L2、电容C3滤波，在电源的输出端得到稳定的DC110V，输出精度为±1％，输出功率8kW。由电压传感器SV1取样输出电压信号、电流传感器SC1取样输出电流信号、电流传感器SC2取样充电电流信号分别送到主控制板，通过SG2525调节PWM波形的占空比分别实现稳压、限流和充电限流功能。主电路中的功率器件均选用进口元件，主变压器T1采用环形磁芯绕制而成，开关频率约17kHz；升压电感L1、滤波电感L2也采用环形磁芯绕制，为便于安装，电感通过导热的环氧树脂灌注在电感盒中；在电源的输入输出端均装有抑制电磁干扰的滤波器；输入端XT1的两端分别设有软启动电阻R1和快速熔断器FUSE1，输出端正线XT2-P设有防反接二极管U5，有力的保证了在故障情况下主电路迅速切除，不致器件损坏。

所述控制电路主要分功率因数校正电路和电源触发控制电路两部分。功率因数校正电路以UC2854为控制核心，UC2854可以控制AC-DC Boost PWM变换器的输入端功率因数接近于1，限制输入电流的总谐波失真系数THD小于3％；功率因数校正电路的输入输出电压、电流信号通过port1～port5实现，其中：port1采集B1整流桥输出负电压信号，port2采集B1整流桥输出的电流信号，port3为U1管提供驱动电流，port4采集电流检测电阻R2的输出电压信号，port5采集升压电路输出端的反馈电压。电源触发控制电路以SG2525为控制核心，同时用一片可编程逻辑器件GAL22V10B作为故障处理中心，分析输入过欠压、输出过欠压、充电限流、输出限流、IGBT过流和系统过热等故障，做出故障保护；各种故障保护的信号采集通过port6～port11实现，其中：port6采集升压电路输出端的电压信号通过电压比较器MB3761实现输入过欠压保护，port7、port8为IGBT管提供驱动电流，并检测该电流，当电流大于设定值时实现IGBT过流保护，port9为电流传感器SC1信号输出端，通过它采集输出电流的信号，采集后送到主控制板，通过运算放大器、SG2525等实现输出过流保护，port10为电压传感器SV1信号输出端，通过它采集输出电压的信号，采集后送到主控制板，通过运算放大器、SG2525、电压比较器MB3761实现输出稳压功能及输出过欠压保护，port11为电流传感器SC2信号输出端，通过它采集充电电流的信号，采集后送到主控制板，通过运算放大器、SG2525等实现输出充电限流保护。

所述辅助电源电路由模块电源组成，通过+5VDC端口、+15VDC端口、+24VDC端口为主、控电路和散热风机提供DC5V、DC15V、DC24V工作电源。

以UC2854为核心的功率电路及控制电路为本电源提供输出功率8kW的有源功率因数校正(PFC)，它还按正弦的电网电压来牵制非正弦的电流变化，该器件能最佳地利用供电电流使电网电流失真减到最小，执行所有的控制功能。本电路具有两个反馈控制环：输入电流环使DC/DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；输出电压环使DC/DC变换器输出端成为一个直流电压源。

Port2采集整流桥的输出电流信号I_AC到芯片UC2854的6脚，该电流正比于输入全波整流电压，经芯片内部的输入电流检测后加到芯片内部的乘法器输入端；port2采集整流桥的输出电压信号到芯片UC2854的8脚，经芯片内部的输入电压检测后加到芯片内部的乘法器输入端；port5采集输出电压信号到芯片的11脚，该电压与芯片内的7.5V基准电压比较后输出误差信号也加到乘法器输入端。三个管脚的信号在乘法器中相乘，乘法器输出端产生基准电流信号I_MO，I_MO输出到5脚，它和4脚的电流信号一起作为电流误差放大器的输入，这一结果的实现靠UC2854来完成，电流误差放大器的输出与芯片内的一个三角波电压在PWM比较器中比较后产生一个PWM触发脉冲，去驱动IGBT。这样就能快速的调节控制IGBT的导通时间，使它及时跟随电网输入电压的变化，从而让DC/DC变换器的负载对于交流电网呈电阻性，最终使流过升压电感L1中感性电流的峰值包络线总是紧密跟踪正弦的交流输入电压而变化，于是就可以得到一个与输入电压几乎完全同频同相的平滑正弦波电流，实现系统的高功率因数。

本电路考虑到输入输出端的电压高，输出功率大的特点，通过重点考虑元器件的选择和配置实现了8kW大功率输出情况下的功率因数校正。功率电路采用boost变换器，升压电感L1选用高μ优质铁粉芯环型磁芯绕制而成，体积小、电感量大(约900μH)、额定电流大(35A)；升压功率器件选用西门康1700VIGBT；电流取样电阻R2选用0.01Ω的陶瓷电阻，可通过电流大。

系统过热保护主要包括三个部分：过热限流、过热显示和过热关机。设计原理是应用热敏电阻U21采集系统的温度变化信号，将该电压信号一路送给双运算放大器U10B并通过控制芯片UC2525实现过热限流；另两路分别送给双路比较器U20A、U20B，比较器的输出送给逻辑控制芯片GAL22V10从而实现过热显示和过热关机。各控制芯片的供电电压+5V和+15V由辅助电源电路提供。

热敏电阻U21安装在本电源的散热器上热力较集中的部分，用于采集系统温度变化的信号，型号为airpax 5024-01079它是一种负温度系数的热敏电阻，即随温度升高其阻值变小。实测的阻值记录为：常温(25℃)时阻值为10kΩ，77℃时为300Ω，80℃时为183Ω，85℃时为47Ω。该电压信号送到双路运算放大器芯片U10B的6脚，5脚为电压基准端，根据限流设定温度其设定值为3.23V。根据R236、U21、R25、R26构成的15V回路，当系统温度达到设定限流温度时，运算放大器的输出电平翻转，其输出端使控制芯片UC2525的补偿端9脚电位拉低，该脚调节port7、port8端口输出脉冲宽度使输出降压限流，以达到降低系统温度的目的；同时，通过显示电路在电源正面板上显示。降压限流的目的是降低电源输出功率，从而降低系统温度。系统过热的显示原理为：Tref电压信号送到双路比较器U20A的3脚，与设定基准3.23V比较，当系统温度达到设定限流温度时，U20的1脚输出高电平，该高电平送入U7高性能E²CMOS PLD芯片GAL22V10进行逻辑运算处理，并送入U9达林顿晶体管组ULN2003AN的一个输入端，同时，其输出端连接到本电源正面板上的显示电路进行显示。过热限流和过热显示功能将一直维持，直到检测到Tref的电压值低于3.23V即系统温度低于设定限流温度为止。

当散热器的温度继续上升，达到设定的关机温度时，U20B比较电路的7脚输出一个高电平送入UC2525控制芯片的10脚进行脉冲封锁，port7、port8无驱动电流输出；10脚的close信号通过GAL22V10的27脚给出关闭接触器KM1、KM2的信号，从而使本电源关机，保证装置内的元件不致高温损坏。

通过LM555、74HC4520定时封锁脉冲和计算过流故障次数实现本电源在输出过流故障频繁且故障不能自行解除的情况下使电源停止工作，以保护本电源装置中的功率器件。各控制芯片的供电电压+5V和+15V由辅助电源电路提供。

当本电源装置的U3或U4发生过流现象时，其驱动器U16(2SD106AL)的3脚或10脚的电平由常态下的高电平变为故障状态下的低电平，使三极管Q2的射极电平变低。该低电平一路送到GAL22V10芯片的3脚进行逻辑运算，通过从27脚输出一个高电平控制UC2525的10脚封锁脉冲，直到一段时间后驱动器的故障信号复位为止；并通过在电源装置正面板上显示(显示原理与过热显示相同)。另一路送到计数器U14A的第一路复位端7脚。U14A为双路4位同步二进制计数器74HC4520，其计数功能表如附表1所示。U14A的1脚为时钟脉冲输入端，2脚为使能端，本实施例中将2脚接+5V高电平，当7脚电平为低时计数器开始计数，计数到第8个脉冲(Q3Q2Q1Q0＝1000)时，6脚输出高电平，一路接三极管基极使Q3导通，其集电极接驱动器U16的4脚实现驱动器的故障复位，当3脚和10脚的电平变为高电平，此时计数器U14A的7脚变为高电平，计数器清零；另一路接U14B的10脚，并使第二路计数器计数加1。当U14B计数到第4个脉冲(Q3Q2Q1Q0＝0100)时，13脚为高电平，将该管脚接GAL22V10进行逻辑处理，送出关机信号，电源自行切除并停止工作。只有人为复位后，电源才能重新工作，以保护本电源装置中的功率器件不因频繁故障而损坏。U14B的15脚通过1μF的电容C42接+5V，该电容实现电源重新起动后第二路计数器的上电清零，即使(Q3Q2Q1Q0＝0000)。

UC2854管脚配置说明及芯片内部电路

1管脚(GND)作为所有电压测量的参考基准地电平GND。

2管脚(Pklmt)为峰值电流限制脚；port1的电压通过R212输入到2脚；电阻R213由2脚接到9脚Vref上，以补偿负极性电流检测信号，使之升到地电平(GND)。

3脚(CAO)为电流放大输出脚；该脚是宽频带工作放大器的输出端，用来检测电网电流，并控制脉宽调制器PWM来校正电流波形。

4脚(Isense)为电流检测负号端；通过R214接到port4。

5脚(MuO)为乘法器输出端和电流监测器正输入端；模拟乘法器的输出端和电流放大器的非反相输入端连接在一起作为Mult out脚；其输出为电流信号，所以可由R211、R212、C205构成差分放大器以抑制地线噪声。

6脚(I_AC)为交流电流输入端，由port1采集电流信号；该脚的电流输入到5脚，用于检测电网电压；6脚通过R208接到整流桥的正端，通过R210接到9脚Vref上，两电阻的阻值分别为1.5M、440K，其比值近似为4∶1，这样使6脚的6V失调电压消去，电网电流将具有最小的交越失真。

7脚(VAO)为电压放大器输出；输出电压在芯片内限制在5.8V左右，外接R216、C208组成的负载到11脚(Vf)电压放大器反相输入端，并通过port5分压器网络到地。

8脚(Vrms)为电网电压有效值；为了保证Vrms输入能补偿电网电压的变化，必须使IC的电压与电网电压有效值成正比，并使Vrms的输入电压控制在1.5～3.5V间，故R206、R207阻值取1.5M，R209取值18k，同时为了电压的稳定性，应用C201、C202和C203三个对地电容，容值分别为0.82μF、0.82μF、0.47μF。

9脚(Vref)为精准的7.5V电压基准输出；为了有良好的稳定性，通过0.1μF的C204对地旁路。

10脚(ENA)为使能控制端，通过R218拉高其电位。

11脚(Vsense)为电压放大器的反相输入端；该脚用于接到反馈网络，通过R228接到port5。

12脚(Rset)是振荡器充电电流和乘法器限制设置端；该脚与地电平间通过R229来调节振荡器的充电电流，并使5脚的输出最大。

13脚(SS)为软启动端；通过一个1μF的大电容C210接到地(GND)，使电压调节放大器的基准电压缓慢升高，并缓慢地减少PWM的占空比，同时保证万一发出禁止指令或电源跌落，13脚将快速放电到地并使PWM无效。

14脚(CT)接振荡定时电容器；该脚与地之间的C211用于设置振荡器的频率，计算公式为：取振荡频率15kHz，对应的R_set取18k，C_T取4700pF。

15脚(Vcc)接正极性电源电压DC15V；为了吸收对外部MOSFET栅极电容充电时产生的电源电流尖峰，Vcc通过一个0.1μF的旁路电容C212接地(GND)。

16脚(GT Drv)为栅极驱动脚；PWM的输出是一个图腾柱式MOSFET栅极驱动器信号，该输出被UC2854内部箝位在15V；为了防止栅极阻抗和GT Drv栅极驱动器输出之间的相互影响引起的GT Drv输出过冲，采用了5Ω的栅极串联电阻R232，由port3端口驱动升压功率器件U1。

Claims

1、一种新型控制电源，它包括主电路(1)、控制电路(2)和辅助电源电路(3)，其特征在于：

所述主电路(1)包括：

所述辅助电源电路(3)由模块电源组成，通过输入滤波器EMI2与110伏蓄电池相连，该辅助电源电路(3)为所述控制电路(2)提供+5伏、+15伏和+24伏直流供电电源；

所述控制电路(2)包括功率因素控制电路(4)，欠过压保护电路(5)、系统过热保护电路(6)和过流保护电路(7)；其中

所述功率因素控制电路(4)包括型号为控制器U30及其外围电阻器、电容器，所述整流桥B1的正输出端通过电阻器R208与其交流电流输入端第6脚相连，整流桥B1的负输出端通过电阻器R211与控制器U30的乘法器输出端第5脚相连，还通过电阻器R212与控制器U30的峰值电流限制端第2脚相连；所述主电路(1)的第一输出电压信号端口PORT4通过电阻器R214与其电流放大输出端第3脚相连；所述主电路(1)的第一电压取样支路的W1的动端与该控制器U30的7.5伏电压基准输出端第9脚相连；该控制器U30的栅极驱动端第16脚通过由三极管M1、M2构成的驱动放大电路、电阻器R232与所述主电路1的IGBT器件U1的栅极相连；

所述欠过压保护电路(5)由比较器U31及其外围电路构成，所述主电路(1)的第二电压取样支路的W2的动端与电源地之间连接有由电阻器R224、R221构成的第一串联分压电路和由电阻器R225、R223构成的第二串联分压电路，且二个串联分压电路的中间点电压信号送入比较器U31的两个输入端，比较器U31的欠压或过压输出端分别通过电阻器与三极管Q₁₁的基极相连，该三极管Q₁₁的集电极与所述功率因素控制电路(4)中控制器U30的使能控制端第10脚相连，在欠压或过压时关断控制器U30的第16脚输出；

所述系统过热保护电路(6)包括一个安装在散热器上的温度传感器U21、控制芯片U12、三个运算放大器U10B、U20A、U20B、逻辑控制芯片U7和达林顿管U9及其它们的外围电路构成，其中：

所述控制芯片U12的第11脚和第12脚分别与所述主电路(1)的IGBT器件U3、U4的控制极相连；

所述过流保护电路(7)由驱动器U16、定时器U15、计数器U14A和计数器U14B及其外围电路构成，所述主电路(1)的IGBT器件U3、U4的三个管脚分别与该驱动器U16的对应输入/输出端口相连，且驱动器U16的第3脚、第10脚通过电阻器R94与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的集电极与+5V电源相连，发射极通过电阻器R93与电源地相连；发射极还分别与所述电源触发控制电路6中的逻辑控制芯片U7的第三脚和计数器U14A的复位端相连；所述定时器U15的计数脉冲输出端与计数器U14A的时钟输入端相连，计数器U14A的第6脚与计数器U14B的使能端相连，并通过电阻器R97与三极管Q3的基极相连，该三极管Q3的集电极与U16的复位端相连；

所述计数器U14B的第13脚信号输出端与系统过热保护电路(6)中的逻辑控制芯片U7的第4脚相连。