CN103856071A - 高压变频器的功率单元控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压变频器的功率单元控制电路，主要包括电源电路、光纤接口电路、控制逻辑电路、功率开关驱动电路和直流电压检测电路；其中，光纤接口电路通过光纤与高压变频器主控制器连接，并连接控制逻辑电路；功率开关驱动电路分别连接控制逻辑电路和功率单元中的功率开关；直流电压检测电路输入侧连接功率单元的直流母线两端，输出侧连接控制逻辑电路；直流电压检测电路，将直流母线电压信号转变为数字信号并送给控制逻辑电路进行编码，再由光纤接口电路通过光纤发送给高压变频器主控制器。采用本发明的功率单元控制电路，能够完善功率单元的监控功能，有助于提高高压变频器的运行稳定性。

Description

高压变频器的功率单元控制电路

技术领域

本发明涉及电力电子与控制技术，尤其涉及一种高压变频器的功率单元控制电路。

背景技术

在高压变频器领域，自Peter W. Hammond在1995年提出单元串联高压变频器以来，这种利用低压电力变换技术实现高压电力变换的方法由于其输出电压波型好、输入谐波电流低、成本低、维护方便，已经成为高压变频器的主流技术，国内外许多厂家都已经推出了基于这项技术的产品。由于在节能降耗、改善生产工艺性、提高设备工作寿命等方面效果显著，应用日益普遍。

图1为现有功率单元串联高压变频器的主电路示意图，图中示出了一种这类高压变频器的典型方案。图1所示的高压变频器，每相由3个功率单元串联而成，高压变频器包括变压器1、九个相同的功率单元（如2AU）和主控制器3。变压器1包括1个原边绕组11和9个相位不同的三相副边绕组（如12AU），原边绕组11与高压三相电网5连接；9个功率单元（如2AU）按照输出分成U、V、W三相，每相的三个功率单元（如2AU、2BU、2CU）的输出依次串联分别作为三相（如U相），三相的一端au+、av+、aw+连接在一起作为三相输出的中性点O，另外一端cu-、cv-、cw-分别作为高压变频器的U、V、W输出，用于驱动高压电机4。主控制器3通过光纤分别与各功率单元（如2AU）连接，向各功率单元（如2AU）提供控制信号，并接收各功率单元（如2AU）的运行信息。

图1中的每个功率单元（如2AU）包括熔断器21、整流电路22、直流滤波电路23、逆变电路24、单元旁路电路25和单元控制电路26，如图2所示。在现有的高压变频器功率单元中，单元控制电路通常只包括光纤接口电路、控制逻辑电路、熔断器检测电路、过温检测电路和功率开关管（如绝缘栅型双极三极管，简称IGBT）驱动电路；其中，过温检测电路通常采用温度开关，当功率单元过热时，向单元控制电路发送开关信号，以实现功率单元过温保护。

高压变频器多用于工业大型电机调速，对运行稳定性要求很高。在上述功率单元串联的架构下，每台高压变频器中都包括很多的功率单元，功率单元的可靠性就成为制约高压变频器运行稳定性的关键因素。

为了提高功率单元的可靠性，需要加强对功率单元运行状况的监控，将功率单元的直流母线电压、散热器温度等信息反馈给高压变频器的主控制器3，参与高压变频器的控制，并在高压变频器运行过程中随时查询。但至今为止，所有高压变频器还都不具备这些功能；有的厂家即便注意到这些功能，也未见实施。究其原因，高压变频器的功率单元之间存在很高的电压差，通常功率单元与主控制器只是通过一对光纤连接，传送手段有限。如何把功率单元的直流母线电压、散热器温度等信号等通过光纤传送到主控制器，确实还存在诸多困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高压变频器功率单元的控制电路，可以实现功率单元的直流母线电压、散热器温度等信号的光纤传送，能够增强高压变频器功率单元的监控性能，加强高压变频器的运行监控能力，进而提高高压变频器的运行稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高压变频器的功率单元控制电路，包括电源电路；还包括光纤接口电路、控制逻辑电路、功率开关驱动电路和直流电压检测电路；其中：

所述光纤接口电路通过光纤与高压变频器的主控制器连接；所述光纤接口电路还连接控制逻辑电路，将来自所述主控制器的光信号转换成电信号发送给所述控制逻辑电路，并将来自所述控制逻辑电路的电信号转变成光信号发送给所述主控制器；

所述功率开关驱动电路分别连接所述控制逻辑电路和功率单元中的功率开关，将来自所述控制逻辑电路的控制信号放大以驱动所述功率开关；并将功率开关的运行信息发送给所述控制逻辑电路；

所述直流电压检测电路的输入为模拟信号，输入侧连接功率单元的直流母线两端；输出数字信号，输出侧连接控制逻辑电路；所述直流电压检测电路将直流滤波电路的端电压信号转变为数字信号并送给所述控制逻辑电路进行编码，再由所述光纤接口电路通过光纤发送给高压变频器主控制器。

其中：该单元控制电路还包括温度检测电路，所述温度检测电路具体包括温度传感器和测温电路；所述温度传感器为负温度系数热敏电阻连接测温电路；所述测温电路的输出作为温度检测电路的输出端连接所述控制逻辑电路，由所述控制逻辑电路读取测温电路的输出信号并进行编码，再由所述光纤接口电路通过光纤发送给高压变频器控制器。

所述温度检测电路的输出为数字信号，其信号频率随着功率单元温度的升高而增大。

所述直流电压检测电路具体包括放大电路和模/数转换电路；所述放大电路的输入端即为直流电压检测电路的输入端，其输出端作为模/数转换电路的输入端；模/数转换电路的输出端作为所述直流电压检测电路的输出端。

所述放大电路为隔离放大电路，其输入端、输出端之间电气隔离。

所述模/数转换电路的转换周期与光纤接口电路向主控制器的数据发送周期同步。

所述模/数转换电路的输出为脉冲宽度调制PWM信号，其频率与光纤接口电路的光纤发送频率相同，脉冲宽度与输入电压成正比，由所述控制逻辑电路直接读取并进行编码。

所述电源电路的输出端分别与所述光纤接口电路、控制逻辑电路、功率开关驱动电路及直流电压检测电路连接；所述电源电路的输入为直流电压，连接功率单元的直流母线；或，

所述电源电路的输入为交流电压，连接功率单元的输入端。

本发明提供的高压变频器的功率单元控制电路，具有如下优点：

采用该功率单元控制电路，能够实现功率单元的直流母线电压、散热器温度等信号检测，并可以将检测的结果通过光纤传送给高压变频器的主控制器，从而使主控制器能够实时了解各功率单元的直流母线电压和散热器（或功率开关）温度，不但可以对功率单元的运行状况进行监视，对功率单元故障及早预防，而且还能够利用这些信息对高压变频器的控制参数进行调整，提高了高压变频器的性能。因此利用本发明提供的功率单元控制电路，能够有效改善高压变频器的运行稳定性。

附图说明

图1为现有功率单元串联高压变频器的主电路示意图；

图2为本发明高压变频器功率单元控制电路的原理示意图；

图3A为本发明功率单元控制电路中温度检测电路的原理示意图；

图3B为本发明功率单元控制电路中温度检测电路的输入-输出关系；

图4A为本发明功率单元控制电路中直流电压检测电路的原理电路图；

图4B为图4A中一种模/数转换电路的电路示意图；

图4C为图4B中模/数转换电路的输入-输出关系；

图5A为本发明功率单元控制电路包括电源的原理示意图；

图5B为本发明功率单元控制电路的另一种原理示意图。

【主要部件符号说明】

1：变压器

11：原边绕组

12AU、12AV、12AW、12BU、12BV、12BW 、12CU、12CV、12CW：副边绕组

2、2AU、2AV、2AW；2BU、2BV、2BW；2CU、2CV、2CW：功率单元

21：熔断器

22：整流电路

23：直流滤波电路   

24：逆变电路   

241～244：功率开关

           25：单元旁路电路 

26：功率单元控制电路

      261：光纤接口电路

      262：控制逻辑电路

      263：功率开关驱动电路

      264：直流电压检测电路

           2641：放大电路

           2642：模/数转换电路

                 26421：比较器

                 26422：恒流源

                 26423：电子开关

                 26424：电容器

      265：温度检测电路

           2651：温度传感器

           2652：测温电路

      266：熔断器检测电路

      267：旁路控制电路

      268：电源电路

3：主控制器

4：高压电机

5：三相高压电网。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明高压变频器的功率单元控制电路作进一步详细的说明。

图2为本发明高压变频器的功率单元控制电路的原理示意图。图2所示的高压变频器的功率单元控制电路中，熔断器21，整流电路22，直流滤波电路23，逆变电路24及单元旁路电路25，构成了功率单元的主电路，而功率单元控制电路26即为本发明所要进一步说明的电路。

在图2中，所述功率单元控制电路26，主要包括光纤接口电路261、逻辑控制电路262、功率开关驱动电路263和直流电压检测电路264；其中：

光纤接口电路261对外通过光纤与高压变频器的主控制器3连接；光纤接口电路261在功率单元控制电路内部与控制逻辑电路262连接。光纤接口电路261由光纤接收电路与光纤发送电路所组成；光纤接收电路将主控制器3通过光纤发送来的控制光信号转变成电信号，再发送给逻辑控制电路262；光纤发送电路将来自控制逻辑电路262的电信号转变成光信号，再通过光纤发送给主控制器3。

功率开关驱动电路263，分别连接控制逻辑电路262和功率单元逆变电路24中的功率开关241~244，将来自控制逻辑电路262的功率开关控制信号放大成满足功率开关241~244所需要的电压和电流，以驱动功率开关241~244。功率开关驱动电路263还将功率开关的运行信息（如故障等）反馈给控制逻辑电路262进行编码，并经由光纤接口电路261发送给主控制器3。

直流电压检测电路264，其输入为模拟电压信号，输入侧连接功率单元的直流母线两端p、n；其输出为数字信号，输出侧连接控制逻辑电路262。直流电压检测电路264将功率单元的直流母线电压转变为数字信号发送给控制逻辑电路262进行编码，再由光纤接口电路261通过光纤发送给高压变频器的主控制器3。

在图2的功率单元控制电路26中，还包括温度检测电路265。图3A给出了一种温度检测电路265的原理图，其中包括温度传感器2651和测温电路2652。其中的温度传感器为负温度系数（NTC）热敏电阻，已经广泛地应用于温度检测，但在高压变频器功率单元中还未见应用；与高压变频器功率单元中已经获得应用的温度开关、正温度系数（PTC）热敏电阻相比，NTC热敏电阻测温精度高，型号众多，价格低廉；由于温度检测电路265中采用NTC热敏电阻2651，使得本发明的功率单元控制电路26中的温度检测精度得以提高。温度传感器2651可以安装在功率单元的散热器上，用来感知散热器温度；另外，部分功率开关（如IGBT）模块中已经内置了NTC热敏电阻，温度检测电路26也可以直接利用功率开关模块内部的NTC热敏电阻进行测温。

在图3A中，温度传感器2651连接测温电路2652；测温电路2652的输出f即为温度检测电路2652的输出，连接控制逻辑电路262；温度检测电路265的输出f为数字信号，其频率随NTC热敏电阻阻值而变化，数字信号f可由控制逻辑信号262直接读取并进行编码，然后由光纤接口信号261通过光纤发送给主控制器3。

图3B给出了图3A所示的温度检测电路265中的NTC热敏电阻的阻值和输出信号f的频率随温度的变化曲线。可以看出，随着温度的升高，虽然NTC热敏电阻阻值的下降趋于平缓，但输出信号f的频率上升却趋于灵敏，这与功率单元的测温需要是吻合的。

图4A描述了图2所示功率单元控制电路的直流电压检测电路264的原理示意图，其中，直流电压检测电路264包括放大电路2641和模/数转换电路2642。放大电路2641的输入端即为所在的直流电压检测电路264的输入端，连接功率单元的直流滤波电路的两端p、n；放大电路2641的输出信号v作为模/数转换电路2642的输入端信号；而模/数转换电路2642的输出端则作为所在的直流电压检测电路264的输出端，连接控制逻辑电路262，由控制逻辑电路262直接读取数字化后的直流母线电压信号，进行编码后再由光纤接口电路261通过光纤发送给主控制器3。

在图4A中，直流电压检测电路中的放大电路2641可以是隔离放大电路，其中连接直流母线p、n的一侧与连接模/数转换电路2642的一侧之间电气隔离。

在图4A中还可以看出，直流电压检测电路264与控制逻辑电路262之间的联络信号是双向的，d为直流电压检测电路264的输出数字信号，s为控制逻辑电路262提供的模/数转换同步信号。在控制逻辑电路262的控制下，可以使直流电压检测电路264中的模/数转换电路2642的转换过程与光纤接口电路261向主控制器3的数据发送周期完全同步，从而保证直流母线电压采样时间的等间隔，便于主控制器3进行处理。

图4B给出了图4A中的模/数转换电路2642的一个具体实施例。在图4B中，v为放大电路2641的输出电压，模/数转换电路2642的输出信号d为PWM信号，其频率与来自控制逻辑电路262的同步信号s相同，脉冲宽度与输入电压v成正比；由于d为数字信号，可以由控制逻辑电路262直接读取并进行编码，并由光纤接口电路261通过光纤发送给主控制器3。

为清晰起见，图4C提供了图4B所示模/数转换电路2642的输入、输出信号的波形对应关系，可以体现出模/数转换电路2642的上述特征。

在图2所示的功率单元控制电路26中，其功率开关驱动电路263与控制逻辑电路262、以及功率单元中的功率开关241~244（IGBT）之间的信号都是双向的，可以接收来自控制逻辑电路262的PWM控制信号，进行电压、电流放大后驱动功率开关241～244，还可以将功率开关241～244的运行信息（如故障信号等）发送给控制逻辑电路262，并进而发送给主控制器3。

对于图2所示的功率单元控制电路26中的功率开关驱动电路263而言，为了提高电路抗干扰性能，保证设备安全，功率开关驱动电路263连接控制逻辑电路262的一侧与连接功率开关241～244的一侧之间可以电气隔离。电气隔离可以通过光电耦合器、变压器等器件实现。

在图2所示的功率单元控制电路26中，还可以包括熔断器检测电路266，能够对功率单元的熔断器21的通断进行检测。所述熔断器检测电路266的输入侧连接功率单元中整流电路22的交流侧；熔断器检测电路266的输出侧连接控制逻辑电路262，以将检测到的熔断器21通断信息发送给控制逻辑电路262。

在图2所示的功率单元控制电路26中，熔断器检测电路266的输入侧与输出侧之间也可以是电气隔离的。

在图2所示的功率单元控制电路26中，还可以包括单元旁路控制电路267；单元旁路控制电路267分别连接控制逻辑电路262和功率单元的单元旁路电路25，以实现主控制器3对功率单元的单元旁路电路25的控制。

图2所示的功率单元控制电路26中，还包括电源268，如图5A所示。电源268的输出分别与所在的单元控制电路26中的光纤接口电路261、控制逻辑电路262、功率开关电路263、直流电压检测电路264等功能电路相连接，为单元控制电路26中的其它功能电路提供电力。在图5A中，单元控制电路26中的电源268的输入为直流电压，连接到功率单元的直流滤波电路23的两端。图5B提供了图5A的一种变化形式。在图5B中，单元控制电路26中的电源268的输入为交流电压，连接到功率单元的输入端。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高压变频器的功率单元控制电路，包括电源电路；其特征在于，还包括光纤接口电路、控制逻辑电路、功率开关驱动电路和直流电压检测电路；其中：

所述光纤接口电路通过光纤与高压变频器的主控制器连接；所述光纤接口电路还连接控制逻辑电路，将来自所述主控制器的光信号转换成电信号发送给所述控制逻辑电路，并将来自所述控制逻辑电路的电信号转变成光信号发送给所述主控制器；

所述功率开关驱动电路分别连接所述控制逻辑电路和功率单元中的功率开关，将来自所述控制逻辑电路的控制信号放大以驱动所述功率开关；并将功率开关的运行信息发送给所述控制逻辑电路；

所述直流电压检测电路的输入为模拟信号，输入侧连接功率单元的直流母线两端；输出数字信号，输出侧连接控制逻辑电路；所述直流电压检测电路将直流滤波电路的端电压信号转变为数字信号并送给所述控制逻辑电路进行编码，再由所述光纤接口电路通过光纤发送给高压变频器主控制器。

2.根据权利要求1所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，该单元控制电路还包括温度检测电路，所述温度检测电路具体包括温度传感器和测温电路；所述温度传感器为负温度热敏电阻，连接测温电路；所述测温电路的输出作为温度检测电路的输出端连接所述控制逻辑电路，由所述控制逻辑电路读取测温电路的输出信号并进行编码，再由所述光纤接口电路通过光纤发送给高压变频器主控制器。

3.根据权利要求2所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，所述温度检测电路的输出为数字信号，并且该数字信号频率随着功率单元温度的升高而增大。

4.根据权利要求1所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，所述直流电压检测电路具体包括放大电路和模/数转换电路；所述放大电路的输入端即为直流电压检测电路的输入端，其输出端作为模/数转换电路的输入端；模/数转换电路的输出端作为所述直流电压检测电路的输出端。

5.根据权利要求4所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，所述放大电路为隔离放大电路，其输入端、输出端之间电气隔离。

6.根据权利要求4所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，所述模/数转换电路的转换周期与光纤接口电路向主控制器的数据发送周期同步。

7.根据权利要求6所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，所述模/数转换电路的输出为脉冲宽度调制PWM信号，其频率与光纤接口电路的光纤发送频率相同，脉冲宽度与输入电压成正比，由所述控制逻辑电路直接读取并进行编码。

8.根据权利要求1所述高压变频器的功率单元控制电路，其特征在于，所述电源电路的输出端分别与所述光纤接口电路、控制逻辑电路、功率开关驱动电路及直流电压检测电路连接；所述电源电路的输入为直流电压，连接功率单元的直流母线；或，

所述电源电路的输入为交流电压，连接功率单元的输入端。

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