CN110829802A - 三电平半桥驱动电路及变流器 - Google Patents

三电平半桥驱动电路及变流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三电平半桥驱动电路及变流器，包括***控制单元与半桥模块，半桥模块包括信号处理单元、隔离放大单元及开关单元；***控制单元用于生成半桥模块所需的两路脉冲宽度调制信号；处理单元用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号；隔离放大单元用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制开关单元进行导通；当信号处理单元检测到半桥模块的故障信号时，则根据故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，隔离放大单元还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元进行关断。本发明提供的三电平半桥驱动电路及变流器，能够快速响应半桥模块的故障并进行故障封锁，可靠性高。

Description

三电平半桥驱动电路及变流器
技术领域
本发明涉及一种能源供电技术领域，尤其涉及一种三电平半桥驱动电路及变流器。
背景技术
三电平电路拓扑从两电平拓扑发展而来，中性点箝位型(Neutral PointClamped，简称NPC)的每一相由串联的四个功率开关器件和两个功率二极管构成，每一相输出包括0电平在内三种电平。三电平拓扑相比于两电平拓扑，功率开关器件承受电压仅为两电平的一半，同时具有谐波小、损耗低、效率高等优势，已在工业和轨道交通电力电子变流技术领域得到应用和发展。但是由于需要控制的功率开关器件变多及特定的开关时序要求使得控制信号传输、检测和处理较两电平拓扑更加复杂。
现有技术中每相半桥单元接收来自***控制单元的四路脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)信号，由于其布线复杂，导致四路脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)信号易受干扰。且在多相变流器中单相半桥单元发生故障后，其他半桥单元的封锁需要由***控制单元完成，导致故障保护封锁延迟时间较长，容易引起其他半桥单元发生故障，存在多相半桥单元并联和多级联半桥单元的电路拓扑应用时，其灵活性和通用性差。
针对上述问题，本领域技术人员一直在寻求解决办法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种三电平半桥驱动电路及变流器，能够快速响应半桥模块的故障并进行故障封锁，且结构简单，可靠性高。
本发明提供一种三电平半桥驱动电路，所述三电平半桥驱动电路包括***控制单元与半桥模块，所述半桥模块包括信号处理单元、隔离放大单元及开关单元；所述***控制单元与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元还与所述隔离放大单元连接，所述隔离放大单元还与所述开关单元连接，其中，所述***控制单元用于生成所述半桥模块所需的两路脉冲宽度调制信号；所述处理单元用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号；所述隔离放大单元用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制所述开关单元进行导通；当所述信号处理单元检测到半桥模块的故障信号时，则根据所述故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，所述隔离放大单元还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元进行关断。
具体地，所述隔离放大单元包括四个隔离放大电路，所述开关单元包括四个开关器件，每个隔离放大电路的输入端均与所述信号处理单元连接，每个隔离放大电路的输出端与一个开关器件的控制端连接。
具体地，四个开关器件为第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件及第四开关器件，所述开关单元还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管及第六二极管；所述第一开关器件的第一端分别与所述第一二极管的阴极及直流正极端连接，所述第一开关器件的第二端分别与所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极、所述第二开关器件的第一端及所述第五二极管的阴极连接，所述第二开关器件的第二端分别与所述第二二极管的阳极、所述第三二极管的阴极、所述第三开关器件的第一端及交流端连接，所述第三开关器件的第二端分别与所述第三二极管的阳极、所述第四二极管的阴极、所述第四开关器件的第一端及所述第六二极管的阳极连接，所述第四开关器件的第二端分别与所述第四二极管的阳极及直流负极端连接，所述第五二极管的阳极与所述第六二极管的阴极连接。
本发明还提供一种变流器，所述变流器包括如上述的三电平半桥驱动电路。
具体地，所述变流器为三相变流器，所述变流器包括一个所述***控制单元与三个所述半桥模块，三个所述半桥模块均与所述***控制单元连接，且三个所述半桥模块进行级联。
具体地，所述***控制单元用于生成三个半桥模块所需的六路脉冲宽度调制信号和三路脉冲宽度调制使能信号，每个半桥模块均接收所述***控制单元输出的六路脉冲宽度调制信号中的两路和三路脉冲宽度调制使能信号中的一路。
具体地，每个信号处理单元根据接收到的两路脉冲宽度调制信号中的第一路脉冲宽度调制信号控制与该信号处理单元所在的半桥模块中的第一开关器件与第三开关器件的状态，每个信号处理单元根据接收到两路脉冲宽度调制信号中的第二路脉冲宽度调制信号控制与该信号处理单元所在的半桥模块中的第二开关器件与第四开关器件的状态。
具体地，当每个信号处理单元接收到宽度调制使能信号从高电平跳变到低电平或两路脉冲宽度调制信号为故障状态时，则对输出的四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态跳到延迟状态，并经过预设延迟时间后进入封锁状态。
具体地，三个所述半桥模块为第一半桥模块、第二半桥模块及第三半桥模块，所述第一半桥模块中的信号处理单元的故障信号输出端与所述第二半桥模块中的信号处理单元的故障信号输入端连接，所述第二半桥模块中的信号处理单元的故障信号输出端与所述第三半桥模块中的信号处理单元的故障信号输入端连接，所述第三半桥模块中的信号处理单元的故障信号输出端与所述第一半桥模块中的信号处理单元的故障信号输入端连接，以形成故障信号环路。
具体地，所述第一半桥模块中的信号处理单元输出第一总故障信号至所述第二半桥模块中的信号处理单元，所述第二半桥模块中的信号处理单元输出第二总故障信号至所述第三半桥模块中的信号处理单元，所述第三半桥模块中的信号处理单元输出第三总故障信号至所述第一半桥模块中的信号处理单元，预先设定故障环信号为高电平时为正常状态，所述故障环信号为低电平时为故障状态。
具体地，每个信号处理单元根据接收到总故障信号生成故障输出信号，以根据所述故障输出信号对另外两个信号处理单元进行故障判断；且每个信号处理单元将接收到总故障信号与其自身的故障信号进行与逻辑处理，以向与其连接信号处理单元输出对应的总故障信号。
具体地，任意一个半桥模块内出现故障后会使整个故障信号环路发生状态改变，每个信号处理单元在接收到故障信号环路变化后启动故障封锁，并根据所述故障信号环路中的故障环信号与其当前的四路半桥脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号。
具体地，在故障发生后，每个信号处理单元输出的四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态跳到延迟状态，并经过预设延迟时间后进入封锁状态。
具体地，每个信号处理单元将其自身的故障状态实时发送至所述***控制单元，所述***控制单元根据各个信号处理单元发送的故障状态启动***保护及故障记录。
由此可见，本发明实施例提供的三电平半桥驱动电路及变流器，通过处理单元用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号，隔离放大单元用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制开关单元进行导通，并在信号处理单元检测到半桥模块的故障信号时，则根据故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，隔离放大单元还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元进行关断，从而快速响应半桥模块的故障并进行故障封锁，且结构简单，可靠性高。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的三电平半桥驱动电路的结构框图；
图2为图1中的三电平半桥驱动电路的电路拓扑结构示意图；
图3与图4为本发明第二实施例提供的变流器的结构框图；
图5为图4中的变流器的电路拓扑结构示意图；
图6为图5中的各个半桥模块之间构成的故障信号环路的逻辑框图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预期目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为本发明第一实施例提供的三电平半桥驱动电路10的结构框图。本实施提供的三电平半桥驱动电路10用于变流器的拓扑应用，如图1所示，本实施例提供的三电平半桥驱动电路10包括***控制单元20与半桥模块30。具体地，***控制单元20与半桥模块30电连接。
具体地，在一实施例中，半桥模块30包括信号处理单元32、隔离放大单元34及开关单元36。具体地，***控制单元20与信号处理单元32连接，信号处理单元32还与隔离放大单元34连接，隔离放大单元34还与开关单元36连接。
具体地，在一实施方式中，***控制单元20可以但不限于与一个半桥模块30电连接，例如在其他实施方式中，***控制单元20还可以同时与多个半桥模块30进行电连接，例如***控制单元20可以同时与三个半桥模块30电连接。具体地，在***控制单元20与一个半桥模块30电连接时，***控制单元20用于生成半桥模块30所需的两路脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号。信号处理单元32用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号。隔离放大单元34用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制开关单元36进行导通，以使三电平半桥驱动电路10输出直流正电压、直流负电压及交流电压。
具体地，在一实施方式中，当信号处理单元32检测到半桥模块30的故障信号时，则根据故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，隔离放大单元34还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元36进行关断，以使得三电平半桥驱动电路10关断输出的直流正电压、直流负电压及交流电压。
请一并参考图2，图2为图1中的三电平半桥驱动电路10的电路拓扑结构示意图。如图1与图2所示，具体地，在一实施例中，隔离放大单元34包括四个隔离放大电路(图未标示)，开关单元36包括四个开关器件S1,S2,S3,S4。具体地，每个隔离放大电路的输入端均与信号处理单元32连接，每个隔离放大电路的输出端与一个开关器件的控制端连接。
具体地，在一实施例中，***控制单元20至少包括第一输出端、第二输出端、使能端及故障输入端。信号处理单元32包括第一输入端、第二输入端、使能输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端及故障输出端。具体地，信号处理单元32的第一输出端与***控制单元20的第一输入端连接，以接收第一路脉冲宽度调制信号PWM-11。信号处理单元32的第二输出端与***控制单元20的第二输入端连接，以接收第二路脉冲宽度调制信号PWM-12。信号处理单元32的使能输入端与***控制单元20的使能端连接，以接收使能信号。***控制单元20的故障输入端与信号处理单元32的故障输出端连接，以接收信号处理单元32的第一故障状态Fault-11。具体地，***控制单元20可以但不限于为数字信号处理芯片。信号处理单元32可以但不限于为可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)。
具体地，在一实施方式中，四个隔离放大电路为第一隔离放大电路、第二隔离放大电路、第三隔离放大电路及第四隔离放大电路。四个开关器件为第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4。具体地，第一隔离放大电路的输入端与信号处理单元32的第一输出端连接，以接收第一路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13或第一路半桥脉冲宽度调制关断信号。第二隔离放大电路的输入端与信号处理单元32的第二输出端连接，以接收第二路半桥脉冲宽度调制信号PWM-14或第二路半桥脉冲宽度调制关断信号。第三隔离放大电路的输入端与信号处理单元32的第三输出端连接，以接收第三路半桥脉冲宽度调制信号PWM-15或第三路半桥脉冲宽度调制关断信号。第四隔离放大电路的输入端与信号处理单元32的第四输出端连接，以接收第四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-16或第四路半桥脉冲宽度调制关断信号。
具体地，在一实施方式中，第一隔离放大电路的输出端与第一开关器件S1的控制端连接。第二隔离放大电路的输出端与第二开关器件S2的控制端连接。第三隔离放大电路的输出端与第三开关器件S3的控制端连接。第四隔离放大电路的输出端与第四开关器件S4的控制端连接。具体地，四个开关器件可以但不限于为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)、集成栅极换流晶闸管(Intergrated Gate CommutatedThyristors，IGCT)或金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET)。
具体地，在一实施例中，开关单元36还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5及第六二极管。具体地，在一实施方式中，第一开关器件S1的第一端分别与第一二极管D1的阴极及直流正极端连接。第一开关器件S1的第二端分别与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第二开关器件S2的第一端及第五二极管D5的阴极连接。第二开关器件S2的第二端分别与第二二极管D2的阳极、第三二极管D3的阴极、第三开关器件S3的第一端及交流端连接。第三开关器件S3的第二端分别与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极、第四开关器件S4的第一端及第六二极管D6的阳极连接。第四开关器件S4的第二端分别与第四二极管D4的阳极及直流负极端连接。第五二极管D5的阳极与第六二极管D6的阴极连接。具体地，三电平半桥驱动电路10的直流正极端P用于对外输出直流正电压，交流端AC用于对外输出交流电压，以及直流负极端N用于对外输出直流负电压。
具体地，本实施例提供的三电平半桥驱动电路，通过处理单元用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号，隔离放大单元用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制开关单元进行导通，并在信号处理单元检测到半桥模块的故障信号时，则根据故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，隔离放大单元还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元进行关断，从而快速响应半桥模块的故障并进行故障封锁，且结构简单，可靠性高。
图3为本发明第二实施例提供的变流器100的结构框图。如图3所示，本实施例提供的变流器100至少包括一个三电平半桥驱动电路110。具体地，三电平半桥驱动电路110的具体结构的描述请参考图1至图2对应的实施例中的三电平半桥驱动电路10的描述，在此不再赘述。
进一步地，在一实施方式中，变流器100可以但不限于包括多个三电平半桥驱动电路110，以构成多相变流器。请参考图4，图4为本发明第二实施例提供的变流器100的结构框图。如图4所示，具体地，在本实施例中，以变流器100包括一个***控制单元120与三个半桥模块130,140,150，以构成三相变流器。具体地，三个半桥模块130,140,150均与***控制单元120连接，且三个半桥模块130,140,150进行级联。具体地，在一实施方式中，三个半桥模块130,140,150为第一半桥模块130、第二半桥模块140及第三半桥模块150。具体地，第一半桥模块130的故障信号输出端与第二半桥模块140的故障信号输入端连接，第二半桥模块140的故障信号输出端与第三半桥模块150的故障信号输入端连接，第三半桥模块150的故障信号输出端与第一半桥模块130的故障信号输入端连接，以构成故障信号环路，从而实现三个半桥模块130,140,150进行级联。
请一并参考图5，图5为图4中的变流器100的电路拓扑结构示意图。如图4与图5所示，具体地，在本实施例中，***控制单元120用于生成三个半桥模块130,140,150所需的六路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12，PWM-21，PWM-22，PWM-31，PWM-32和三路脉冲宽度调制使能信号。每个半桥模块30均接收***控制单元120输出的六路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12，PWM-21，PWM-22，PWM-31，PWM-32中的两路和三路脉冲宽度调制使能信号PWN-EN1,PWM-EN2,PWM-EN3中的一路。
具体地，在一实施方式中，***控制单元120调制生成三个半桥模块130,140,150所需的六路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12，PWM-21，PWM-22，PWM-31，PWM-32，其中，第一半桥模块130接收***控制单元120输出的六路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12，PWM-21，PWM-22，PWM-31，PWM-32中的第一路脉冲宽度调制信号PWM-11与第二路脉冲宽度调制信号PWM-12。第二半桥模块140接收***控制单元120输出的六路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12，PWM-21，PWM-22，PWM-31，PWM-32中的第三路脉冲宽度调制信号PWM-21与第四路脉冲宽度调制信号PWM-22。第三半桥模块150接收***控制单元120输出的六路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12，PWM-21，PWM-22，PWM-31，PWM-32中的第五路脉冲宽度调制信号PWM-31与第六路脉冲宽度调制信号PWM-32。
具体地，在一实施方式中，***控制单元120调制生成三个半桥模块130,140,150所需的三路脉冲宽度调制使能信号PWN-EN1,PWM-EN2,PWM-EN3，具体地，在本实施方式中，第一半桥模块130中的信号处理单元为第一信号处理单元132，第二半桥模块140中的信号处理单元为第二信号处理单元142，第三半桥模块150中的信号处理单元为第三信号处理单元152。其中，第一信号处理单元132接收***控制单元120输出的三路脉冲宽度调制使能信号PWN-EN1,PWM-EN2,PWM-EN3中的第一路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN1。第二信号处理单元142接收***控制单元120输出的三路脉冲宽度调制使能信号PWN-EN1,PWM-EN2,PWM-EN3中的第二路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN2。第三信号处理单元152接收***控制单元120输出的三路脉冲宽度调制使能信号PWN-EN1,PWM-EN2,PWM-EN3中的第三路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN3。
具体地，在一实施例中，每个信号处理单元132,142,152根据接收到的两路脉冲宽度调制信号中的第一路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-21，PWM-31控制与该信号处理单元132,142,152所在的半桥模块130,140,150中的第一开关器件S1与第三开关器件S3的状态，每个信号处理单元132,142,152根据接收到两路脉冲宽度调制信号中的第二路脉冲宽度调制信号PWM-12，PWM-22，PWM-32控制与该信号处理单元132,142,152所在的半桥模块130,140,150中的第二开关器件S2与第四开关器件S4的状态。需要说明的是，在本实施例中，第一路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-21，PWM-31表示为第一信号处理单元132接收到的第一路脉冲宽度调制信号PWM-11、第二信号处理单元142接收到的第三路脉冲宽度调制信号PWM-21与第三信号处理单元152接收到的第五路脉冲宽度调制信号PWM-31，第二路脉冲宽度调制信号PWM-12，PWM-22，PWM-32表示为第一信号处理单元132接收到的第二路脉冲宽度调制信号PWM-12、第二信号处理单元142接收到的第四路脉冲宽度调制信号PWM-22与第三信号处理单元132接收到的第六路脉冲宽度调制信号PWM-32。
具体地，在一实施方式中，第一半桥模块130中的信号处理单元的故障信号输出端与第二半桥模块140中的信号处理单元的故障信号输入端连接，第二半桥模块140中的信号处理单元的故障信号输出端与第三半桥模块150中的信号处理单元的故障信号输入端连接，第三半桥模块150中的信号处理单元的故障信号输出端与第一半桥模块130中的信号处理单元的故障信号输入端连接，以形成故障信号环路，从而实现三个信号处理单元132,142,152构成故障环。具体地，第一信号处理单元132向第二信号处理单元142输送第一总故障信号Fault-all12，第二信号处理单元142向第三信号处理单元152输送第二总故障信号Fault-all23，第三信号处理单元152向第一信号处理单元132输送第三总故障信号Fault-all31。
具体地，在一实施例中，当每个信号处理单元132,142,152接收到脉冲宽度调制使能信号从高电平跳变到低电平或两路脉冲宽度调制信号为故障状态时，则对输出的四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态跳到延迟状态，并经过预设延迟时间后进入封锁状态。
具体地，在一实施例中，第一半桥模块130中的信号处理单元输出第一总故障信号Fault-all12至第二半桥模块140中的信号处理单元，第二半桥模块140中的信号处理单元输出第二总故障信号Fault-all23至第三半桥模块150中的信号处理单元，第三半桥模块150中的信号处理单元输出第三总故障信号Fault-all31至第一半桥模块130中的信号处理单元，预先设定故障环信号为高电平时为正常状态，故障环信号为低电平时为故障状态。
请一并参考图6，图6为图5中的各个半桥模块30之间构成的故障信号环路的逻辑框图。如图5与图6所示，具体地，在一实施例中，每个信号处理单元132,142,152根据接收到总故障信号Fault-all12,Fault-all23,Fault-all31生成故障输出信号Fault-OUT1,Fault-OUT2,Fault-OUT3，以根据故障输出信号Fault-OUT1,Fault-OUT2,Fault-OUT3对另外两个信号处理单元32进行故障判断；且每个信号处理单元132,142,152将接收到总故障信号Fault-all12,Fault-all23,Fault-all31与其自身的故障信号进行与逻辑处理，以向与其连接信号处理单元132,142,152输出对应的总故障信号Fault-all12,Fault-all23,Fault-all31。
具体地，第一信号处理单元132根据接收到的第三总故障信号Fault-all31生成第一故障输出信号Fault-OUT1，以根据第一故障输出信号Fault-OUT1对第二信号处理单元142与第三信号处理单元152进行故障判断，第一信号处理单元132还根据第三总故障信号Fault-all31与其自身的第一故障信号Fault-IN1进行与逻辑处理，从而得到第一总故障信号Fault-all12，第一信号处理单元132将第一总故障信号Fault-all12传输至第二信号处理单元142。第二信号处理单元142根据接收到的第一总故障信号Fault-all12生成第二故障输出信号Fault-OUT2，以根据第二故障输出信号Fault-OUT2对第一信号处理单元132与第三信号处理单元152进行故障判断，第二信号处理单元142还根据第一总故障信号Fault-all12与其自身的第二故障信号Fault-IN2进行与逻辑处理，从而得到第二总故障信号Fault-all23，第二信号处理单元142将第二总故障信号Fault-all23传输至第三信号处理单元152。第三信号处理单元152根据接收到的第二总故障信号Fault-all23生成第三故障输出信号Fault-OUT3，以根据第三故障输出信号Fault-OUT3对第一信号处理单元132与第二信号处理单元142进行故障判断，第三信号处理单元152还根据第二总故障信号Fault-all23与其自身的第三故障信号Fault-IN3进行与逻辑处理，从而得到第三总故障信号Fault-all31，第三信号处理单元152将第三总故障信号Fault-all31传输至第一信号处理单元132。
具体地，在一实施例中，任意一个半桥模块130,140,150内出现故障后会使整个故障信号环路发生状态改变，每个信号处理单元132,142,152在接收到故障信号环路变化后启动故障封锁，并根据故障信号环路中的故障环信号与其当前的四路半桥脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号。
具体地，在一实施例中，在故障发生后，每个信号处理单元132,142,152输出的四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态跳到延迟状态，并经过预设延迟时间后进入封锁状态。
具体地，在一实施例中，每个信号处理单元132,142,152将其自身的故障状态实时发送至***控制单元120，***控制单元120根据各个信号处理单元32发送的故障状态启动***保护及故障记录。
具体地，在一实施方式中，第一信号处理单元132将第一故障状态Fault-11发送至***控制单元120，以在***控制单元120根据第一故障状态Fault-11启动***保护及故障记录，例如记录当前的故障状态为第一信号处理单元132发生的故障。第二信号处理单元142将第二故障状态Fault-21发送至***控制单元120，以在***控制单元120根据第二故障状态Fault-21启动***保护及故障记录，例如记录当前的故障状态为第二信号处理单元142发生的故障。第三信号处理单元152将第三故障状态Fault-31发送至***控制单元120，以在***控制单元120根据第三故障状态Fault-31启动***保护及故障记录，例如记录当前的故障状态为第三信号处理单元152发生的故障。
具体地，在本实施例中，第一信号处理单元132接收到的第一路脉冲宽度调制信号PWM-11用于控制第一开关单元136中的第一开关器件S1和第三开关器件S3的状态，第一信号处理单元132接收到的第二路脉冲宽度调制信号PWM-12用于控制第一开关单元136中的第二开关器件S2和第四开关器件S4的状态。具体地，在一实施方式中，第一路脉冲宽度调制信号PWM-11为高电平对应第一开关器件S1的导通与第三开关器件S3的关断，第一路脉冲宽度调制信号PWM-11为低电平对应第一开关器件S1的关断与第三开关器件S3的导通。第二路脉冲宽度调制信号PWM-12为高电平对应第二开关器件S2的导通与第四开关器件S4的关断，第二路脉冲宽度调制信号PWM-12为低电平对应第二开关器件S2的关断与第四开关器件S4的导通。具体地，在第一路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN1为高电平时，则第一信号处理单元132下发的四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16有效，且四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16分别经由第一隔离放大单元134中的对应的隔离放大电路传输至第一开关单元136中的各个开关器件S1,S2,S3,S4的控制端。而在第一路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN1为低电平时进行信号封锁，并对应第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4的控制端接收到的控制信号为半桥脉冲宽度调制关断信号。
具体地，在本实施例中，第二信号处理单元142接收到的第三路脉冲宽度调制信号PWM-21用于控制第二开关单元146中的第一开关器件S1和第三开关器件S3的状态，第二信号处理单元142接收到的第四路脉冲宽度调制信号PWM-22用于控制第二开关单元146中的第二开关器件S2和第四开关器件S4的状态。具体地，在一实施方式中，第三路脉冲宽度调制信号PWM-21为高电平对应第一开关器件S1的导通与第三开关器件S3的关断，第三路脉冲宽度调制信号PWM-21为低电平对应第一开关器件S1的关断与第三开关器件S3的导通。第四路脉冲宽度调制信号PWM-22为高电平对应第二开关器件S2的导通与第四开关器件S4的关断，第四路脉冲宽度调制信号PWM-22为低电平对应第二开关器件S2的关断与第四开关器件S4的导通。具体地，在第二路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN2为高电平时，则第二信号处理单元142下发的四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-23，PWM-24，PWM-25，PWM-26有效，且四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-23，PWM-24，PWM-25，PWM-26分别经由第二隔离放大单元144中的对应的隔离放大电路传输至第二开关单元146中的各个开关器件S1,S2,S3,S4的控制端。而在第二路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN2为低电平时进行信号封锁，并对应第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4的控制端接收到的控制信号为半桥脉冲宽度调制关断信号。
具体地，在本实施例中，第三信号处理单元152接收到的第五路脉冲宽度调制信号PWM-31用于控制第三开关单元156中的第一开关器件S1和第三开关器件S3的状态，第三信号处理单元152接收到的第六路脉冲宽度调制信号PWM-32用于控制第二开关单元146中的第二开关器件S2和第四开关器件S4的状态。具体地，在一实施方式中，第五路脉冲宽度调制信号PWM-31为高电平对应第一开关器件S1的导通与第三开关器件S3的关断，第五路脉冲宽度调制信号PWM-31为低电平对应第一开关器件S1的关断与第三开关器件S3的导通。第六路脉冲宽度调制信号PWM-32为高电平对应第二开关器件S2的导通与第四开关器件S4的关断，第六路脉冲宽度调制信号PWM-32为低电平对应第二开关器件S2的关断与第四开关器件S4的导通。具体地，在第三路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN3为高电平时，则第三信号处理单元152下发的四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-33，PWM-34，PWM-35，PWM-36有效，且四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-33，PWM-34，PWM-35，PWM-36分别经由第三隔离放大单元154中的对应的隔离放大电路传输至第三开关单元156中的各个开关器件S1,S2,S3,S4的控制端。而在第三路脉冲宽度调制使能信号PWM-EN3为低电平时进行信号封锁，并对应第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4的控制端接收到的控制信号为半桥脉冲宽度调制关断信号。
具体地，在本实施例中，三相变流器中的信号处理过程以第一半桥模块130为例进行说明如下，具体地，第一信号处理单元132接收到两路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12后，进行对脉冲宽度调制信号的状态判断。为了便于说明，在以下实施例中第一路脉冲宽度调制信号PWM-11用“PWM-11”表示，第二路脉冲宽度调制信号PWM-12用“PWM-12”表示，脉冲宽度调制信号中的高电平用“1”表示，而脉冲宽度调制信号中的低电平用“0”表示。具体地，当(PWM-11，PWM-12)为(1，0)的状态时，则判定脉冲宽度调制信号异常，且处于故障状态。当(PWM-11，PWM-12)为(0,1)、(0,0)或(1,1)的状态时，则第一信号处理单元132进行信号分配以生成安全有效的四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16，具体地，四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16组合构成的状态如下表1所示：
开关状态 PWM-EN1 PWM-11 PWM-12 S1 S2 S3 S4 备注
State1 0 NA NA 0 0 0 0 封锁状态
State2 1 1 1 1 1 0 0 跟随状态
State3 1 0→1、1→0 1 0 1 0 0 过渡状态
State4 1 0 1 0 1 1 0 跟随状态
State5 1 0 0→1、1→0 0 0 1 0 过渡状态
State6 1 0 0 0 0 1 1 跟随状态
State7 NA 1 0 0 0 0 0 故障状态
表1
具体地，在本实施例中，如表1所示四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16组合状态包括停机封锁状态、跟随状态和过渡状态。具体地，四路半桥脉冲宽度调制信号组合状态为封锁状态时第一开关单元136中的四个开关器件都处于关闭状态与两路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12无关。四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16组合状态为跟随状态时四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16与两路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12正相关。四路半桥脉冲宽度调制信号PWM-13，PWM-14，PWM-15，PWM-16组合状态为过渡状态，且两路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12的状态出现变化时由第一信号处理单元132根据两路脉冲宽度调制信号PWM-11，PWM-12的变化状态生成的过渡信号。具体地，在一实施方式中，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4接收到控制信号为0时为半桥脉冲宽度调制关断信号，以控制开关器件的关断。第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4接收到的控制信号为1为半桥脉冲宽度调制信号，以控制开关器件的导通。具体地，表1中的NA表示与本信号状态无关。
具体地，如图6所示，每个信号处理单元132,142,152含有一收和一发两条故障信号通路，将多个相半桥模块130,140,150通过故障信号串联后，形成故障信号环路。具体地，三个信号处理单元32共有三条总故障信号，分别为第一总故障信号Fault-all12Fault_all12、第二总故障信号Fault-all23Fault_all23及第三总故障信号Fault-all31Fault_all31。具体地，预先设定故障信号环路为高电平时为正常态，故障信号环路为低电平时为故障态。第一信号处理单元132接收第三总故障信号Fault-all31Fault_all31后生成第一故障输出信号Fault-OUT1Fault_OUT1，以用于第一信号处理单元132对其他半桥模块140,150的故障进行判断，同时将第三总故障信号Fault_all31与第一半桥模块130中的第一故障信号Fault_IN1进行与逻辑处理，以得到第一总故障信号Fault_all12并发送给第二信号处理单元142，需要说明的是，第二信号处理单元142与第三信号处理单元152采用相同的逻辑对故障进行处理，在此不再赘述。
具体地，在一实施例中，当任意一个相半桥模块130,140,150内出现故障后会导致整个故障信号环路发生状态改变，各个信号处理单元132,142,152接收到故障信号环路的状态变化后启动故障封锁逻辑，并结合当前的四路半桥脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号。为了更清楚的说明故障发生后四路半桥脉冲宽度调制信号的状态变化而设定的三种输出信号状态如下表2所示：
Figure BDA0001765078710000181
Figure BDA0001765078710000191
表2
具体地，在一实施例中，每个信号处理单元132,142,152在故障发生后，输出的四路半桥脉冲宽度调制关断信号从当前状态State_now跳到延迟状态State_delay，并经过预设延迟时间后进入封锁状态State_block。具体地，各个半桥模块30中当正在执行的四路半桥脉冲宽度调制关断信号中的第一开关器件S1或第四开关器件S4为导通信号“1”时，则先关断第一开关器件S1或第四开关器件S4，并预设延迟时间后再关断第二开关器件S2或第三开关器件S3。各个半桥模块30中当正在执行的四路半桥脉冲宽度调制关断信号中的第一开关器件S1和第四开关器件S4为关断信号“0”时，则直接对四路半桥脉冲宽度调制关断信号进行封锁，将第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3及第四开关器件S4接收到的控制信号设为关断信号“0”。
具体地，在一实施例中，当各个半桥模块130,140,150接收到的脉冲宽度调制使能信号从高电平跳变到低电平，例如(1→0)或各个半桥模块130,140,150接收到两路脉冲宽度调制信号出现(1,0)的故障状态时，则各个半桥模块130,140,150对四路半桥脉冲宽度调制信号进行封锁，具体地，封锁逻辑与故障封锁逻辑相同，例如，四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态State_now先跳到延迟状态State_delay，并经过预设延迟时间后进入封锁状态State_block。
具体地，本发明实施例提供的变流器，通过处理单元用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号，隔离放大单元用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制开关单元进行导通，并在信号处理单元检测到半桥模块的故障信号时，则根据故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，隔离放大单元还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元进行关断，从而快速响应半桥模块的故障并进行故障封锁，且结构简单，可靠性高。同时通过在三个相半桥模块之间设置故障信号环路，以使得在任意一个半桥模块出现故障后会导致整个故障信号环路发生状态改变，各个信号处理单元接收到故障信号环路的状态变化后启动故障封，进而能够具有快速的故障响应速度和时序关断功能，可靠性高。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离发明技术方案内容，依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种三电平半桥驱动电路，其特征在于，所述三电平半桥驱动电路包括***控制单元与半桥模块，所述半桥模块包括信号处理单元、隔离放大单元及开关单元；所述***控制单元与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元还与所述隔离放大单元连接，所述隔离放大单元还与所述开关单元连接，其中，
所述***控制单元用于生成所述半桥模块所需的两路脉冲宽度调制信号；
所述处理单元用于根据两路脉冲宽度调制信号进行信号分配以输出四路半桥脉冲宽度调制信号；
所述隔离放大单元用于根据四路半桥脉冲宽度调制信号控制所述开关单元进行导通；
当所述信号处理单元检测到半桥模块的故障信号时，则根据所述故障信号与两路脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号，所述隔离放大单元还用于根据四路半桥脉冲宽度调制关断信号控制开关单元进行关断。
2.如权利要求1所述的三电平半桥驱动电路，其特征在于，所述隔离放大单元包括四个隔离放大电路，所述开关单元包括四个开关器件，每个隔离放大电路的输入端均与所述信号处理单元连接，每个隔离放大电路的输出端与一个开关器件的控制端连接。
3.如权利要求2所述的三电平半桥驱动电路，其特征在于，四个开关器件为第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件及第四开关器件，所述开关单元还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管及第六二极管；所述第一开关器件的第一端分别与所述第一二极管的阴极及直流正极端连接，所述第一开关器件的第二端分别与所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极、所述第二开关器件的第一端及所述第五二极管的阴极连接，所述第二开关器件的第二端分别与所述第二二极管的阳极、所述第三二极管的阴极、所述第三开关器件的第一端及交流端连接，所述第三开关器件的第二端分别与所述第三二极管的阳极、所述第四二极管的阴极、所述第四开关器件的第一端及所述第六二极管的阳极连接，所述第四开关器件的第二端分别与所述第四二极管的阳极及直流负极端连接，所述第五二极管的阳极与所述第六二极管的阴极连接。
4.一种变流器，其特征在于，所述变流器包括如权利要求1至3中任一项所述的三电平半桥驱动电路。
5.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述变流器为三相变流器，所述变流器包括一个所述***控制单元与三个所述半桥模块，三个所述半桥模块均与所述***控制单元连接，且三个所述半桥模块进行级联。
6.如权利要求5所述的变流器，其特征在于，所述***控制单元用于生成三个半桥模块所需的六路脉冲宽度调制信号和三路脉冲宽度调制使能信号，每个半桥模块均接收所述***控制单元输出的六路脉冲宽度调制信号中的两路和三路脉冲宽度调制使能信号中的一路。
7.如权利要求6所述的变流器，其特征在于，每个信号处理单元根据接收到的两路脉冲宽度调制信号中的第一路脉冲宽度调制信号控制与该信号处理单元所在的半桥模块中的第一开关器件与第三开关器件的状态，每个信号处理单元根据接收到两路脉冲宽度调制信号中的第二路脉冲宽度调制信号控制与该信号处理单元所在的半桥模块中的第二开关器件与第四开关器件的状态。
8.如权利要求6所述的变流器，其特征在于，当每个信号处理单元接收到宽度调制使能信号从高电平跳变到低电平或两路脉冲宽度调制信号为故障状态时，则对输出的四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态跳到延迟状态，并经过预设延迟时间后进入封锁状态。
9.如权利要求5所述的变流器，其特征在于，三个所述半桥模块为第一半桥模块、第二半桥模块及第三半桥模块，所述第一半桥模块中的信号处理单元的故障信号输出端与所述第二半桥模块中的信号处理单元的故障信号输入端连接，所述第二半桥模块中的信号处理单元的故障信号输出端与所述第三半桥模块中的信号处理单元的故障信号输入端连接，所述第三半桥模块中的信号处理单元的故障信号输出端与所述第一半桥模块中的信号处理单元的故障信号输入端连接，以形成故障信号环路。
10.如权利要求9所述的变流器，其特征在于，所述第一半桥模块中的信号处理单元输出第一总故障信号至所述第二半桥模块中的信号处理单元，所述第二半桥模块中的信号处理单元输出第二总故障信号至所述第三半桥模块中的信号处理单元，所述第三半桥模块中的信号处理单元输出第三总故障信号至所述第一半桥模块中的信号处理单元，预先设定故障环信号为高电平时为正常状态，所述故障环信号为低电平时为故障状态。
11.如权利要求10所述的变流器，其特征在于，每个信号处理单元根据接收到总故障信号生成故障输出信号，以根据所述故障输出信号对另外两个信号处理单元进行故障判断；且每个信号处理单元将接收到总故障信号与其自身的故障信号进行与逻辑处理，以向与其连接信号处理单元输出对应的总故障信号。
12.如权利要求11所述的变流器，其特征在于，任意一个半桥模块内出现故障后会使整个故障信号环路发生状态改变，每个信号处理单元在接收到故障信号环路变化后启动故障封锁，并根据所述故障信号环路中的故障环信号与其当前的四路半桥脉冲宽度调制信号生成四路半桥脉冲宽度调制关断信号。
13.如权利要求12所述的变流器，其特征在于，在故障发生后，每个信号处理单元输出的四路半桥脉冲宽度调制信号从当前状态跳到延迟状态，并经过预设延迟时间后进入封锁状态。
14.如权利要求13所述的变流器，其特征在于，每个信号处理单元将其自身的故障状态实时发送至所述***控制单元，所述***控制单元根据各个信号处理单元发送的故障状态启动***保护及故障记录。
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CN112255524A (zh) * 2020-12-06 2021-01-22 中车永济电机有限公司 一种电传动牵引***的保护方法及检测装置
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