CN114415566A - 一种模块化电力电子装置平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化电力电子装置平台，包括功率模块、多通道采样及调理模块、信号转接板与控制器模块；所述功率模块通过多通道采样及调理模块连接获取目标采样信号，反馈到控制器模块；控制器模块发出的控制信号通过信号转接板发送到功率模块；所述功率模块的弱电接口与信号转接板相连接，控制器模块通过信号转接板与功率模块实现交互。本发明可增强电力电子装置平台的模块化、复用度、可靠性、易用性和灵活度。

Description

一种模块化电力电子装置平台

技术领域

本发明属于电力电子装置技术领域，涉及一种模块化电力电子装置平台。

背景技术

当前电力电子装置平台往往针对单个固定拓扑，如常见的三相逆变器实验平台，是由三相六开关管组成的固定拓扑，只能用于三相逆变场合；针对新颖拓扑的电力电子装置平台，则由开关器件直接构成新颖拓扑的结构，无法用于其他拓扑中。这种实验装置的搭建往往需要依据拓扑类型，从头到尾设计好功率部分、弱电控制部分、功率器件驱动、采样与控制部分，用于一个固定拓扑的装置无法用于其他拓扑中，大大增加了器件成本。除此之外，单独设计的电力电子实验平台往往要考虑如何设计出能稳定驱动功率器件的电路、能产生可靠弱电信号的弱电控制电路，以及如何优化主功率回路布线以提升平台性能。当保护逻辑(过压保护、过流保护、过热保护等)考虑不到位时，单独设计的平台往往因为实验时的不确定因素导致烧毁，影响实验进程和成本控制。另外，单独设计的平台采样与调理电路往往只适合该平台自身的工况与量程，且固定焊接在单独设计的平台上，无法复用于其他电力电子平台上。因为采样与调理所用的传感器价格昂贵，故造成较大资源浪费。

综上，当前常见的电力电子装置平台，往往针对单一拓扑，无法复用到其他拓扑；装置稳定可靠运行所要求的设计门槛较高，无法保证平台设计一次成功；装置设计所用的工作量较大，无法快速进行实验，验证构思。最终导致时间成本、物料成本较高。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种模块化电力电子装置平台，可增强电力电子装置平台的模块化、复用度、可靠性、易用性和灵活度。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种模块化电力电子装置平台，包括功率模块、多通道采样及调理模块、信号转接板与控制器模块；

所述功率模块通过多通道采样及调理模块连接获取目标采样信号，反馈到控制器模块；控制器模块发出的控制信号通过信号转接板发送到功率模块；

所述功率模块的弱电接口与信号转接板相连接，控制器模块通过信号转接板与功率模块实现交互。

作为本发明的进一步改进，所述功率模块包括强电功率电路、驱动芯片及配套电路、死区产生电路及配套电路、保护逻辑电路及配套电路、温控风扇驱动电路；

所述强电功率电路包括两个开关器件，两个开关器件分别反向并联二极管之后再顺向串联构成半桥，第一开关器件的漏极或集电极和第二开关器件的源极或发射极之间并联多个去耦电容；第一开关器件的漏极或集电极和第一电流传感器串联，串联之后引出DC+端口用于功率模块的外部接线；第二开关器件的源极或发射极和第二电流传感器串联，串联之后DC-端口用于功率模块的外部接线；AC端口则从第一开关器件和第二开关器件连接的中点引出作为功率模块的外部接线；第一电流传感器和第二电流传感器均与保护逻辑电路及配套电路连接；

单路PWM信号连接死区产生电路及配套电路，产生两路互补且自带死区的PWM信号，再连接到驱动芯片及配套电路，使驱动芯片及配套电路的输出作为强电功率电路的半桥上下两开关器件的驱动信号；双路PWM控制信号连接到驱动芯片及配套电路的信号输入端，直接产生半桥上下两开关器件的驱动信号；

模块闭锁信号与保护逻辑电路及配套电路连接共同决定使能信号的电平值，使能信号直接作为驱动芯片及配套电路的使能端输入；保护逻辑电路及配套电路连接温控风扇驱动电路驱动散热扇。

作为本发明的进一步改进，第一开关器件和第二开关器件旁边还均设置有热敏电阻，热敏电阻与保护逻辑电路及配套电路并联。

作为本发明的进一步改进，所述驱动芯片及配套电路包括驱动芯片及其两路隔离供电模块，驱动芯片输入端通过两个电阻电容构成的RC滤波器，用于对死区产生电路及配套电路传来的两路PWM信号滤波；两路隔离供电模块分别给半桥的上下两开关管的驱动电路供电，隔离驱动芯片从两路隔离供电模块里获得驱动信号所需的电压和电流，依据输入的弱电PWM信号生成用于驱动的PWM信号。

作为本发明的进一步改进，所述死区产生电路及配套电路包括非门逻辑芯片及RCD延时电路；单路PWM半桥控制信号经由两路RCD延时电路后，分别产生上升沿延迟和下降沿延迟，将产生了下降沿延迟的信号进行反相，上升沿延迟的信号保持同相，从而形成了两路互补且自带死区的PWM信号；单/双路PWM切换信号与多路选择器连接后与驱动芯片及配套电路。

作为本发明的进一步改进，所述保护逻辑电路及配套电路包括与门逻辑、触发器、比较器、运算放大器及最大值选取电路；电流传感器生成的过流信号经过RC滤波之后作为与门逻辑的输入；贴在开关器件上的热敏电阻通过分压电路，将开关器件的热信号转化为电压信号，两路电压信号作为运算放大器的输入，经过运算放大器和二极管构成的最大值选取电路之后，将温度最高的热敏电阻的电压信号，作为比较器的输入；比较器将该电压信号与过温保护阈值电压进行比较，产生保护脉冲；保护脉冲信号作为与门逻辑的另一路输入；两路过流脉冲、一路过温脉冲经过与门之后形成***级保护脉冲信号，保护脉冲信号作为触发器的时钟输入，触发器检测到该保护脉冲的边沿之后，将驱动芯片的闭锁电平输出，使驱动芯片闭锁。

作为本发明的进一步改进，所述温控风扇驱动电路包括比较器、触发器和两级三极管；两路热敏电阻形成的电压信号经过比较器，产生风扇关闭信号，作为触发器的置位信号和清零信号，使触发器输出高电平或低电平，作为两级三极管驱动电路的输入；两级三极管驱动电路的第一级由一个小功率NPN型三极管和限流电阻构成，NPN型三极管的基极连接到触发器的输出，集电极则连接到下一级三极管的基极；集电极上接有上拉电阻；下一级三极管是NPN型三极管，集电极和风扇接口的负极连接，风扇接口的正极通过限流电阻连接到风扇供电电源；风扇接口两端反并联二极管。

作为本发明的进一步改进，所述的多通道采样及调理模块包含电压电流霍尔传感器、运算放大器及配套电路、绝对值计算电路、比较与逻辑电路、过压过流比较值产生电路；

所述电压电流霍尔传感器、运算放大器及配套电路、绝对值计算电路依次连接，运算放大器及配套电路用于输出缩放后电压电流弱电信号；绝对值计算电路与过压过流比较值产生电路均与比较与逻辑电路连接，用于输出过压过流信号。

作为本发明的进一步改进，所述的信号转接板包含光耦芯片、清零按键及配套电路；从控制器模块输入的多路PWM信号流入光耦芯片的原边，经过光耦芯片的隔离与配套的阻容滤波电路之后形成输入到单个功率模块的PWM信号；清零按键的输出信号则作为所有与信号转接板相连的功率模块的触发器复位信号，复位信号和PWM信号在信号转接板上经过隔离后通过具有抗干扰效果的电缆连接到功率模块的弱电侧接口。

作为本发明的进一步改进，所述的控制器模块包括ADC调理电路、ADC板、FPGA板、DSP板、SRAM及FLASH芯片及其配套电路、外部交互接口；

ADC调理电路包含具有隔离功能的运放及配套电路，用于将外部输入的电压信号经过隔离之后作为运放的输入，使运放的输出电压范围匹配ADC板和DSP板的输入电压范围；

ADC板包括ADC芯片及配套电路构成，ADC调理电路输出的模拟电压信号经过ADC芯片的转换成为数字信号，使FPGA板、DSP板能读取输入的电压信号值；

SRAM及FLASH芯片及其配套电路与FPGA板、DSP板均连接，FPGA板、DSP板作为数字信号处理器，均与外部交互接口连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明是基于标准半桥模块的灵活组配式电力电子装置及实验平台，由功率模块、多通道采样及调理模块、信号转接板与控制器模块组成。本发明的功率模块部分基于半桥拓扑，采样和调理模块部分被单独拿出，做成集成了隔离采样与运放调理的多通道的多通道采样及调理模块，可依据拓扑控制需要灵活连接到电路中，实现隔离采样、固定变比(与示波器通道变比直接匹配)、各通道个性化保护阈值及多通道保护汇总等。控制器也可使用第三方控制器。只需将采样与调理部分的输出接入控制器的采样接口，将控制器输出的开关控制信号通过本发明设计的信号转接板模块连接到功率模块上便能实现对搭建***的闭环控制。可增强电力电子装置平台的模块化、复用度、可靠性、易用性和灵活度。

进一步，本发明的控制部分可灵活更换，可使用基于FPGA或DSP的控制器。在有较高控制要求时可使用本发明设计的FPGA与DSP结合的控制器模块作为顶层控制器，将单独的FPGA/DSP控制器作为中间层的阀控制器，将小规模低成本的FPGA/DSP作为直接关联单个功率子模块的底层控制器。

进一步，本发明可用于对灵活度及复用性有较高要求的电力电子装置平台中。模块化的设计保证其在面对各种复杂拓扑时可以任意组合，半桥拓扑是很多复杂拓扑的基本组成部分，在不同的拓扑中复用从而大大节省了元件和电路的成本。保护逻辑可靠的功率模块在使用过程中能及时保护过流、过温的功率器件，大大降低新拓扑搭建的门槛，节省实验花费在硬件电路调试中的时间成本。功率模块只需要一路弱电PWM信号就能通过自带的硬件死区电路产生两路可靠的互补驱动信号，不需要人为通过软件在外部添加死区时间，也不需要担心两开关器件直通从而导致短路的情况，在使用时非常方便。在面对不同功率等级的要求时，可以使用不同功率等级的功率模块，通过更换功率模块实现平台功率等级的快速提升。

进一步，多通道采样及调理模块将多路隔离式电压电流采样通道集成在一起，可以根据拓扑需要灵活连接，进行电流和电压信号的采样，实现了传感器元件的复用性及信号采样的灵活性。在多通道采样及调理模块还提供了各通道个性化保护阈值及多通道保护汇总的功能，保证了除了功率模块1的硬件保护之外，多通道采样及调理模块还能起到保护效果，大大增强了平台的可靠性。

进一步，控制器模块可以根据实际工程需求自由选择控制器资源，减少控制器资源的浪费，并可以结合拓扑实现多级控制架构，增强了控制***实施的灵活性。多通道采样及调理模块与功率子模块自身的保护构成硬件保护逻辑，控制器根据多通道采样及调理模块的采样值构成软件保护逻辑，最终形成严密的串级保护体系，使装置可靠性大大增强。最终整个装置完全积木化，灵活性、复用性、模块化、易用性及经济性都得到大大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的模块化电力电子装置平台的整体结构图；

图2是本发明的功率模块结构图；

图3是本发明的多通道采样及调理模块结构图；

图4是本发明的控制器模块结构图；

图5是本发明的功率模块一种具体实施例的实物示意图；

图6是本发明的功率模块的另一种具体实施例的实物示意图；

图7是本发明的多通道采样及调理模块的一种具体实施例的实物示意图；

图8是本发明的信号转接板的一种具体实施例的实物示意图；

图9是本发明的控制器模块的一种具体实施例的实物示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。

如图1所示，本发明一种模块化电力电子装置平台，是基于标准半桥模块的灵活组配式电力电子装置及实验平台。其由功率模块1、多通道采样及调理模块2、信号转接板3与控制器模块4组成。可增强电力电子装置平台的模块化、复用度、可靠性、易用性和灵活度。

以下结合图2至图4对具体结构说明如下：

所述功率模块1包括强电功率电路11、驱动芯片及配套电路12、死区产生电路及配套电路13、保护逻辑电路及配套电路14、温控风扇驱动电路15；功率模块1的强电功率电路11包含开关器件S1与S2连接成半桥形式，半桥中点引出，二极管D1与D2分别反并联于开关器件S1与S2两端。S1的漏极与S2的源极之间并联高压去耦电容以保证电压质量。面对有不同电流和电压等级要求的拓扑时，强电功率电路11中的开关器件及二极管型号不同，PCB上布线线宽及间距调整，但大的架构不变，最终构成一系列面对不同电压和电流等级的强电功率电路11；功率模块1的驱动芯片及配套电路12包含隔离驱动芯片与其配套电路，配套电路包含两路隔离供电电路、两路输入滤波电路、以及两路驱动电阻。两路弱电驱动信号经过两路输入滤波电路后，流入驱动芯片的弱电侧，驱动芯片从两路隔离供电电路里获取驱动所需的电压和电流，产生满足功率开关器件要求的驱动信号；功率模块1的死区产生电路及配套电路13包含施密特触发特性的逻辑芯片、多路选择器与其配套电路。单路PWM弱电信号经过包含施密特触发特性的逻辑芯片，形成两路互补的PWM信号，配套电路为两路阻容电路，通过阻值和容值差异，使两路互补PWM信号在上升沿和下降沿延迟不一致，产生PWM死区效果。除此之外，还可以通过多路选择器自由选择是否使用模块自身产生的两路互补且自带死区的PWM信号，抑或直接使用模块外部输入的两路PWM信号驱动两路开关器件。

功率模块1的保护逻辑电路及配套电路14包含比较器芯片及其配套电路、运算放大器及最大值选取电路、两路热敏电阻、触发器芯片及其配套电路以及与门芯片及其配套电路。两路电流传感器依据配套电路设定的电流保护值，在电流达到保护值时产生下降沿信号，两路过流信号与过温信号经过与门，被触发器捕捉到之后使触发器输出置低，再经过另一路与门，与模块外部的主动闭锁信号一起决定驱动芯片是否闭锁，触发器的复位端通过外部接口，决定是否将模块的保护信号清除。过温保护的实现是通过两个开关器件上压的两个热敏电阻，将热信号转化为电阻值的变化和热敏电阻上分压的变化，之后通过运算放大器及最大值选取电路形成最大值选择的功能，将两路过热保护中温度最高的一路作为保护参考信号，和保护设定电压进行比较，当大于温度保护的阈值时比较器产生下降沿信号，同样经过与门后被触发器捕捉，成为保护逻辑的一部分。该部分的比较器还有产生温控风扇启停信号的功能，当热敏电阻传感到的温度大于风扇开启温度时，比较器产生风扇启动信号，传感到的温度小于风扇关闭温度时，比较器产生风扇停止信号。

功率模块1的温控风扇驱动电路15包含另一路触发器和两级三极管，通过比较器产生的风扇启停信号作为触发器的置位和清零信号的输入，控制触发器产生第一级三极管的驱动信号，使第一级三极管再驱动第二级三极管，放大了风扇启停信号的驱动能力，最终第二级三极管的输出用于驱动风扇。

所述的多通道采样及调理模块2包含电压电流霍尔传感器21、运算放大器及配套电路22、绝对值计算电路23、比较与逻辑电路24、过压过流比较值产生电路25。

所述的信号转接板3包含高速光耦芯片、清零按键及配套电路。从控制器模块4输入进来的多路PWM信号流入光耦芯片的原边，经过光耦芯片的隔离与配套的阻容滤波电路之后形成输入到单个功率模块1的PWM信号，该信号与控制器模块4产生的信号是隔离的，保证了功率模块1出现问题不会影响到控制器部分。清零按键的输出信号则作为所有与信号转接板相连的功率模块1的触发器复位信号，复位信号和PWM信号在信号转接板上经过隔离后通过具有抗干扰效果的电缆连接到功率模块1的弱电侧接口；

所述的控制器模块4包含ADC调理电路41、ADC板42、FPGA板43及DSP板44。ADC调理电路41包含具有隔离功能的运放及配套电路，将外部输入的电压信号经过隔离之后作为运放的输入，使运放的输出电压范围匹配ADC板42的输入电压范围。ADC板42则由ADC芯片及配套电路构成，ADC调理电路41输出的模拟电压信号经过ADC芯片的转换成为数字信号，使FPGA板43及DSP板44可以读取输入到模块的电压信号值。

FPGA板43和DSP板44作为该控制器模块4的数字信号处理器，可单独使用也可联合使用，单独使用时由FPGA板43或DSP板44独立完成与ADC板42的通讯、传感器电压信号的还原、数字控制器的实现、PWM信号的产生、通信协议实现及其他数字控制器可实现的功能。FPGA与DSP联合使用时，FPGA负责PWM信号产生及通信协议实现等信号吞吐类任务，DSP则负责数字信号处理类任务，如数字控制器的实现等。FPGA和DSP的输出信号经过信号转接板，实现对下层控制器或功率模块1及线路中存在的继电器等元件的控制。

除此之外还可以依据工程所需的数字信号处理资源灵活选择控制器模块4形式，当工程所需控制器资源较少时，可以采用单FPGA/DSP的形式作为控制器，当工程所需控制器资源较多时，可以使用FPGA与DSP联合的形式，当工程规模十分庞大，且需要多级控制***时，可以在顶层控制器中使用FPGA与DSP联合的形式，与中层控制器之间通讯，在中层控制器中使用较大规模的单FPGA控制器，与底层控制器之间通讯，在底层控制器中使用较小规模的单FPGA控制器，直接与单个功率模块1通讯。

最终对于整个电力电子装置平台***，功率电路部分通过各种不同功率等级的功率模块1进行积木式拼接构建成不同拓扑类型的变流器功率部分；控制器部分则通过各种FPGA/DSP板卡构成不同资源规格、不同控制层级的控制器模块4；功率电路通过多通道采样及调理模块2灵活连接获取目标采样信号，反馈到控制器模块4；控制器模块4发出的控制信号通过信号转接板发送到功率模块1。

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例

请参阅图1所示，本发明一种模块化电力电子装置平台，包括：功率模块1、多通道采样及调理模块2、信号转接板3、控制器模块4。

所述功率模块1由强电功率电路11、驱动芯片及配套电路12、死区产生电路及配套电路13、保护逻辑电路及配套电路14、温控风扇驱动电路15五部分组成。功率模块1的弱电接口与信号转接板3相连接，控制器模块4通过信号转接板3与功率模块1实现交互，交互的信号包含控制信号与功率模块1状态反馈信号。

控制信号包含单/双路PWM信号、单双路PWM切换信号与模块闭锁信号。其中的PWM信号可为一路或两路，由多路选择器配合单双路PWM切换信号来决定功率模块1使用单路PWM信号还是双路PWM信号。若为单路PWM控制信号，则该PWM信号连接到功率模块1内部的死区产生电路及配套电路13，产生两路互补且自带死区的PWM信号，再连接到驱动电路，使驱动电路的输出作为半桥上下两开关器件的驱动信号，若选择的PWM信号为双路输入，则两路信号直接连接到驱动电路的信号输入端，直接产生半桥上下两开关器件的驱动信号。模块闭锁信号则和模块内部的保护逻辑电路及配套电路14共同决定使能信号的电平值，该使能信号直接作为驱动芯片的使能端输入，确保模块在出现异常状态时的安全性。功率模块1状态反馈信号包含功率模块1的故障指示信号，通过信号转接板3反馈到控制器模块4，使控制器模块4可以快速做出响应。各功率模块1的强电接口之间相互任意连接，构成目标的功率拓扑，功率模块1的强电功率电路11依据各自的上下两开关器件的PWM驱动信号实现模态切换，从而实现整个功率拓扑的模态切换，实现目标的开关变流器功能。功率模块1可根据目标拓扑的电压、功率等级进行调整，不同电压、功率等级的功率模块1结构完全一致，区别仅在于强电功率电路11中开关器件和二极管的型号变化、去耦电容耐压值的选取及PCB布线的线宽和强弱电隔离间距。该模块内部各部分具体连接方式见下文对附图2的说明。

多通道采样及调理模块2由电压电流霍尔传感器21、运算放大器及配套电路22、绝对值计算电路23、比较与逻辑电路24、过压过流比较值产生电路25五部分组成。多路通道的电压电流霍尔传感器21的输入均连接到主功率回路中，端口设计成可拔插的形式，可以依据不同拓扑接入到强电功率回路的不同位置进行隔离式电压电流测量。该模块的输出信号包含经过缩放后的电压电流弱电信号及过压过流保护信号，这两种信号均接入到控制器模块4的模拟信号输入端口。该模块内部各部分具体连接方式见下文对附图3的说明。

信号转接板3由光耦及RC滤波器、逻辑门电路、复位开关构成。光耦及RC滤波器的输入连接到控制器模块4的弱电控制信号输出端，经过光耦对该信号隔离后，光耦副边的输出作为功率模块1的控制信号，连接到功率模块1的弱电控制端口。功率模块1反馈回的状态逻辑信号则作为信号转接板3逻辑门电路的输入，经过与逻辑后生成所有功率模块1总的状态逻辑信号，该状态逻辑信号经过光耦隔离后传回到控制器模块4。各路功率模块1的故障复位输入都汇总连接到信号转接板3的复位开关输出上，通过开关按键的按下产生低电平对各功率模块1进行总的故障复位。

控制器模块4由ADC调理电路41、ADC板42、FPGA板43、DSP板44、SRAM及FLASH芯片及其配套电路45、外部交互接口46六部分组成。

其中，ADC调理电路41的输入连接到多通道采样及调理模块2的输出，该信号为电压信号，经过ADC调理电路41的加工成为模数转换的输入。控制器模块4上的FPGA板43、DSP板44可以根据工程对数字控制器资源的需求程度，自由选择型号，其中FPGA板43与DSP板44也可选择性拔插，仅保留FPGA板43/DSP板44，该控制器模块4仍能正常工作。控制器模块4的外部交互接口46连接到信号转接板3或下级控制器，与下级控制器直接通讯或通过信号转接板3与功率模块1通讯，将控制信号传输到下级控制器或信号转接板3。

控制器模块4的外部交互接口46还设计了一部分通过光耦驱动，具有隔离功能的接口，该部分接口可直接用于驱动继电器。控制器模块4内部各部分具体连接方式见下文对附图4的说明。

本发明的功率模块1部分的详细设计结构图示于附图2。

功率模块1部分包括：强电功率电路11、驱动芯片及配套电路12、死区产生电路及配套电路13、保护逻辑电路及配套电路14及温控风扇驱动电路15。

强电功率电路11由两个开关器件分别反向并联二极管之后再顺向串联，开关器件或二极管可为基于硅的或基于其他半导体材料的元件。半导体器件通过这种方式构成半桥，S1的漏极(或集电极)和S2的源极(或发射极)之间并联数个去耦电容CDC1，CDC2，……，CDCn。S1的漏极(或集电极)和S2的源极(或发射极)再分别和电流传感器CS1、电流传感器CS2串联，串联之后分别引出DC+、DC-端口用于模块功率部分的外部接线。AC端口则从S1和S2连接的中点引出，作为模块功率部分的外部接线。

驱动芯片及配套电路12由驱动芯片及其两路隔离供电模块构成，驱动芯片输入端通过两个电阻电容构成的RC滤波器，对死区产生电路及配套电路13传来的两路PWM信号滤波，减少强电功率电路11对信号部分的干扰。两路隔离供电模块分别给半桥的上下两开关管S1与S2的驱动电路供电，隔离驱动芯片从两路隔离供电模块里获得驱动信号所需的电压和电流，依据输入的弱电PWM信号生成用于驱动的PWM信号，驱动芯片本身需要有隔离功能，将驱动芯片的强电侧和弱电侧隔离开。

死区产生电路及配套电路13由有施密特触发特性的非/与非/或非门逻辑芯片及RCD延时电路构成。单路PWM半桥控制信号，经由两路RCD网络后，分别产生上升沿延迟和下降沿延迟，将产生了下降沿延迟的信号进行反相，上升沿延迟的信号保持同相，从而形成了两路互补且自带死区的PWM信号。其中PWM2的信号由单/双路PWM切换信号与多路选择器决定使用死区电路生成的PWM或是直接使用外部输入的PWM信号。PWM1与PWM2这两路信号成为驱动芯片及配套电路12的输入。

保护逻辑电路及配套电路14由与门逻辑、触发器、比较器、运算放大器及最大值选取电路构成。电流传感器CS1、CS2生成的过流信号经过RC滤波之后作为与门逻辑的输入。贴在开关器件上的热敏电阻TR1与TR2通过分压电路，将开关器件的热信号转化为电压信号。两路电压信号作为运算放大器的输入，经过运算放大器和二极管构成的最大值选取电路之后，将温度最高的热敏电阻的电压信号，作为比较器的输入。比较器将该电压信号与过温保护阈值电压进行比较，产生保护脉冲。该保护脉冲信号作为与门逻辑的另一路输入。两路过流脉冲、一路过温脉冲经过与门之后形成***级保护脉冲信号，该保护脉冲信号作为触发器的时钟输入，触发器检测到该保护脉冲的边沿之后，将驱动芯片的闭锁电平输出，使驱动芯片闭锁，从而实现保护功能。

温控风扇驱动电路15包含比较器、触发器和两级三极管。两路热敏电阻形成的电压信号经过比较器，与风扇启动阈值及风扇停止阈值比较，当热敏电阻检测到的温度高于风扇启动阈值时，比较器产生风扇启动信号，当热敏电阻检测到的温度低于风扇停转的阈值时，比较器产生风扇关闭信号。这两路信号作为触发器的置位信号和清零信号，使触发器输出高电平或低电平，作为两级三极管驱动电路的输入。两级三极管驱动电路的第一级由一个小功率NPN型三极管和限流电阻构成，该三极管的基极连接到触发器的输出，集电极则连接到下一级三极管的基极。集电极上还接了上拉电阻。下一级三极管是NPN型三极管，集电极和风扇接口的负极连接，风扇接口的正极通过限流电阻连接到风扇供电电源。风扇接口两端反并联二极管。

本发明的多通道采样及调理模块2部分的详细设计结构图示于附图3。多通道采样及调理模块2包含电压电流霍尔传感器21、运算放大器及配套电路22、绝对值计算电路23、比较与逻辑电路24、过压过流比较值产生电路25。

电压电流霍尔传感器21由电压霍尔传感器、电流霍尔传感器及配套采样电阻构成。多通道的电压和电流采样接口连接到强电功率主回路中，霍尔传感器将强电电压电流信号均转化为与强电隔离的、固定变比的弱电电流信号，霍尔传感器的输出端接在配套采样电阻两端，使弱电电流信号流过配套采样电阻形成电压信号作为后级的输入。

运算放大器及配套电路22由运算放大器及反馈电阻网络构成，其输入端连接到电压电流霍尔传感器21的配套采样电阻两端，将转换来的电压电流采样信号经过合适比例的缩放，成为对控制器模块4及绝对值计算电路23输出的模拟信号。其中反馈电阻网络采用可调电阻以方便对缩放值进行调节和校正。

绝对值计算电路23由两级运算放大器和电阻二极管网络构成，前级的模拟信号输出端连接到第一级运算放大器和电阻二极管构成的网络的输入端，通过运放和电阻二极管网络构成的电平选择反相器，仅对电平为负的信号进行反相，电平为正的信号则在二极管的作用下不进行反相运算。之后第一级运算放大器的输出接入到第二级运算放大器的输入，该级运算放大器和其反馈电阻构成跟随器，第二级运算放大器的输出连接到比较与逻辑电路24的参考值输入。

比较与逻辑电路24由多路比较器和后级的与门逻辑构成，比较器的输入连接到经过绝对值计算电路23绝对值加工后的模拟信号输出，比较器的比较值输入则连接到过压过流比较值产生电路25的输出端口。比较器将经过绝对值加工后的模拟信号与自由设定的过压过流比较值进行比较，多路的比较后信号经过与门逻辑形成单路比较信号，作为总的保护逻辑信号，输出到控制器模块4数字通信端口。

过压过流比较值产生电路25由运放与可调电阻构成，固定的电压参考值作为运放的输入，通过运放和可调的反馈电阻共同对该固定的电压参考值进行缩放，不同通道的可调反馈电阻可以进行个性化设定，从而产生个性化的比较值。运放的输出作为比较与逻辑电路24中比较器的比较值输入，连接到比较器上。

本发明的控制器模块4部分的详细设计结构图示于附图4。控制器模块4包含ADC调理电路41、ADC板42、FPGA板43、DSP板44、SRAM及FLASH芯片及其配套电路45、外部交互接口46。

ADC调理电路41由隔离运算放大器和普通运算放大器及反馈电阻构成，外部模拟信号通过接口连接到隔离运放，隔离运放将该模拟信号隔离成输出信号，隔离后的输出信号连接到普通运放的输入，普通运放将该信号经过缩放调理成两部分，一部分信号的电压范围适合ADC板42的输入电压范围，另一部分信号的电压范围适合DSP板44自带ADC管脚的输入电压范围，输出这两路模拟信号。ADC板42由模数转换芯片和配套电路构成，ADC调理电路41的输出经过电容滤波连接到模数转换芯片的模拟信号输入端，经过模数转换之后成为数字信号输出，连接到FPGA板43中FPGA的管脚。该部分模数转换芯片型号可依据对转换速率、转换精度的需求而自由选取。FPGA板43由FPGA芯片、外部配套电路构成，ADC板42输出的数字信号连接到FPGA芯片部分管脚上，FPGA芯片其余管脚还连接到外部交互接口46、SRAM及FLASH芯片及其配套电路45、DSP板44上。FPGA板43可依据工程对FPGA逻辑资源的需求，自由选择搭配基于不同型号FPGA芯片的控制板，FPGA板43也可选择不***到控制器模块4上，该控制器模块4其余部分正常工作。DSP板44由DSP芯片、外部配套电路构成，ADC调理电路41输出的模拟信号连接到DSP芯片具有ADC采样功能的管脚上，DSP芯片其余管脚中依据其固定功能，分别连接到SRAM及FLASH芯片及其配套电路45、FPGA板43、外部交互接口46。

SRAM及FLASH芯片及其配套电路45由SRAM芯片与FLASH芯片及配套电路组成，两芯片的数据交互接口、地址控制接口及功能控制接口均同时连接到FPGA板43上FPGA芯片任意接口及DSP板44上DSP芯片外部存储器相关接口(XINTF)上，构成FPGA芯片与DSP芯片两者数据存储或交互的缓冲区域。

外部交互接口46，包含隔离型接口及非隔离型接口，隔离型接口主要由光耦芯片及配套电路构成，分为隔离输入和隔离输出，隔离输入是从外部输入的信号连接到光耦芯片原边的输入管脚，光耦芯片副边的输出管脚连接到DSP板44上DSP芯片或FPGA板43上FPGA芯片管脚，隔离输出是从DSP芯片或FPGA芯片输出的数字信号连接到光耦芯片原边的输入管脚，光耦芯片副边的输出管脚连接到外部；非隔离型接口则直接连接到DSP芯片或FPGA芯片的管脚上，与外部数字信号直接相连。

本发明的功率模块1一种具体实施例的实物图示于附图5。图5的功率模块左边三个强电接口对应附图2中DC+、DC-与AC接口。图5的功率模块右边接口为弱电接口，对应附图2中的弱电信号输入。

本发明的功率模块1的另一种具体实施例的实物图示于附图6。图6的功率模块左边三个强电接口对应附图2中DC+、DC-与AC接口。图6的功率模块右边两个接口均为弱电接口，对应附图2中的弱电信号输入。

本发明的多通道采样及调理模块一种具体实施例的实物图示于附图7。图7中模块的上端多路强电接口可连接到功率主电路，用以获得附图3中所述的连接到功率主电路的电压电流信号。图7中模块的下端多路弱电接口即为附图3中所述的缩放后电压电流弱电信号及过压过流信号。

本发明的信号转接板3的一种具体实施例的实物图示于附图8。图8中左侧接口与控制器模块4连接。图8信号转接板中部的多路接口用以和功率模块1的弱电接口连接。

本发明的控制器模块4的一种具体实施例的实物图示于附图9。图9中控制器模块4的上端接口对应附图4中的模拟信号输入。图9中控制器模块4其他三边的***接口用以连接信号转接板3。控制器模块上插的PCB板对应附图4中的FPGA板与DSP板。

本发明是基于标准半桥模块的灵活组配式电力电子装置及实验平台。半桥拓扑是大多数的电力电子拓扑的子拓扑。可以通过一个或数个半桥拓扑通过各种方式的连接组合，构成各种形式的电力电子拓扑，如全桥拓扑，MMC拓扑，DAB拓扑等等。本发明的功率模块部分基于半桥拓扑，并在功率模块上集成了驱动电路、硬件保护逻辑、死区产生电路与温控风扇驱动电路。采样和调理模块部分被单独拿出，做成集成了隔离采样与运放调理的多通道的采样调理模块，可依据拓扑控制需要灵活连接到电路中，实现隔离采样、固定变比(与示波器通道变比直接匹配)、各通道个性化保护阈值及多通道保护汇总等。本发明的控制部分可灵活更换，可使用基于FPGA或DSP的控制器。在有较高控制要求时可使用本发明设计的FPGA与DSP结合的控制器模块作为顶层控制器，将单独的FPGA/DSP控制器作为中间层的阀控制器，将小规模低成本的FPGA/DSP作为直接关联单个功率子模块的底层控制器。控制器也可使用第三方控制器。只需将采样与调理部分的输出接入控制器的采样接口，将控制器输出的开关控制信号通过本发明设计的信号转接板模块连接到功率模块上便能实现对搭建***的闭环控制。

综上，本发明可以使得拓扑组件的复用性得到保证，降低物料成本。且本发明集成了可靠的驱动电路设计、可靠的弱电电路设计、可靠的采样调理电路以及快速响应的保护逻辑，仅需要在使用时根据拓扑任意组合功率模块、根据控制需求任意选用不同资源的控制器，之后将功率模块、采样与调理模块、信号转接板与控制器相连接即可，大大降低了装置设计门槛。除此之外，本发明设计的控制器部分可以和其余部分灵活组成各种层级、各种数字资源的控制形式，非常灵活。最后，本发明可以被任意组合，使用方便，可以迅速构成新颖的拓扑，验证实验构思，节约了时间成本，抑或积木式拼接，快速形成新的变流器以进行商业化推广和应用。

以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，包括功率模块(1)、多通道采样及调理模块(2)、信号转接板(3)与控制器模块(4)；

所述功率模块(1)通过多通道采样及调理模块(2)连接获取目标采样信号，反馈到控制器模块(4)；控制器模块(4)发出的控制信号通过信号转接板(3)发送到功率模块(1)；

所述功率模块(1)的弱电接口与信号转接板(3)相连接，控制器模块(4)通过信号转接板(3)与功率模块(1)实现交互。

2.根据权利要求1所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述功率模块(1)包括强电功率电路(11)、驱动芯片及配套电路(12)、死区产生电路及配套电路(13)、保护逻辑电路及配套电路(14)、温控风扇驱动电路(15)；

所述强电功率电路(11)包括两个开关器件，两个开关器件分别反向并联二极管之后再顺向串联构成半桥，第一开关器件的漏极或集电极和第二开关器件的源极或发射极之间并联多个去耦电容；第一开关器件的漏极或集电极和第一电流传感器串联，串联之后引出DC+端口用于功率模块(1)的外部接线；第二开关器件的源极或发射极和第二电流传感器串联，串联之后DC-端口用于功率模块(1)的外部接线；AC端口则从第一开关器件和第二开关器件连接的中点引出作为功率模块(1)的外部接线；第一电流传感器和第二电流传感器均与保护逻辑电路及配套电路(14)连接；

单路PWM信号连接死区产生电路及配套电路(13)，产生两路互补且自带死区的PWM信号，再连接到驱动芯片及配套电路(12)，使驱动芯片及配套电路(12)的输出作为强电功率电路(11)的半桥上下两开关器件的驱动信号；双路PWM控制信号连接到驱动芯片及配套电路(12)的信号输入端，直接产生半桥上下两开关器件的驱动信号；

模块闭锁信号与保护逻辑电路及配套电路(14)连接共同决定使能信号的电平值，使能信号直接作为驱动芯片及配套电路(12)的使能端输入；保护逻辑电路及配套电路(14)连接温控风扇驱动电路(15)驱动散热扇。

3.根据权利要求2所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

第一开关器件和第二开关器件旁边还均设置有热敏电阻，热敏电阻与保护逻辑电路及配套电路(14)并联。

4.根据权利要求2所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述驱动芯片及配套电路(12)包括驱动芯片及其两路隔离供电模块，驱动芯片输入端通过两个电阻电容构成的RC滤波器，用于对死区产生电路及配套电路(13)传来的两路PWM信号滤波；两路隔离供电模块分别给半桥的上下两开关管的驱动电路供电，隔离驱动芯片从两路隔离供电模块里获得驱动信号所需的电压和电流，依据输入的弱电PWM信号生成用于驱动的PWM信号。

5.根据权利要求2所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述死区产生电路及配套电路(13)包括非门逻辑芯片及RCD延时电路；单路PWM半桥控制信号经由两路RCD延时电路后，分别产生上升沿延迟和下降沿延迟，将产生了下降沿延迟的信号进行反相，上升沿延迟的信号保持同相，从而形成了两路互补且自带死区的PWM信号；单/双路PWM切换信号与多路选择器连接后与驱动芯片及配套电路(12)。

6.根据权利要求2所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述保护逻辑电路及配套电路(14)包括与门逻辑、触发器、比较器、运算放大器及最大值选取电路；电流传感器生成的过流信号经过RC滤波之后作为与门逻辑的输入；贴在开关器件上的热敏电阻通过分压电路，将开关器件的热信号转化为电压信号，两路电压信号作为运算放大器的输入，经过运算放大器和二极管构成的最大值选取电路之后，将温度最高的热敏电阻的电压信号，作为比较器的输入；比较器将该电压信号与过温保护阈值电压进行比较，产生保护脉冲；保护脉冲信号作为与门逻辑的另一路输入；两路过流脉冲、一路过温脉冲经过与门之后形成***级保护脉冲信号，保护脉冲信号作为触发器的时钟输入，触发器检测到该保护脉冲的边沿之后，将驱动芯片的闭锁电平输出，使驱动芯片闭锁。

7.根据权利要求2所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述温控风扇驱动电路(15)包括比较器、触发器和两级三极管；两路热敏电阻形成的电压信号经过比较器，产生风扇关闭信号，作为触发器的置位信号和清零信号，使触发器输出高电平或低电平，作为两级三极管驱动电路的输入；两级三极管驱动电路的第一级由一个小功率NPN型三极管和限流电阻构成，NPN型三极管的基极连接到触发器的输出，集电极则连接到下一级三极管的基极；集电极上接有上拉电阻；下一级三极管是NPN型三极管，集电极和风扇接口的负极连接，风扇接口的正极通过限流电阻连接到风扇供电电源；风扇接口两端反并联二极管。

8.根据权利要求1所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述的多通道采样及调理模块(2)包含电压电流霍尔传感器(21)、运算放大器及配套电路(22)、绝对值计算电路(23)、比较与逻辑电路(24)、过压过流比较值产生电路(25)；

所述电压电流霍尔传感器(21)、运算放大器及配套电路(22)、绝对值计算电路(23)依次连接，运算放大器及配套电路(22)用于输出缩放后电压电流弱电信号；绝对值计算电路(23)与过压过流比较值产生电路(25)均与比较与逻辑电路(24)连接，用于输出过压过流信号。

9.根据权利要求1所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述的信号转接板(3)包含光耦芯片、清零按键及配套电路；从控制器模块(4)输入的多路PWM信号流入光耦芯片的原边，经过光耦芯片的隔离与配套的阻容滤波电路之后形成输入到单个功率模块(1)的PWM信号；清零按键的输出信号则作为所有与信号转接板相连的功率模块(1)的触发器复位信号，复位信号和PWM信号在信号转接板上经过隔离后通过具有抗干扰效果的电缆连接到功率模块(1)的弱电侧接口。

10.根据权利要求1所述的一种模块化电力电子装置平台，其特征在于，

所述的控制器模块(4)包括ADC调理电路(41)、ADC板(42)、FPGA板(43)、DSP板(44)、SRAM及FLASH芯片及其配套电路(45)、外部交互接口(46)；

ADC调理电路(41)包含具有隔离功能的运放及配套电路，用于将外部输入的电压信号经过隔离之后作为运放的输入，使运放的输出电压范围匹配ADC板(42)和DSP板(44)的输入电压范围；

ADC板(42)包括ADC芯片及配套电路构成，ADC调理电路(41)输出的模拟电压信号经过ADC芯片的转换成为数字信号，使FPGA板(43)、DSP板(44)能读取输入的电压信号值；

SRAM及FLASH芯片及其配套电路(45)与FPGA板(43)、DSP板(44)均连接，FPGA板(43)、DSP板(44)作为数字信号处理器，均与外部交互接口(46)连接。

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