CN202094693U - 带瞬时断电保护的机车供电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种供电装置，旨在提供一种带瞬时断电保护的机车供电装置。该装置包括电源输入接口、一个连接至双DC-DC并联变换器的TI数字处理器控制模块，电源输入接口、机车电子柜电源保护模块、浪涌保护模块、双DC-DC并联变换器和电源输出依次连接。本实用新型能够为机车各种需要稳定可靠电源供应的设备提供具备瞬时断电保护功能的供电，达到加装设备出现短路、断路等电流电压增大情况下，保护机车电子柜电源，完全消除加装设备故障造成的机车破故和临修。

Description

带瞬时断电保护的机车供电装置

技术领域

本实用新型涉及一种供电装置，特别涉及一种带瞬时断电保护的机车供电装置。

背景技术

安全工作是机务永恒的主题，随着铁路运输的不断提速，由于安全管理不断提出更高的要求，机车内将不断安装行车记录仪，安全防火装置，视频监控装置等一些列跟安全行车相关的电子设备。

但是在目前机车上，由于电力机车由27000V的牵引电对机车进行供电，高压经过变压器等一些列降压措施，减低到110V对电器***进行供电。然而由于变压器等一系列降压设备对瞬间脉冲和瞬态浪涌不能完全过滤，所以110V电压会经常伴随着大于1800V的直接瞬态电压和大于正常输入电压3倍以上的浪涌电压。电压及其不稳，经常会导致设备无法正常工作，或者设备损坏。更有甚者，由于机车电子设备电源的短路、断路等情况，造成机车破故和临修等情况。

为了提高重要电子设备的供电连续性和加装电子设备对机车自身供电设备的保护，一般采用两路电源热备的供电方式，外加保险丝的方式。在使用中有两种方式。第一种方式是当电力***供电电源出现故障时，通过人工切换的方式切换到备用电源供电，由于供电电源发生故障偶发性，管理者和使用者无法精确的估计故障时间和频率。通常需要配备专业人员，增加监控维护成本。

第二种方法是给设备配备不间断的电源(UPS)。它能短时间里提供稳定的电压，保护电气设备。但是由于UPS体积大，价格高，不太适合机车内部环境的要求。

在以上的几种方案各自有自身的优缺点，为了节省人力物力，提高电源的快速性，稳定性，可靠性，本实用新型将采用双DC-DC模块进行双备份切换，外接防浪涌模块，机车电源柜保护模块，内置UPS的方式，采用先进的德州仪器数字信号处理器(DSP)作为控制的先进技术进行对电源电压进行采用处理。有效的为机车电子设备提供了即体积小，又稳定可靠的电源。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提一种带瞬时断电保护的机车供电装置。

为解决技术问题，本实用新型的方案是：

提供一种带瞬时断电保护的机车供电装置，包括电源输入接口；该装置还包括一个连接至双DC-DC并联变换器的TI数字处理器控制模块，电源输入接口、机车电子柜电源保护模块、浪涌保护模块、双DC-DC并联变换器和电源输出依次连接。

作为一种改进，该装置包括一个与电源输出相连的备用电源模块，备用电源模块还与TI数字处理器控制模块相连。

作为一种改进，所述双DC-DC并联变换器具有如下的电路结构：

采用美国VICOR公司VI-J00-04DC-DC模块，双DC-DC模块并联，采用IGBT作为切换开关，通过TMS320LF2407A的IO管脚DC1_CON，DC2_CON来控制IGBT的开关，如果有一路DC-DC模块出现电流过高或过低情况，TMS320LF2407A自动切换到另外一路DC-DC模块供电，***以双电源自动切换的装置保证了电源的可靠性。

VI-J00-04 DC-DC模块双DC-DC模块并联，VI-J00-04的正电压输出端连接到IGBT的漏极，IGBT的源极作为***电压提供端，电阻R7连接在正电压输入端和三极管Q4的集电极，从DSP输出DC2_CON通过电阻R5连接在三极管Q4的基极。这是一组DC-DC模块到输出的电路，同样的三组电路并联，分别从两组DC-DC和备用电源输入，其IGBT的源极电压输出端连接在一起作为***电源的输入。

作为一种改进，所述双DC-DC并联变换器中设置电流检测电路，该电路具有以下结构特征：检测电流输入端连接到放大器TL062的正极输入端，电阻R3连接需要检测的电流输入端和电阻R4之间，电阻R3，电阻R24串联连接在放大器TL062的负极输入端，电容C28连接放大器TL062的正极输入端和地。电阻R25连接在放大器TL062的输出和负极输入端。电阻R20连接在放大器TL062的输出端和DSP连接的cuirrent端。其中电阻R24需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R25需采用1％精度的100KΩ电阻，电阻R20需采用1％精度的10KΩ电阻。

电流检测电路以TL062JFET输入运算放大器和电阻电容等组成，R3，R24为限流电阻，C28为耦合电容，去掉部分电源谐波，R20，R25为反馈电阻。当电流通过该检测电路时，TL062会放大放大该电流，通过cuirent管脚输入TMS320LF2407A内部，供主控芯片进行AD转换并判断电流大小。

作为一种改进，所述双DC-DC并联变换器中设置电压检测电路，该电路具有以下结构特征：需检测的电压连接到电阻R11的一端，电阻R11和电阻R10串联连接在电压输入和放大器TL062的正极输入，电容C24和电阻R12并联连接在放大器TL062的正极输入端和地之间。电阻R15和电阻R11串联后，连接在电压输入和地之间。电阻R17连接在DSP输入端voltage和放大器TL062的负极输入之间，voltage输出端连接在放大器TL062上。其中电阻R11需采用1％精度的9KΩ电阻，电阻R12需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R15需采用1％精度的1KΩ电阻，电阻R116需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R17需采用1％精度的49KΩ电阻。

电压检测电路以TL062 JFET输入运算放大器和电阻电容等组成，R11和R10为TL062正级输入端的接入电阻，R15和R16为负极输入端的接入电阻。该电路组成比较电阻，于基准电压进行比较，处理后的电压值通过voltage管脚输入TMS320LF2407A内部，供主控芯片进行AD转换并判断电压大小。

作为一种改进，所述浪涌保护模块中设置具有以下结构特征的电路：肖特基二极管D1并接在电源的正负输入端，电阻R1和肖特基二极管D2串联连接在电源输入端和肖特基二极管15V之间，肖特基二极管15V和电阻10K并连与肖特基二极管D2，电阻R1串联在电源的正负输入端Q1连接在电源正极输入和正极输出的两端。电阻R2连接在MOS管Q1的栅极和漏极之间，MOS管Q2和MOS管Q1间连接了D3，两个二极管IN4148串联连接在MOS管Q1的漏极和源极之间，二极管IN4148的源极作为电源的输出，MOS管Q3的连接在电源负极输出和D3的正极之间。

作为一种改进，所述机车电子柜电源保护模块中设置由电流取样电阻、供电开关及控制电路组成的电源保护电路，其连接关系为：电源输入后连接到电阻LF上，LF和开关K形成串联关系，与控制模块A形成并联结构，K后端连接电容输出。

该电路由电流取样电阻LF，供电开关K及电流监视、检测、控制电路A组成。当A检测到流过LF及K的电流过大时，将会发出指令将K关断，即切断电源从IN到OUT的传递。当引起流过LF的电流过大的原因消失后，A将控制K开通，恢复电源从IN到OUT的传递

作为一种改进，所述电源保护电路中的控制电路具有以下结构特征的电路：电源的正级连接到电阻R1，电阻R1和三极管T1的源极形成串联，电阻R2和电阻R1和发光二极管D1形成并联关系，电源的负极和三极管T1的基极连接电阻R3上，电阻R4跨接在三极管T1的基极和发光二极管D1的两端。

该电路为电流监视、检测、控制电路A，R1为电流取样电阻，T1为开关K。当负载电路L工作正常时，流过R1、T1的电流在允许范围之内，D1截止，发光二极管不发光，光耦无信号传递，光敏三极管截止，因此T1维持导通，电源可加在负载L上。当负载电路L出现短路故障时，流过R1、T1的电流加大，使得D1导通发光，指示负载电路L有故障，同时光耦有信号传递，光敏三极管导通，使T1截止，从而切断电源与负载的联系，即切断L的电源，使得电源不受影响，还能继续正常工作。当负载L的短路故障被排除后，流过R1、T1的电流又恢复到正常范围，此时D1重新截止，光敏三极管也不再导通，因而T1导通，从而恢复对负载L的供电。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够为机车各种需要稳定可靠电源供应的设备提供具备瞬时断电保护功能的供电。通过采用双DC-DC模块并联方式，使用软件开关技术在两模块之间进行切换，增加***的可靠冗余。采用先进的数字处理器(DSP)作为主控单元，对瞬间高压浪涌、电压异常变换等状况，通过采用备用电源和增加防浪涌电路的方式进行保护。同时提供机车电子柜电源保护模块达到加装设备出现短路、断路等电流电压增大情况下，保护机车电子柜电源，完全消除加装设备故障造成的机车破故和临修。

附图说明

图1为本实用新型的总体架构图；

图2为双DC-DC模块和备用模块间的切换电路图；

图3为电流检测电路结构图；

图4为电压检测电路结构图；

图5为浪涌保护模块中电路结构图；

图6为浪涌尖峰抑制效果图；

图7为机车电子柜电源保护模块中的电源保护电路；

图8为电源保护电路中控制电路结构图；

图9为TI数字处理器控制模块内置软件的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实现方式进行详细表述。

本实用新型带瞬时断电保护的机车供电装置，包括一个连接至双DC-DC并联变换器的TI数字处理器控制模块，电源输入接口、机车电子柜电源保护模块、浪涌保护模块、双DC-DC并联变换器和电源输出依次连接；备用电源模块分别与电源输出、TI数字处理器控制模块相连。本实施例中，电源输出电压为12V。

一、双DC-DC并联变换器

双DC-DC并联变换器采用了一个开关管为IGBT的高频开关电源，主电路采用了两组DC-DC变换器并联形式，并且将软开关技术用于设计中。对***中的各元件进行了设计和参数选择，为机车设备提供了优质的电源模块。其电路如图2所示。

从图2中可以看出，双DC-DC并联变换器具有如下的电路结构：

双DC-DC模块并联后和备用电源组成冗余的供电源，采用IGBT作为切换开关，通过TMS320LF2407A的IO管脚DC1_CON，DC2_CON来控制IGBT的开关，如果有一路DC-DC模块出现电流过高或过低情况，TMS320LF2407A自动切换到另外一路DC-DC模块供电，***以双电源自动切换的装置保证了电源的可靠性其中DC1，DC2分别为两组DC-DC模块电压输出端接入，DAT_IN为电池电压输入，DC1_CON、DC2_CON、BAT_CON分别为DSP输出控制口。

在双DC-DC并联变换器中，选用了美国VICOR公司VI-J00-04模块。该模块是采用最先进的功率转换、控制及封装技术，令产品无论在性能表现、可靠性、灵活性及成本效益等均胜人一筹。模块采用开关频率极高的零电流及零电压拓朴，令转换器的功率密度和效率很高，而噪声很低。功率100W，具有宽电压输入从66V到160V的输入，温度特性-40度到100度。

双DC-DC并联变换器中还设置电流检测电路和电压检测电路(如图3、4所示)。

其中，电流检测电路具有以下结构特征：检测电流输入端连接到放大器TL062的正极输入端，电阻R3连接需要检测的电流输入端和电阻R4之间，电阻R3，电阻R24串联连接在放大器TL062的负极输入端，电容C28连接放大器TL062的正极输入端和地。电阻R25连接在放大器TL062的输出和负极输入端。电阻R20连接在放大器TL062的输出端和DSP连接的cuirrent端。其中电阻R24需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R25需采用1％精度的100KΩ电阻，电阻R20需采用1％精度的10KΩ电阻。

电压检测电路具有以下结构特征：需检测的电压连接到电阻R11的一端，电阻R11和电阻R10串联连接在电压输入和放大器TL062的正极输入，电容C24和电阻R12并联连接在放大器TL062的正极输入端和地之间。电阻R15和电阻R11串联后，连接在电压输入和地之间。电阻R17连接在DSP输入端voltage和放大器TL062的负极输入之间，voltage输出端连接在放大器TL062上。其中电阻R11需采用1％精度的9KΩ电阻，电阻R12需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R15需采用1％精度的1KΩ电阻，电阻R116需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R17需采用1％精度的49KΩ电阻。

当DC1_CON，DC2_CON其中一个输入电压电流过低，DSP自动切换另外一路作为***主供电电路，当两组电源都出现问题，则采用BAT_CON这组电源供电，极大的保证了该设备的正常运行。

二、浪涌保护模块

由于电源会有浪涌和尖峰脉冲的冲击，根据EN50155和R1A12等铁路标准，电源模块必须承受储蓄50US的1800V直接瞬态电压的冲击，瞬态源的阻抗规定为100Ω，瞬态能量大雨100mJ。同时设备必须能承受大于正常输入电压3.5倍的过压浪涌达20ms。为防止DC-DC变换器的损坏，增加了如图5所示的电路满足该规定的要求。

该电路具有以下结构特征：

肖特基二极管D1并接在电源的正负输入端，电阻R1和肖特基二极管D2串联连接在电源输入端和肖特基二极管15V之间，肖特基二极管15V和电阻10K并连与肖特基二极管D2，电阻R1串联在电源的正负输入端Q1连接在电源正极输入和正极输出的两端。电阻R2连接在MOS管Q1的栅极和漏极之间，MOS管Q2和MOS管Q1间连接了D3，两个二极管IN4148串联连接在MOS管Q1的漏极和源极之间，二极管IN4148的源极作为电源的输出，MOS管Q3的连接在电源负极输出和D3的正极之间。

在此电路中D1钳制快速高压尖峰，而由于D2，D3，Q1，Q2组成一个有源器件来限制浪涌。在正常运作期间，由IN4148二极管和470PF电容组成的充电泵电路使Q1保持全贯通，从变换器的输出闸门信号驱动充电泵。当过压出现时，二极管D2导通，由R2限制电流，然后使Q2导通。随着Q2导通，Q1的栅压被规限为D3的齐纳电压。输出电压相等于D3的齐纳电压减去Q1的栅源电压。当过压现象终止时，***仍然会正常工作。

当电压为110V输入时，经过实际测试，图中D1采用1.5KE440A，D2采用160V/0.5W，D3 160V/0.5W，Q1 IRFP450这样能达到最好效果。测试结果如图6所示。

三、TI数字处理器控制模块

本实施例中，采用TMS320LF2407A作为TI数字处理器控制模块的主控CPU，该处理器的最高工作频率40MHz，DSP芯片内置2.5k字SRAM，32k字FLASH，具备PWM波形输出功能，是一款作为电源控制的很优秀的芯片。

TMS320LF2407A在***中的主要功能为：通过软件实现软开关技术对两组并联的DC-DC变换器进行控制、对备用电源采用PWM波输出的方式对电池进行充放电、在电源和备用电源之间形成高速无间断切换。

TMS320LF2407A内带有16个ADC可以对电压和电流进行判别，判别是否过压过流，电压电流过低。DC_CON，DC2_CON，BAT_CON分别为两组DC-DC模块的输出控制信号和电池组的输出控制信号，这三个信号可以保证电源和备用电源之间的软件自动切换。

本实施例中，TI数字处理器控制模块的软件部分是在TMS320C2X编译器环境下开发出来的，采用了模块的程序设计方法。

开机后先进行装置初始化，并允许实时时钟中断、通用定时器1中断和功率驱动保护中断等中断，禁止定时器2中断，然后开总中断。若实时时钟定时器时间到，则直行实时时钟中断服务程序，采集电池的端电压，充电电流，与电池工艺参数进行比较，判断应采用的充电模式，并计算期望值与实际值的差值。若通用定时器1中断发生，则执行通用定时器1中断服务程序，在中断服务程序中，根据实时时钟中断所得到的差值装入通用定时器1的相应寄存器，得到合适的PWM信号，输出来控制充电电流的大小。在另外一个流水线中DSP不断判断DC-DC模块电压电流是否正常，以便及时切换DC或者备用电池输出，以供设备正常运行。

特别需要指出的是，本实用新型中所述的软件部分内置于TI数字处理器控制模块。其具体的实现方式可以有很多种，本领域技术人员在了解本实用新型设计思路及相应功能描述之后，完全可以根据其掌握的基本技能实现该软件的编程与运行，不存在无法理解或无法再现的可能性。

四、机车电子柜电源保护模块

机车电子柜电源是对机车内所有电子设备进行供电的控制柜，由于电子产品可能在不同的情况下形成短路的问题。这类问题后果较为严重，因此在设计供电装置的时候必须考虑到设备出现短路或者故障时不影响机车电子柜的正常工作。

图7中虚线部分为电源保护电路，它由电流取样电阻LF，供电开关K及(电流监视检测)控制电路A组成，其连接关系为：电源输入后连接到电阻LF上，LF和开关K形成串联关系，与控制电路A形成并联结构，K后端连接电容输出。

当控制电路A检测到流过LF及K的电流过大时，将会发出指令将K关断，即切断电源从IN到OUT的传递。当引起流过LF的电流过大的原因消失后，A将控制K开通，恢复电源从IN到OUT的传递。

控制电路A的原理图如图8所示，图中虚线框内的电路为控制电路A，具有以下结构特征的电路：电源的正级连接到R1，R1和T1形成串联，R2和R1和D1形成并联关系，电源的负极连接R3上，R4跨接在T1的漏极和发光二极管D1的两端。

电源的正级连接到电阻R1，电阻R1和三极管T1的源极形成串联，电阻R2和电阻R1和发光二极管D1形成并联关系，电源的负极和三极管T1的基极连接电阻R3上，电阻R4跨接在三极管T1的基极和发光二极管D1的两端。

图中，R1为电流取样电阻，T1为开关K。当负载电路L工作正常时，流过R1、T1的电流在允许范围之内，D1截止，发光二极管不发光，光耦无信号传递，光敏三极管截止，因此T1维持导通，电源可加在负载L上。当负载电路L出现短路故障时，流过R1、T1的电流加大，使得D1导通发光，指示负载电路L有故障，同时光耦有信号传递，光敏三极管导通，使T1截止，从而切断电源与负载的联系，即切断L的电源，使得电源不受影响，还能继续正常工作。当负载L的短路故障被排除后，流过R1、T1的电流又恢复到正常范围，此时D1重新截止，光敏三极管也不再导通，因而T1导通，从而恢复对负载L的供电。

测试结果：经过实际测试基本达到了预期目标，能够完全消灭因传感器电源短路故障造成的机破、临修，而且该装置对防止机车电子柜电压给定插件板烧损也具有明显效果。

五、备用电源模块

备用电源采用高容量的镍镉电池作为备用电源。TMS320LF2407A作为主控CPU对电池进行充放电。TMS320LF2407A的PWM端口连接信号DIS_chr输出PWM波形，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整DSP的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。在调整充电电流前，DSP先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

Claims (8)

1.带瞬时断电保护的机车供电装置，包括电源输入接口，其特征在于，该装置还包括一个连接至双DC-DC并联变换器的TI数字处理器控制模块，电源输入接口、机车电子柜电源保护模块、浪涌保护模块、双DC-DC并联变换器和电源输出依次连接。

2.根据权利要求1所述的机车供电装置，其特征在于，该装置包括一个与电源输出相连的备用电源模块，备用电源模块还与TI数字处理器控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的机车供电装置，其特征在于，所述双DC-DC并联变换器具有如下的电路结构：VI-J00-04 DC-DC模块双DC-DC模块并联，VI-J00-04的正电压输出端连接到IGBT的漏极，IGBT的源极作为***电压提供端，电阻R7连接在正电压输入端和三极管Q4的集电极，从DSP输出DC2_CON通过电阻R5连接在三极管Q4的基极；这是一组DC-DC模块到输出的电路，同样的三组电路并联，分别从两组DC-DC和备用电源输入，其IGBT的源极电压输出端连接在一起作为***电源的输入。

4.根据权利要求1所述的机车供电装置，其特征在于，所述双DC-DC并联变换器中设置电流检测电路，该电路具有以下结构特征：检测电流输入端连接到放大器TL062的正极输入端，电阻R3连接需要检测的电流输入端和电阻R4之间，电阻R3、电阻R24串联连接在放大器TL062的负极输入端，电容C28连接放大器TL062的正极输入端和地；电阻R25连接在放大器TL062的输出和负极输入端，电阻R20连接在放大器TL062的输出端和DSP连接的cuirrent端；其中电阻R24需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R25需采用1％精度的100KΩ电阻，电阻R20需采用1％精度的10KΩ电阻。

5.根据权利要求1所述的机车供电装置，其特征在于，所述双DC-DC并联变换器中设置电压检测电路，该电路具有以下结构特征：需检测的电压连接到电阻R11的一端，电阻R11和电阻R10串联连接在电压输入和放大器TL062的正极输入，电容C24和电阻R12并联连接在放大器TL062的正极输入端和地之间；电阻R15和电阻R11串联后，连接在电压输入和地之间；电阻R17连接在DSP输入端voltage和放大器TL062的负极输入之间，voltage输出端连接在放大器TL062上；其中电阻R11需采用1％精度的9KΩ电阻，电阻R12需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R15需采用1％精度的1KΩ电阻，电阻R116需采用1％精度的10KΩ电阻，电阻R17需采用1％精度的49KΩ电阻。

6.根据权利要求1所述的机车供电装置，其特征在于，所述浪涌保护模块中设置具有以下结构特征的电路：肖特基二极管D1并接在电源的正负输入端，电阻R1和肖特基二极管D2串联连接在电源输入端和肖特基二极管15V之间，肖特基二极管15V和电阻10K并连与肖特基二极管D2，电阻R1串联在电源的正负输入端Q1连接在电源正极输入和正极输出的两端；电阻R2连接在MOS管Q1的栅极和漏极之间，MOS管Q2和MOS管Q1间连接了D3，两个二极管IN4148串联连接在MOS管Q1的漏极和源极之间，二极管IN4148的源极作为电源的输出，MOS管Q3的连接在电源负极输出和D3的正极之间。

7.根据权利要求1所述的机车供电装置，其特征在于，所述机车电子柜电源保护模块中设置由电流取样电阻、供电开关及控制电路组成的电源保护电路，其连接关系为：电源输入后连接到电阻LF上，LF和开关K形成串联关系，与控制电路形成并联结构，开关K后端连接电容输出。

8.根据权利要求7所述的机车供电装置，其特征在于，所述电源保护电路中的控制电路具有以下结构特征的电路：电源的正级连接到电阻R1，电阻R1和三极管T1的源极形成串联，电阻R2和电阻R1和发光二极管D1形成并联关系，电源的负极和三极管T1的基极连接电阻R3上，电阻R4跨接在三极管T1的基极和发光二极管D1的两端。

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