CN102457196B - 一种高压变频器的功率单元控制板 - Google Patents

Abstract

一种高压变频器的功率单元控制板，所述功率单元控制板连接于所述高压变频器的主控制板与所述高压变频器的功率单元之间，是收和发的串行通讯结构，由主控制板至功率单元定义为收的串行通讯，由功率单元至主控制板定义为发的串行通讯。输入的串行通讯信号首先经过输入缓冲滤波电路滤除干扰信号，增强信号的电流驱动能力，增强抗干扰能力，最大限度地减少了通讯时候的电磁干扰影响。因为包括与可编程逻辑器件连接的并与功率单元内的元器件地址相对应的地址拨位开关，保证了传送命令准确可靠。通过温度传感器测得功率单元内元器件的温度和传输特征曲线调整元器件的开通电压，以使元器件的开通损耗达到最优。

Description

一种高压变频器的功率单元控制板

技术领域

本发明涉及一种控制板，特别是涉及一种高压变频器的功率单元控制板。

背景技术

实际应用中，高压变频调速技术主要应用于高压电机调速系统，以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和广泛的适用范围等其他许多优点而被公认为是最有发展前途的调速方式。在风机、泵类等负载工况变化比较大的情况下，采用交流调速技术，节能效果明显，能达到节能减排的目的。

高压变频器的发展经历了多种拓扑结构，到目前为止，还没有形成统一的拓扑结构。目前，市场上最为流行的如电压源型、单元串联多电平拓扑结构（美国专利4674024，5625545和5986909）。单元串联式多电平高压变频器采用若干个独立PWM变频功率单元串联的结构，用多个低压功率单元串联后实现高压输出，并通过优化PWM算法来改善输出电压波形（参见图1、图2所示）。图1是6KV串联式高压变频器的结构示意图，如图1所示，三相的每一相上有5个串联的功率单元。如图2所示，串联式高压变频器三相中的每一相上有5个串联的功率单元。

由图1、图2可见，功率单元是构成电压式串联型高压变频器的基本单元，功率单元的可靠性关乎整个设备的可靠性，对于功率单元的设计，业界基本的设计框架如图3所示。

三相交流电从A0，B0，C0处输入，通过融断器F1，F2和F3后进行全波整流(D1，D2，D3，D4，D5和D6)，整流后的直流电给电容C1、C2和C3充电，电容上的电压直接由Q1，Q2，Q3和Q4这四个IGBT器件组成的H桥来控制。Q1和D4开通(Q3和Q2处于关闭状态)的时候，功率单元的输出端T1，T2之间的电压就等于正的母线电压，当Q3和Q2开通(Q1和Q4处于关闭状态)的时候，功率单元的输出端T1，T2之间的电压就等于负的母线电压。实际控制中，功率单元控制电路板接收来自高压变频器的主控制电路板的命令（功率单元控制电路板和主控制电路板之间的通讯是利用光纤的数字通讯）实行对Q1，Q2，Q3和Q4的开通与关断控制。

如前所述，功率单元对串联式多电平高压变频器的可靠性能起着至关重要的作用，所以设计稳定可靠的功率单元成为研发高可靠性串联式多电平高压变频器的重要工作。实际应用中，功率单元的可靠性并不尽如人意，通常工作不超过半年时间就需要维护或者更换，下面列举了功率单元的两个主要故障：

A、抗电磁干扰能力有限。串联式多电平高压变频器的各个功率单元一直工作在高频、大电流和高电压的环境中，因此，功率单元控制电路板的电磁工作环境非常恶劣。但是，每时每刻，功率单元控制电路板必须保持和主控电路板之间的正常通讯（接收对Q1，Q2，Q3和Q4的控制命令以及发送本地功率单元的运行状态等，通讯不正常意味着功率单元故障）。虽然目前所有现有产品是使用光纤作为功率单元控制电路板和主控制电路板之间的物理通讯媒介，运行在光纤中的信号不受电磁辐射的干扰。但是因为功率单元控制电路板自身是工作在恶劣的电磁辐射环境中，通讯信号在功率单元控制电路板上有可能受到强干扰，造成对Q1，Q2，Q3和Q4的开关不正确，或者造成主控制板错误收取功率单元的信息从而产生误判。

B、IGBT器件组成的H桥工作温度太高导致功率单元无法继续工作。由于H桥（Q1，Q2，Q3和Q4共四个IGBT器件组成）工作在频繁的导通和截止状态，开通和关闭的时候都会有一定的功率损耗，损耗的功率转化成热量会造成功率单元的温度上升，如果功率单元散热状况不好（整机换风通道出现问题，外部空气环境温度过高等因素均可能导致这种现象出现），长时间运行后不可避免地造成工作温度过高从而损坏元器件的现象。IGBT器件的功率损耗与IGBT器件的驱动电压Vgs以及IGBT器件的工作温度相关，增加IGBT器件的开通驱动电压Vge能减小IGBT器件开通时候的功率损耗，但开通电压不能无限制增加，当大于一定的值的时候会损坏IGBT器件自身。因此，综合考虑电路电感和寄生电容等因素的时候，一般情况下，目前IGBT器件的开通电压都是固定在一个厂家认为的安全值，但所谓的安全值并非使IGBT器件损耗最小的最佳值。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压变频器的功率单元控制板，克服上述已有技术中容易出现的两个主要故障，一是增强功率单元控制板的抗干扰能力，最大限度地减少功率单元控制板与主控制板通讯时候的电磁干扰影响；另一个目的是通过对功率单元中的元器件（IGBT器件）的温度监测以及元器件（IGBT器件）的特征曲线来调节元器件（IGBT器件）的开通电压，使元器件（IGBT器件）的开通损耗达到最优。

为达到上述的目的，本发明的技术解决方案是：

一种高压变频器的功率单元控制板，所述功率单元控制板连接于所述高压变频器的主控制板（以下简称主控制板）与所述高压变频器的功率单元（以下简称功率单元）之间，是收和发的串行通讯结构。由主控制板至功率单元定义为收的串行通讯，由功率单元至主控制板定义为发的串行通讯：

所述功率单元控制板包括光纤收发器，输入缓冲滤波电路，可编程逻辑器件，与输入缓冲滤波电路和可编程逻辑器件连接的晶振器件，与可编程逻辑器件连接的并与所述功率单元内的元器件地址相对应的地址拨位开关，光电隔离器，数模转换器，温度传感器，模数转换器以及输出缓冲器；

所述由主控制板至功率单元定义为收的串行通讯，是由光纤收发器接收主控制板发出的串行通讯信号，经过输入缓冲滤波电路和与其连接的晶振器件滤除干扰信号，增强信号电流后输入可编程逻辑器件，可编程逻辑器件接收并解析该串行通讯信号的串行数据包的内容，根据串行数据包的内容，串行数据包内的地址数据与所述地址拨位开关中的地址数据进行比较，当串行数据包中的地址数据和地址拨位开关中的地址数据一致时，向与地址拨位开关相对应的功率单元内的元器件发出相应的控制命令信号或者根据串行数据包的要求发送监控数据信号，该信号通过光电隔离器和数模转换器送达到所述功率单元；

所述由功率单元至主控制板定义为发的串行通讯，是由温度传感器测得的所述功率单元内元器件的温度通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号后输入到可编程逻辑器件内，可编程逻辑器件根据主控制板所发出的串行数据包内容的要求，将所述功率单元内元器件的开关状态、电压、电流以及由温度传感器测得的温度通过输出缓冲器和光纤收发器发送给所述主控制板；

可编程逻辑器件还根据由温度传感器测得的温度与所述功率单元内元器件的温度和元器件电压的关系发出对该元器件调整开通电压的信号，该调整开通电压的信号通过光电隔离器，数模转换器以及所述功率单元内元器件的驱动电路来调整该元器件的开通电压。

进一步，所述可编程逻辑器件内通讯协议的串行数据包的内容包括帧头，功率单元地址，命令数据，数据校验，应答数据和帧结束。

另外，本发明所述输入缓冲滤波电路包括缓冲器和与其输出端连接的由逻辑器件串联构成的滤波电路。

所述功率单元内的元器件是IGBT电子元器件。

本发明的功率单元控制板具有显著的优点。

如上述本发明的结构，因为，本发明在所述由主控制板至功率单元为收的串行通讯中，由主控制板发出的串行通讯信号通过光纤收发器接收后，首先经过输入缓冲滤波电路和与其连接的晶振器件滤除干扰信号，增强了信号的电流驱动能力，满足了后续电路的电流驱动要求，增强了抗干扰能力，最大限度地减少了本发明的功率单元控制板与所述主控制板之间通讯的时候电磁干扰影响。所以，本发明的功率单元控制板增强了工作稳定性和可靠性，以及延长了它的使用寿命。

如上述本发明的结构，因为，本发明在所述由主控制板与功率单元收的串行通讯中，包括与可编程逻辑器件连接的并与所述功率单元内的元器件地址相对应的地址拨位开关。经过滤波和增大电流的串行通讯信号进入可编程逻辑器件后，可编程逻辑器件接收并解析该串行通讯信号的串行数据包的内容，根据串行数据包的内容，对于串行数据包内的地址与所述地址拨位开关进行比较，只有当串行数据包中的地址数据一定和“地址拨位开关”中的地址数据一致时，才向与地址拨位开关相对应的功率单元内的元器件地址发出控制命令。由于串行数据包中的地址数据与可编程逻辑器件中的地址数据一模一样，所以，通过与功率单元内的元器件地址相对应的地址拨位开关也就保证了串行数据包所要送达的功率单元内元器件的地址是一致的。而不同的地址数据从中被剥离出来。因此，本发明的功率单元控制板不仅传送命令准确可靠，而且维护控制板简单方便。

如上述本发明的结构，因为，本发明在所述由功率单元至主控制板定义为发的串行通讯，是由温度传感器实际测得的所述功率单元内元器件（如IGBT器件）的温度通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号后输入到可编程逻辑器件内，可编程逻辑器件一方面根据主控制板所发出的串行数据包内容的要求，将该由温度传感器测得的温度通过输出缓冲器和光纤收发器发送给主控制板；另一方面根据由温度传感器测得的温度与功率单元内元器件（如IGBT器件）的温度与电压的特征曲线关系发出对该元器件调整开通电压的信号，该调整开通电压的信号通过光电隔离器，数模转换器以及功率单元内元器件的驱动电路来调整该元器件（IGBT器件）的开通电压，使元器件（IGBT器件）的开通损耗达到最优。

附图说明

图1是6KV串联式高压变频器的结构示意图；

图2是串联式高压变频器每一相有5个功率单元串联的结构示意图；

图3是功率单元一典型结构的示意图；

图4是本发明功率单元控制板一实施例的结构示意图；

图5是图4中输入缓冲滤波电路一实施例的结构示意图；

图6是所述功率单元中元器件IGBT的传输特性和温度关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明功率单元控制板的结构特征。

如图3所示，本发明所述的功率单元控制板（或成为功率单元控制电路板）连接于所述高压变频器的主控制板（或称主控制电路板）与所述高压变频器的功率单元之间，是收和发的串行通讯结构，由主控制板至功率单元定义为收的串行通讯，由功率单元至主控制板定义为发的串行通讯。

如图4所示，本发明所述功率单元控制板包括光纤收发器1，输入缓冲滤波电路2，可编程逻辑器件3，与输入缓冲滤波电路2和可编程逻辑器件3连接的晶振器件4，与可编程逻辑器件3连接的并与所述功率单元内的元器件地址相对应的地址拨位开关5，光电隔离器12，数模转换器11，温度传感器6、7、8、9，模数转换器10以及输出缓冲器13。

如图4所示，所述主控制板至功率单元定义为收的串行通讯是由光纤收发器1接收主控制板发出的串行通讯信号经过输入缓冲滤波电路2滤波和增强电流信号后输入可编程逻辑器件3，可编程逻辑器件3接收并解析该串行通讯信号的串行数据包（或称串行数据帧）的内容，根据串行数据包的内容，串行数据包内的地址数据与所述地址拨位开关5中的地址数据进行比较，当串行数据包中的地址数据和地址拨位开关5中的地址数据一致时，向相应地址的元器件发出相应的控制命令信号或者根据串行数据包的要求发送监控数据信号，该信号通过光电隔离器12和数模转换器11送达到所述功率单元。

如图4所示，所述由功率单元至主控制板定义为发的串行通讯，是由温度传感器6、7、8、9测得的所述功率单元内元器件Q1、Q3、Q4、Q2的温度通过模数转换器10将模拟信号转换成数字信号后输入到可编程逻辑器件3，可编程逻辑器件3根据主控制板所发出的串行数据包内容的要求，将所述功率单元内元器件Q1、Q2、Q3、Q4的开关状态、电压、电流以及由温度传感器测得的温度通过输出缓冲器13和光纤收发器1发送给所述主控制板。

如图4所示，可编程逻辑器件3还根据温度传感器6、7、8、9实测的温度与所述功率单元内元器件Q1、Q2、Q3、Q4的温度和元器件电压的关系曲线（如图6所示的温度与电压的特征曲线）发出对该元器件Q1、Q2、Q3、Q4调整开通电压的信号，该调整开通电压的信号通过光电隔离器12，数模转换器11以及所述功率单元内元器件的驱动电路来调整该元器件Q1、Q2、Q3、Q4的开通电压，以使元器件Q1、Q2、Q3、Q4的开通损耗达到最优。

在本实施例中，所述可编程逻辑器件3采用Altera公司提供的CycloneV系列的5CEA7。内部可烧录专用如上述本发明所用的通讯协议程序。所述可编程逻辑器件3内通讯协议（为本发明专用的）的串行数据帧（串行数据包）所包括的内容如表1所示。

表1

帧头

功率单元地址

命令数据

数据校验

应答数据

帧结束

如表1所示，所述可编程逻辑器件3内通讯协议的串行数据包（串行数据帧）的内容包括帧头，功率单元地址，命令数据，数据校验，应答数据和帧结束。其中“帧头”是用来标识一帧数据的起始；功率单位地址是指所述高压变频器功率单元内元器件的地址（用以和上述与功率单元内元器件地址相对应的“地址拨位开关”中的数据进行比对），不同的功率单元的元器件有不同的地址；命令数据是主控制板要和功率单元真正通讯的内容，包括要求发送监控数据（温度，电压，电流等）或者对Q1，Q2，Q3和Q4的开关控制命令。如果某种原因（电磁干扰或者主控制板故障），地址错误或者校验错误，功率单元控制板必须在应答数据中发送错误提示和重发要求。

在本实施例中，所述输入缓冲滤波电路2包括缓冲器和与其输出端连接的由逻辑器件串联构成的滤波电路。如图5所示，在本实施例中，缓冲器21（在本实施例中采用由DIODE公司提供的74LVC1G07SE-7芯片）是用来增强信号的电流驱动能力，满足后续电路的电流驱动要求。如图5所示，在本实施例中，滤波电路22是由三个逻辑器件（或称逻辑芯片）U6、U7、U8串联构成（在本实施例中，U6、U7、U8采用TI公司的SN74AUC1G74芯片）。缓冲器21输出的信号一路直接进入滤波电路22中的逻辑器件U6（D触发）；另外一路作为逻辑器件U6，U7（D触发）和U8（D触发）的复位输入。晶振器件4输出的晶振信号作为逻辑器件U6，U7和U8的时钟信号。在缓冲器21的输出信号为高，晶振信号由低变高的时候，逻辑器件U6，U7和U8的D端信号被锁存到Q端（缓冲器的输出信号为高的宽度大于晶振信号为高的宽度的3倍的时候，U8的输出Q端为高）；当缓冲器21输出信号为低，晶振信号的变化将被忽略，U8的输出Q端被强制拉低。因此，根据串行通讯的速度选择适当的晶振信号，可以滤除不想要的干扰信号（例如，串行通讯的速率是5KHz，选择24KHz的晶振信号，利用本电路就可以滤除8KHz以上速率的干扰信号）。

在本实施例中，所述功率单元内元器件Q1、Q2、Q3、Q4是IGBT电子元器件。图6是所述功率单元中元器件IGBT的传输特性和温度关系曲线图。如图6所示，元器件IGBT的集电极导通电流Ic（集电级的电流）和开通电压Vge之间在不同温度Tj（IGBT结温）下的传输特性。图6中，在Vce(IGBT的集电极和发射极之间的电压)不变的情况下，Tj在125℃（图6中实曲线）和25℃（图6中的虚曲线）的时候，Ic随Vge变化的曲线（在其余的温度下有相同的物理现象）。图6中的曲线说明了在不同的温度下面，微调整Vge，就可以调整IGBT的开通损耗（开通损耗=Vce*Ic。Vge变化的情况下，如果Vce不变，则Ic变化。如果Ic不变，则Vce变化。无论何种情况，均能调节开通损耗）。

如图4所示，元器件IGBT Q1、Q2、Q3、Q4的温度通过温度传感器6、7、8、9感知后传送到模数转换电路10，然后进入可编程逻辑器件3，可编程逻辑器件根据由温度传感器6、7、8、9测得的温度和开通电压Vge之间的关系（已经存储在可编程逻辑器件里面）来调整元器件IGBT开通电压Vge的大小。可编程逻辑器件给元器件IGBT Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号首先通过光电隔离器，然后再进行数模转换，转换后的模拟信号通过元器件IGBT驱动电路来调整元器件IGBT的开通电压Vge。

同时，本发明所述的功率单元控制板还可以根据主控制板发过来的信号优化或者调整元器件IGBT的开通电压Vge。这样在驱动不同型号的元器件IGBT的时候不需要更换功率单元控制板上其它的元器件。

Claims (4)

1.一种高压变频器的功率单元控制板，所述功率单元控制板连接于所述高压变频器的主控制板与所述高压变频器的功率单元之间，是收和发的串行通讯结构，由所述高压变频器的主控制板至所述高压变频器的功率单元定义为收的串行通讯，由所述高压变频器的功率单元至所述高压变频器的主控制板定义为发的串行通讯；其特征在于：

所述功率单元控制板包括光纤收发器，输入缓冲滤波电路，可编程逻辑器件，与输入缓冲滤波电路和可编程逻辑器件连接的晶振器件，与可编程逻辑器件连接的并与所述功率单元内的元器件地址相对应的地址拨位开关，光电隔离器，数模转换器，温度传感器，模数转换器以及输出缓冲器；

所述由高压变频器的主控制板至高压变频器的功率单元定义为收的串行通讯，是由光纤收发器接收主控制板发出的串行通讯信号，经过输入缓冲滤波电路和与其连接的晶振器件滤除干扰信号，增强信号电流后输入可编程逻辑器件，可编程逻辑器件接收并解析该串行通讯信号的串行数据包的内容，根据串行数据包的内容，串行数据包内的地址数据与所述地址拨位开关中的地址数据进行比较，当串行数据包中的地址数据和地址拨位开关中的地址数据一致时，向与地址拨位开关相对应的功率单元内的元器件发出相应的控制命令信号或者根据串行数据包的要求发送监控数据信号，该信号通过光电隔离器和数模转换器送达到所述高压变频器的功率单元；

所述由高压变频器的功率单元至高压变频器的主控制板定义为发的串行通讯，是由温度传感器测得的所述功率单元内元器件的温度通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号后输入到可编程逻辑器件内，可编程逻辑器件根据主控制板所发出的串行数据包内容的要求，将所述功率单元内元器件的开关状态、电压、电流以及由温度传感器测得的温度通过输出缓冲器和光纤收发器发送给所述高压变频器的主控制板；

可编程逻辑器件还根据由温度传感器测得的温度与所述功率单元内元器件的温度和元器件电压的关系发出对该元器件调整开通电压的信号，该调整开通电压的信号通过光电隔离器，数模转换器以及所述功率单元内元器件的驱动电路来调整该元器件的开通电压。

2.根据权利要求1所述的高压变频器的功率单元控制板，其特征在于，所述可编程逻辑器件内通讯协议的串行数据包的内容包括帧头，功率单元地址，命令数据，数据校验，应答数据和帧结束。

3.根据权利要求1所述的高压变频器的功率单元控制板，其特征在于，所述输入缓冲滤波电路包括缓冲器和与其输出端连接的由逻辑器件串联构成的滤波电路。

4.根据权利要求1所述的高压变频器的功率单元控制板，其特征在于，所述功率单元内的元器件是IGBT电子元器件。

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