一种高压船舶岸电功率单元的制作方法

本实用新型涉及电功率转化领域，具体来说，涉及一种高压船舶岸电功率单元。

背景技术：

针对现有单元为基于cpld(epm7160)与单片机协同工作，对单元逆变桥工作情况进行监控，cpld主要完成对光纤发送来的pwm信号和控制指令进行译码，另外还对单元的外围电路参数进行采集判断，单片机功能集中在对cpld内部的一些模块进行复位，以及进行单元自身的复位和旁通，做到在发生故障时首先单元对自己进行封锁。

由于功率单元工作在高压和大电流环境下，就必须要对其提供尽可能的保护，无论从供电电压，还是工作环境，具体到逆变器的工作情况都要全面进行监控，这样才能保证功率单元在出现故障时作出相应的响应，做到对单元最大化的保护。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高压船舶岸电功率单元，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高压船舶岸电功率单元，包括整流桥、电解电容、均压电阻、igbt模块、旁路、温度继电器、单元控制板、驱动板；

所述整流桥由二极管三相全桥进行不控全波整流，其作用是将移相变压器副边绕组输出的690v交流电转变成980v的直流电；

所述电解电容与均压电阻形成滤波电路，从移相变压器副边绕组输出的交流电是一个畸波电流，只有通过电解电容对其进行平滑滤波之后，才会得到较好的直流波形；

在一个功率单元里有两个igbt模块，他们共同组成功率模块的逆变电路，由变压器的副边绕组供电，经整流电路、滤波电路后，由4个igbt以pwm方法进行控制，输出可变频、变压的交流电，igbt模块作为大功率电子器件，其具有工作频率高、驱动功率小、开关能耗小等优点；

所述温度继电器安装在功率单元内igbt模块之间，且每一个功率单元里并联安装了两个温度继电器，温度继电器主要用于测量功率单元的温度；

所述旁路和单元控制板、驱动板信号连接；

所述驱动板与igbt模块电性连接，驱动板用于给igbt模块发出驱动信号，并给旁路里的可控硅发出触发信号，功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电，经整流、滤波后由4个igbt以pwm方法进行控制，输出可变频、变压的交流电，多台功率单元串联叠加后可输出60hz、线电压6.6kv的三相交流电。

进一步的，包括三个电解电容和三个均压电阻，一个电解电容与一个均压电阻并联形成滤波电路，三个电解电容与三个均压电阻形成三个滤波电路，均压电阻是为了保证同一功率单元内电解电容分压一致；

进一步的，所述单元控制板是系统的控制器与功率单元之间的通讯接口，控制器发给功率单元的命令，由单元控制板接受并转发；功率单元需要传递给控制器的信号，如：功率单元报过压、欠压、过热、过流、光纤等故障，或者启动旁路信号，都需要单元控制板转发给控制器。

进一步的，所述单元控制板与主控制器信号连接，来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，在控制信号处理电路中产生igbt的驱动信号，经过相应的驱动电路后，驱动igbt。

进一步的，同型号电源中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，这方便了更换，为日后的维护带来快捷和便利。

进一步的，功率单元配有集中冷却风机，冷却igbt等半导体器件，来自主控制器的控制信号和送往主控制器的应答信号都经过光缆传送，既有高的电隔离能力，又有高的抗电磁干扰性能。

进一步的，功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。当有故障信息时，主控制器将发出控制信号，干预功率单元的运行。

本实用新型的有益效果：

1、采用igbt功率模块，低压差，损耗小，效率高。无需功率器件串联。

2、采用优化空间矢量pwm控制，谐波成分很小，运行平稳。

3、单元故障自旁通功能。

附图说明

图1为本实用新型的功率单元的原理结构示意图；

图2为本实用新型的功率单元的基本功能模块结构示意图；

图3为本实用新型的单元故障分类图；

图4为本实用新型的故障分类级别图；

图5为本实用新型的pwm信号编码结构示意图；

图6为本实用新型的双边沿驱动原理结构示意图；

图7为本实用新型的pwm信号调节原理结构示意图；

图8为本实用新型的译码模块结构示意图；

图9为本实用新型的旁通信号生成电路结构示意图；

图10为本实用新型的启动信号生成电路结构示意图；

图11为本实用新型的驱动使能信号结构示意图；

图12为本实用新型的单片机主程序流程结构图；

图13为本实用新型的cpld主框架结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-13，本实用新型提供了：本实用新型提供如下技术方案：一种高压船舶岸电功率单元，包括整流桥、电解电容、均压电阻、igbt模块、旁路、温度继电器、单元控制板、驱动板；

所述整流桥由二极管三相全桥进行不控全波整流，其作用是将移相变压器副边绕组输出的690v交流电转变成980v的直流电；

所述电解电容与均压电阻形成滤波电路，从移相变压器副边绕组输出的交流电是一个畸波电流，只有通过电解电容对其进行平滑滤波之后，才会得到较好的直流波形；

在一个功率单元里有两个igbt模块，他们共同组成功率模块的逆变电路，由变压器的副边绕组供电，经整流电路、滤波电路后，由4个igbt以pwm方法进行控制，输出可变频、变压的交流电，igbt模块作为大功率电子器件，其具有工作频率高、驱动功率小、开关能耗小等优点；

进一步的，所述温度继电器安装在功率单元内igbt模块之间，且每一个功率单元里并联安装了两个温度继电器，温度继电器主要用于测量功率单元的温度；

所述旁路和单元控制板、驱动板信号连接；

所述驱动板与igbt模块电性连接，驱动板用于给igbt模块发出驱动信号，并给旁路里的可控硅发出触发信号，功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电，经整流、滤波后由4个igbt以pwm方法进行控制，输出可变频、变压的交流电，多台功率单元串联叠加后可输出60hz、线电压6.6kv的三相交流电。

包括三个电解电容和三个均压电阻，一个电解电容与一个均压电阻并联形成滤波电路，三个电解电容与三个均压电阻形成三个滤波电路，均压电阻是为了保证同一功率单元内电解电容分压一致；

所述单元控制板是系统的控制器与功率单元之间的通讯接口，控制器发给功率单元的命令，由单元控制板接受并转发；功率单元需要传递给控制器的信号，如：功率单元报过压、欠压、过热、过流、光纤等故障，或者启动旁路信号，都需要单元控制板转发给控制器。

进一步的，所述单元控制板与主控制器信号连接，来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，在控制信号处理电路中产生igbt的驱动信号，经过相应的驱动电路后，驱动igbt。

进一步的，同型号电源中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，这方便了更换，为日后的维护带来快捷和便利。

进一步的，功率单元配有集中冷却风机，冷却igbt等半导体器件，来自主控制器的控制信号和送往主控制器的应答信号都经过光缆传送，既有高的电隔离能力，又有高的抗电磁干扰性能。

进一步的，功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。当有故障信息时，主控制器将发出控制信号，干预功率单元的运行。

进一步的，图2为功率单元的基本功能模块图，图中显示出单元分为光纤接受模块，外围电路检测和数据采集模块，驱动模块和工作状态显示。单元的最基本和主要的功能就是通过高速光纤接收控制系统发送的pwm和控制调制信号，并通过cpld对接收到的信号进行解调用于对单元正常工作的控制。另一方面单元不是一个被动接收机，单元针对自己所要实现的功能要对外围工作环境和功率模块进行检测判断，这就是单元所主要实现的功能即对功率部分提供强有力的保护，保证单元的igbt模组工作于正常的条件下，可以说单元的控制驱动就是为了确保igbt实现高效驱动。

进一步的，单元将各类故障信息归类，分为4个等级的，因此整个系统就将对上述故障分为两个处理等级即单元自身主动旁通，另一种情况为单元继续运行，同时报警。这样可将故障分类为即时发生与间隙发生，重大故障与报警故障。即即时发生的故障(完全由外围电路产生的开关信号)不需要软件对其进行处理，但间隙性的故障(周期性的方波信号)就需要软件定期对其进行检测，需要满足一定的时序要求。如图3即为单元故障分类图，可见一些即时性的故障控制部分很快就可以检测到，但对于一些开关信号就需要采用一些算法对其进行跟踪检测，对于各类故障单元有的进行旁通处理，有的自封锁停机，另一种情况即为继续运行但报警。针对不同的故障单元分门别类的，对于自旁通和停机单元具有相同的故障内容。主要区别在npwm信号的处理，当无pwm信号时首先停机，在延时3.2ms后若还无pwm信号再执行旁通，同时单元对于不同报警级别的故障通过报警灯闪烁和长亮来区别报警等级，图4为故障分类级别。对于长亮型的执行停机处理，而对于闪烁型的则以继续运行处理。

进一步的，作为功率单元的主要处理的信号就是pwm编码信号，图5为pwm信号编码原理，图6为双边沿驱动原理，由于单元是通过光纤来接收控制系统的信号的，其本质就是一个被动接收机，单元解码模块由cpld来完成，对于控制传输的一系列信号中的pwm进行解码，就要先了解控制的pwm信号是怎么编码的，对输入脉冲进行计数，在连续8个clk后，判为+信号，在连续16个clk后，判为-信号。

进一步的，功率单元包括16种故障，分别在cpld和单片机中采集产生，在cpld中的包括2个字节的状态位(有些状态位用于后期的故障判断包括pwm信号判断，igbt工作故障)，1个字节的故障位，另外还包括在单片机内处理的输入母线电压的过欠压，缺相等；

编码信号除了pwm+-之外，还有启动允许，停止(控制停止和自停止)，旁通，未旁通(复位，控制旁通和自旁通)。分别对应40，24，32，48个clk编码结构。除了pwm信号利用一种特殊机制进行解码外，其他的状态信号解码均通过脉冲计数完成。现就这两种解码原理进行解说。

图7为pwm信号调节原理图，pwm信号解调的基本原理是通过单稳态触发器1输出约定被解调信号周期一半时间的高电平，后经过一个非门，单稳态触发器1的下降沿即为单稳态触发器2的输出上升沿触发点，同样单稳态2的输出高电平也为一半被解调信号周期。最后单稳2的输出与光纤信号经过异或门得到解调信号，异或门后的两个模块为判断非本调制信号，只有适合单稳态触发器的高电平时间的那个信号才可以被解调，当非本频率的信号进入，异或门将输出带有间隙’0’电平的信号，在经过一个上升沿延时上升电路后即可被计数脉冲模块将非本调制信号滤除。

在cpld具体设计中又增加了一些同步电路，这样在牺牲很小的占空比情况下完成对给定信号的解码。

控制信号解调发生模块输入由光纤信号经过一个非门与4个d触发器进入，控制量分为旁通，未旁通(控制复位)，停止，启动。待解码信号经过三个时钟的延时(主要是为后面的脉冲计数提供同步信号)。当待解调信号输入计数器，使能计数器的计数，此时开始计数，计数器为8位计数，取其中的3～6位作为译码器的输入，译码器的输出o3(0011),o4(0100),o5(0101),o6(0110)对应控制指令停止，旁通，启动，未旁通(复位)。如图8中的gin输入端为待解调信号的下降沿捕获脉冲输入端，用于使能译码器的译码输出，译码器的输出为调制信号的下降沿单脉冲，他的输出使能后级的计数器，即计数器工作于单脉冲计数状态，当计满8个脉冲时确定为控制调制信号触发相应的控制电路。

进一步的，图9为旁通控制输出，当解调得到旁通信号时由rs触发器输出置位变高使能旁通信号，中间的一个或门的另一个输入为由单片机给出的单元自旁通信号，但在单片机程序中已将此信号屏蔽。

进一步的，启动触发信号输入rs触发器s,为单脉冲使能，其s端两个信号为停止信号和单片机软件停止，据分析对于单片机的软件停止(复位)除用于上电复位驱动315和pwm解调模块以外，在此同样用于停止单元工作的信号显得有点多余，因为在单元最终的使能输出中已经有了单片机的使能输出控制信号。

控制复位和为旁通公用一路信号，复位信号主要实现在单元工作中如出现故障停机后人工复位功能。因为不需要复位信号在发出复位命令后始终为高电平，图10的下半部分电路主要实现两个clk的复位脉冲。

进一步的，图11为最终用于使能315输出的驱动使能信号组成，它分别受控于控制旁通信号，自旁通信号(被屏蔽)，无模块过流信号，有pwm信号。只要不符合其中一个信号都不能启动单元工作。此外cpld还要对pwm解调模块进行pwm信号监控，对于正负半周输出的pwm信号经过一个或门后成为全波输出pwm信号，其周期为780us，无论其占空比如何只要有一个时钟脉冲存在都将置位rs触发器，使1nh3为高电平，代表有pwm信号被解调，rs触发器的r端有一个

进一步的，单片机完成单元上电延时启动复位外部电路，采集由cpld采集的数据，除状态1和故障外，还要对7个与pwm信号和igbt导通信号进行处理。

进一步的，在改进的平台中要将单片机的一些控制，判断比较单元，串口发送集成到cpld中来执行。因此cpld要能够完成大量的逻辑判断和时序流程的任务，因此对cpld提出了需要大量硬件资源来支持改进平台的软件结构。对于原有平台，其软件几乎耗尽了7160的宏单元，经分析旧有平台软件还有很多可以优化，删除的余地，因此可以将原有软件进一步简化，只保留其可用的pwm解调算法和控制信号解码，外围检测电路信号采集等主要功能单元。改进平台的大体框架如图13。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”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”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。