一种基于模块设计的APF模组级控制电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体来说是一种基于模块设计的APF模组级控制电路。

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背景技术：
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电力电子是指使用电力电子器件(如晶闸管，GTO，IGBT等)对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术得到了广泛的应用，给人们生活带来了极大的便利，但在一些特殊行业中，比如说数据中心、医院等，电力电子设备的使用同时也给电网带来了严重的污染。由于数据中心、医院等要求供电的电能质量需满足行业的最高标准，否则就会严重干扰计算机和精密仪器；而在地铁行业中，大规模的电力电子驱动设备的应用，也会严重污染城市电网，给电网设备和居民用电带来安全隐患。针对该问题，现有的解决方案是通过有源电力滤波器(APF)实时监测电网电流，其原理是：通过快速傅里叶变换，将电网电流分解得到基波电流幅值和相位及各次谐波电流幅值和相位，再根据APF人机界面设定，产生特定次幅值相同，相位相反的谐波，从而消除电网的谐波电流，达到净化电网的目的。然而，APF本身也是电力电子产品，也是通过PWM调制实现上述的功能，那么APF必然会产生高频谐波电压和电流，对电网进行二次污染，因此，有必要设计一种滤波装置来滤除高频谐波。

目前，APF设计方案主要有两种，第一种是一体化设计，该种设计方案主要在APF早期比较流行的一种方案，虽然可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高，不利于推广使用；第二种是模块化设计，也就是设计一种功率适中，技术成熟的模组，是根据现场实际需要的APF功率的大小来决定需要模组的数量，有效降低使用成本，因此，APF一体化设计是主流设计方案。

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技术实现要素：
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本实用新型是针对上述的APF设计方案，研发了一种既能和APF总控制器通信又能控制改模组正常运行的基于模块设计的APF模组级控制电路。

为了实现上述目的，设计一种基于模块设计的APF模组级控制电路，所述的APF模组级控制电路包括APF主控制器、FPGA控制模块、BUS电压监测电路、电流检测电路、AD转换电路及光纤通信电路，所述的电流检测回路和BUS电压监测电路分别接至AD转换电路后连接FPGA控制模块，并将各自输出的模拟量输入到AD转换电路内，AD转换电路将输入的模拟量转换为数字量传输给FPGA控制模块，FPGA控制模块从而经光纤通信电路与APF主控制器连接并进行通讯。

所述的APF模组级控制电路还包括驱动信号电路、继电器控制回路、温度检测回路及风扇控制电路，所述的FPGA控制模块分别连接驱动信号电路、继电器控制回路、温度检测回路及风扇控制电路，FPGA控制模块输出数字信号至其连接的风扇控制回路，从而控制风扇运转，温度检测回路连接至FPGA控制模块检测IGBT内部节点温度，并将检测到的温度反馈给FPGA控制模块。

所述的光纤通信电路由芯片U8、三极管Q3、电阻R25、电阻R26、电容C82、电容C83组成，芯片U8的1号管脚连接至三极管Q3的发射极，并抽头一端并联电阻R25、电阻R26、电容C82、电容C83后接至+5V直流电压，芯片U8的2号管脚、3号管脚、4号管脚、5号管脚、8号管脚接地，所述的三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的基极接至FPGA控制模块。

所述的BUS电压监测电路的连接器CN10的2号端作为BUS+极依次串联电阻R12、电阻R6、电阻R7、电阻R5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4后接至放大器U7A的3号输入正端，放大器U7A的3号输入正端并联电容C109后接地，连接器CN10的1号端作为BUS-极依次串联电阻R16、电阻R21、电阻R15、电阻R20、电阻R18、电阻R13、电阻R19、电阻R14后接至放大器U7D的12号输入正端，放大器U7D的12号输入正端并联电容C112后接地，放大器U7A的3号输入正端与放大器U7D的12号输入正端之间串联电阻R22、滑动电阻VR1、电阻R24，放大器U7A的2号输入负端与1号输出端之间接有电阻R87，放大器U7A的2号输入负端串联电阻R88后与放大器U7D的13号输入负端相连，放大器U7A的1号输出端串联电阻R54、电阻R83后连接至放大器U7B的7号输出端，在电阻R54与电阻R83之间抽出一端连接至放大器U7B的6号输入负端，放大器U7D的13号输入负端与14号输出端之间接有电阻R62，放大器U7D的14号输出端连接电阻R53后连接至放大器U7B的5号输入正端，放大器U7B的5号输入正端另抽出一端连接电阻R68后接地，放大器U7B的7号输出端串联电阻R52、电阻R91后接至放大器U7C的9号输入负端，电阻R52与电阻R91之间抽出一端连接电阻R90后接至放大器U7C的8号输出端，放大器U7C的10号输入正端接地，并抽出一端接电容C110后接至电阻R52一端，放大器U7C的9号输入负端与放大器U7C的8号输出端之间接有电容C111，放大器U7C的8号输出端连接至AD转换电路。

所述的AD转换电路接收电流检测回路和BUS电压监测电路输出的信号，电流检测回路的输出信号连接电阻R193后接至放大器U23C的正输入端，另抽出一端连接电阻R189后接至芯片U29的5号管脚，放大器U23C的负输入端连接电阻R184后接地，放大器U23C的输出端接至芯片U29的4号管脚，在放大器U23C的输出端与放大器U23C的负输入端之间接有电阻R190；BUS电压监测电路的输出信号连接电阻R191后接至放大器U23B的正输入端，另抽出一端连接电阻R107后接地，放大器U23C的负输入端连接电阻R192后接地，放大器U23C的输出端接至芯片U29的8号管脚，在放大器U23C的输出端与放大器U23C的负输入端之间接有电阻R117，芯片U29的24号管脚并联电容C130及电容C131后接至+5V电压，芯片U29的13号管脚并联电容C107及电容C132后接至+5V电压。

所述的APF模组级控制电路由DC-DC电源转换供电电路进行供电，DC-DC电源转换供电电路将+15V电源转为±15V，±8V，+5V，+3.3V，+1.2V。

所述的FPGA模块包括FPGA芯片、供电电路、晶振电路、复位电路及EEPROM存储电路。

所述的风扇控制电路由FPGA控制模块控制，FPGA控制模块输出的脉冲信号接至IGBT管Q6的栅极，并抽出一端接+3.3V电压，IGBT管Q6的源极分别接三极管Q4、三极管UC2的基极，三极管Q4的集电极与三极管UC2的集电极相接后接至IGBT管Q2的栅极，IGBT管Q2的漏极接有静电抑制器D6防止静电击穿，IGBT管Q2的源极接至二极管D2的正极，并抽出一端接+15V电源，二极管D2的负极串联电阻R36后接至IGBT管Q6的源极，二极管D2负极另引出一端串联电容C161后与IGBT管Q2的漏极合并连接至电感L2一端，电感L2的另一端并联电容C57、极性电容C55后连接至信号输出端。

本实用新型同现有技术相比，其优点在于：

1.本电路中的BUS电压监测电路、电流检测电路都连接至AD转换电路，经AD转换电路将电流值传输给FPGA模块，电路结构简洁，既能有效降低产品生产及使用降低成本，减少产品维护费用，又使得现场调试更加简单，工作可靠；

2.APF主控制器与FPGA模块之间采用光纤通信电路，抗干扰能力更强；

3.设有风扇控制电路，可以实现扇热风扇的软起功能，风扇启动时冲击电流小，并能检测风扇的工作状态，能有效防止因风扇工作不正常而引起的模组温度高，从而导致IGBT损坏的情况；

4.设有温度检测回路，检测IGBT内部节点温度，能实时显示温度，并具有过温报警、超温自动停机的功能。

[附图说明]

图1是本实用新型的连接示意图；

图2是本实用新型中光纤通信电路的电路原理图；

图3是本实用新型中AD转换电路的电路原理示意图；

图4是本实用新型中BUS电压监测电路的电路原理示意图；

图5是本实用新型中风扇控制电路的电路原理图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本实用新型作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参见图1，本APF模组级控制电路包括APF主控制器、FPGA控制模块、BUS电压监测电路、电流检测电路、AD转换电路、光纤通信电路、驱动信号电路、继电器控制回路、温度检测回路及风扇控制电路，电流检测回路和BUS电压监测电路分别接至AD转换电路后连接FPGA控制模块，并将各自输出的模拟量输入到AD转换电路内，AD转换电路将输入的模拟量转换为数字量传输给FPGA控制模块，FPGA控制模块从而经光纤通信电路与APF主控制器连接并进行数据通讯；FPGA控制模块另外分别连接驱动信号电路、继电器控制回路、温度检测回路及风扇控制电路，FPGA控制模块输出数字信号至其连接的风扇控制回路，从而控制风扇运转，温度检测回路连接至FPGA控制模块检测IGBT内部节点温度，并将检测到的温度反馈给FPGA控制模块。其中的继电器控制回路主要是控制预充电电路；驱动信号电路是将FPGA模块发出的驱动信号进行处理，并传输给驱动板，同时还能检测驱动板的工作状态，一旦驱动板故障，该电路就能检测到，模组将自动停机，继电器控制回路及驱动信号电路为常规设计电路。整个电路由DC-DC电源转换供电电路进行供电，DC-DC电源转换供电电路根据现有电源转换电路设计，将+15V电源转为±15V，±8V，+5V，+3.3V，+1.2V，用以给各电路供电。

本实用新型中的APF主控制器是基于XILINX公司的FPGA，型号是XC6SLX9-3TQG114C为核心设计的模组级控制板，FPGA芯片较之DSP处理芯片，设计更加灵活，产品升级更加方便。FPGA控制模块中供电电路、晶振电路、复位电路及EEPROM存储电路，供电为DC1.2V，外部采用48MHz有源晶振，外扩2kB的EEPROM。由于芯片的供电电路、晶振电路、复位电路及EEPROM存储电路为常用芯片的外围设计电路，在此不做赘述。

FPGA控制模块与APF主控制器之间经光纤通信电路进行数据传输，光纤通信电路由芯片U8、三极管Q3、电阻R25、电阻R26、电容C82、电容C83组成，参见图2，芯片U8的1号管脚连接至三极管Q3的发射极，并抽头一端并联电阻R25、电阻R26、电容C82、电容C83后接至+5V直流电压，芯片U8的2号管脚、3号管脚、4号管脚、5号管脚、8号管脚接地，三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的基极接至FPGA控制模块。

BUS电压监测电路的电路图见图4，BUS电压监测电路的连接器CN10的2号端作为BUS+极依次串联电阻R12、电阻R6、电阻R7、电阻R5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4后接至放大器U7A的3号输入正端，放大器U7A的3号输入正端并联电容C109后接地，连接器CN10的1号端作为BUS-极依次串联电阻R16、电阻R21、电阻R15、电阻R20、电阻R18、电阻R13、电阻R19、电阻R14后接至放大器U7D的12号输入正端，放大器U7D的12号输入正端并联电容C112后接地，放大器U7A的3号输入正端与放大器U7D的12号输入正端之间串联电阻R22、滑动电阻VR1、电阻R24，放大器U7A的2号输入负端与1号输出端之间接有电阻R87，放大器U7A的2号输入负端串联电阻R88后与放大器U7D的13号输入负端相连，放大器U7A的1号输出端串联电阻R54、电阻R83后连接至放大器U7B的7号输出端，在电阻R54与电阻R83之间抽出一端连接至放大器U7B的6号输入负端，放大器U7D的13号输入负端与14号输出端之间接有电阻R62，放大器U7D的14号输出端连接电阻R53后连接至放大器U7B的5号输入正端，放大器U7B的5号输入正端另抽出一端连接电阻R68后接地，放大器U7B的7号输出端串联电阻R52、电阻R91后接至放大器U7C的9号输入负端，电阻R52与电阻R91之间抽出一端连接电阻R90后接至放大器U7C的8号输出端，放大器U7C的10号输入正端接地，并抽出一端接电容C110后接至电阻R52一端，放大器U7C的9号输入负端与放大器U7C的8号输出端之间接有电容C111，放大器U7C的8号输出端连接至AD转换电路。BUS电压监测电路检测电容组的BUS电压，通过AD转换电路将BUS电压传输给FPGA模块。

电流检测电路检测APF输出电流，经AD转换电路将电流值传输给FPGA模块。

AD转换电路接收电流检测回路和BUS电压监测电路输出的信号，见图3，电流检测回路的输出信号连接电阻R193后接至放大器U23C的正输入端，另抽出一端连接电阻R189后接至芯片U29的5号管脚，放大器U23C的负输入端连接电阻R184后接地，放大器U23C的输出端接至芯片U29的4号管脚，在放大器U23C的输出端与放大器U23C的负输入端之间接有电阻R190；BUS电压监测电路的输出信号连接电阻R191后接至放大器U23B的正输入端，另抽出一端连接电阻R107后接地，放大器U23C的负输入端连接电阻R192后接地，放大器U23C的输出端接至芯片U29的8号管脚，在放大器U23C的输出端与放大器U23C的负输入端之间接有电阻R117。

风扇控制电路可以实现扇热风扇的软起功能，并能检测风扇的工作状态，有效防止因风扇工作不正常而引起的模组温度高，从而导致IGBT损坏的情况一旦风扇停止工作，模组将自动停机，其电路具体结构参见图5，风扇控制电路由FPGA控制模块控制，FPGA控制模块输出的脉冲信号接至IGBT管Q6的栅极，并抽出一端接+3.3V电压，IGBT管Q6的源极分别接三极管Q4、三极管UC2的基极，三极管Q4的集电极与三极管UC2的集电极相接后接至IGBT管Q2的栅极，IGBT管Q2的漏极接有静电抑制器D6防止静电击穿，IGBT管Q2的源极接至二极管D2的正极，并抽出一端接+15V电源，二极管D2的负极串联电阻R36后接至IGBT管Q6的源极，二极管D2负极另引出一端串联电容C161后与IGBT管Q2的漏极合并连接至电感L2一端，电感L2的另一端并联电容C57、极性电容C55后连接至信号输出端。

温度检测电路检测IGBT内部节点温度，在人机界面可以实时显示该温度，并具有过温报警，超温自动停机的工能，这样能更加准确确保IGBT在安全温度范围类工作。