一种用于升降压电路的驱动装置的制作方法

本实用新型涉及混合能源机车供电技术领域，尤其涉及一种适用于混合能源机车中的用于升降压电路的驱动装置。

背景技术：

升降压DC/DC电路即是可以通过一套电路结构实现升压、降压功能，如典型的Buck-Boost电路，当工作为Buck电路模式时，发送PWM脉冲给Buck电路，由Buck电路执行降压功能，当工作为Boost电路模式时，发送PWM脉冲给Boost电路，由Boost电路执行升压功能，通过切换PWM脉冲来实现Buck电路、Boost电路的切换。

在柴电混合机车等混合能源机车应用中，混合能源机车主要是用电池代替传统的燃油为能源，在很大程度上能够减少对燃油资源的依赖，蓄电池及其充放电技术也成为了制约该技术发展的关键。混合机车中由蓄电池与DC-DC模块共同进行供电，由DC-DC模块接入直流电源，进行变换后进行供电以及存储在蓄电池中，或由蓄电池进行放电，通过DC-DC模块进行能够回收会提供补充能量，而在牵引工况时，由于需要大量的牵引能量，若接入电源不足以提供牵引能量时，则需要控制切换蓄电池进行放电，通过DC-DC模块补充不足的能量，以及在制动工况时，需要控制切换蓄电池进行充电，通过DC-DC模块进行能够回收，即混合机车进行制动与牵引时，需要进行DC-DC的蓄电池充放电之间的切换，也即执行PWM脉冲切换。

典型的升降压DC/DC电路的控制电路如图1所示，包括升降压电路主回路、驱动板、控制板以及总控制器，其中驱动板主要包含驱动脉冲的选择电路、推挽电路、功率放大电路、双脉冲互锁电路，以及各种相应保护电路；控制板主要包含两路高速PWM脉冲生成电路，整机低压侧的输出恒压恒流电路，整机的高压侧输出恒压恒流电路，控制板接收总控制器的指令信号电路，各种保护电路和各个输入输出的电压电流给定电路；总控制器用于与外部客户端的控制器进行通讯，接收来自客户端的控制命令执行下达相应的信号给控制板和驱动板，由控制板和驱动板执行相应的命令达到满足客户端需要的相关电气参数。

上述升降压DC/DC电路实现PWM脉冲切换时，由总控制器通过接收客户端的所有相对应信号，从而下达指令给控制板，控制板通过自行生成PWM电路产生需要的PWM波形，将相对应的PWM波发送给驱动板，同时总控制器通过接收客户端的相应信号，对驱动板接收到控制板的PWM波进行逻辑选择处理，处理完成后由互锁电路对PWM信号互锁处理后再发送到对应的功率半导体的控制极，从而达到控制功率半导体高速开关的目的。

但是上述升降压DC/DC电路，由于必须通过总控制器对客户端信号检测检测，再下达给相应的控制和驱动，需要较长的软件算法运算时间才能够完成切换响应，响应速度慢，且当应用于如柴电混合机车等应用中时，当牵引工况时提供的牵引能量不足而需要进行PWM脉冲切换时，由于不能及时响应，会影响机车进行牵引时蓄电池放电性能；而整机在运行时执行制动工况时瞬间能量大，电压会瞬间上升，且持续时间短的特点，由于总控制器需要进行软件算法运算，响应速度慢，待指令下达到最终的功率半导体上时，瞬间的能量已经损失，无法有效的进行能量回收，使得能量回收效率不高。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单、成本低、PWM切换速度快以及能量利用率高的用于升降压电路的驱动装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种用于升降压电路的驱动装置，用于混合能源机车中，包括用于接入控制升、降压的双PWM脉冲并输出其中一路给所述升降压电路的PWM输出模块，所述PWM输出模块包括用于降压所需PWM脉冲的第一输出支路、用于输出升压所需PWM脉冲的第二输出支路，还包括分别与所述PWM输出模块连接的第一控制模块、第二控制模块，所述第一控制模块接收外部切换命令，控制封锁所述第一输出支路或所述第二输出支路，所述第二控制模块接入机车的运行状态信号，控制在牵引工况且牵引能量不足时或在制动工况需回收能量时封锁所述第一输出支路或所述第二输出支路。

作为本实用新型的进一步改进：所述第二控制模块包括相互连接的第一启动控制单元、第一驱动单元，所述第一启动控制单元分别接入牵引状态信号、制动状态信号以及所述升降压电路中高压侧电压信号进行判断，输出控制指令给所述第一驱动单元，所述第一驱动单元接收控制指令，驱动封锁所述第一输出支路或所述第二输出支路。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一启动控制单元包括相互连接的接入电路、判断电路以及控制指令生成电路，所述接入电路分别接入牵引状态信号、制动状态信号以及所述高压侧电压信号，输出给所述判断电路，所述判断电路判断到所述牵引状态信号为有效且所述高压侧电压信号小于指定阈值时，所述控制指令生成电路生成第一控制指令，以控制所述第一驱动单元封锁所述第一输出支路，所述判断电路判断到所述制动状态信号为有效且所述高压侧电压信号大于指定阈值时，所述控制指令生成电路生成第二控制指令，以控制所述第一驱动单元驱动封锁所述第二输出支路。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一驱动单元包括用于驱动封锁所述第一输出支路的第一驱动开关，以及用于驱动封锁所述第二输出支路的第二驱动开关。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一控制模块、第二控制模块之间还设置有屏蔽开关模块，所述第二控制模块启动时，通过所述屏蔽开关模块关断所述第一控制模块。

作为本实用新型的进一步改进：所述屏蔽开关模块包括相互连接的控制开关单元以及触发单元，所述第二控制模块启动时，控制开通所述控制开关单元，控制所述触发单元发送触发脉冲给所述第一控制模块以关断所述第一控制模块。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一控制模块包括相互连接的第二启动控制单元以及第二驱动单元，所述第二启动控制单元接入用于控制所述升降压电路进行升压或降压的外部切换命令，发送控制指令给所述第二驱动单元，所述第二驱动单元接收控制指令，控制封锁所述第一输出支路或所述第二输出支路。

作为本实用新型的进一步改进：还包括与所述PWM输出模块连接的状态反馈模块，用于将所述PWM输出模块输出升压或降压所需PWM脉冲的状态进行反馈。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一输出支路与所述第二输出支路之间为互锁。

作为本实用新型的进一步改进：所述升降压电路为双向升降压电路。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型用于升降压电路的驱动装置，通过同时设置第一控制模块、第二控制模块，由第一控制模块控制进行正常工况下的PWM脉冲切换，由第二控制模块控制在牵引工况且牵引能量不足时或在制动工况需回收能量时进行PWM脉冲切换，无需经过总控制器的信号传输，PWM脉冲切换的响应速度快，能够及时、高效的执行PWM脉冲切换，从而能够实现混合能源机车中DC-DC与蓄电池充放电之间的高速切换，有效提高制动时的能量回收效率以及牵引时蓄电池放电性能，提升整车的运行效率与性能。

2、本实用新型用于升降压电路的驱动装置，进行牵引工况下的高速PWM切换时，当在切换前运行在牵引工况时能够维持牵引工况，当在切换前运行在降压工况时，可以迅速将降压高速PWM关断，同时迅速将升压高速PWM打开，响应速度快，能够大大缩短切换时间，当撤销牵引信号或者高压网侧电压上升到设定值时，能够自动退出切换逻辑，恢复到切换前的运行工况。

3、本实用新型用于升降压电路的驱动装置，进行制动工况下的高速PWM切换时，当在切换前运行在降压工况时维持原来的运行工况，当在切换前运行在升压工况，可以迅速将升压高速PWM关断，同时迅速将降压高速PWM打开，响应速度快，可以大大缩短切换时间，当撤销制动信号或者高压网侧电压下降到设定值时，能够自动退出切换逻辑，恢复到切换前的运行工况。

4、本实用新型用于升降压电路的驱动装置，进一步通过对外部牵引信号、外部制动信号的检测，以及对升压状态信号和降压状态信号和内部的门电路控制，能够在总控制器未对两种状态信号进行任何的选择命令前，及时、有效的控制高速PWM脉冲切换，当切换工况退出后，还可以继续保持切换前的工况继续运行，且无需更改其他逻辑控制结构。

附图说明

图1是现有技术的混合机车中升降压电路切换的控制系统的结构原理示意图。

图2是本实施例用于升降压电路的驱动装置的结构示意图。

图3是本实施例用于混合能源机车中实现升降压电路切换的结构原理示意图。

图4是本实用新型具体应用实施例中用于升降压电路的驱动装置的结构示意图。

图例说明：1、PWM输出模块；11、第一输出支路；12、第二输出支路；2、第一控制模块；21、第二启动控制单元；22、第二驱动单元；3、第二控制模块；31、第一启动控制单元；311、接入电路；312、判断电路；313、控制指令生成电路；32、第一驱动单元；4、屏蔽开关模块；5、状态反馈模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如图2、3所示，本实施例用于升降压电路的驱动装置，用于混合能源机车中，包括用于接入控制升、降压的双PWM脉冲并输出其中一路给升降压电路的PWM输出模块1，PWM输出模块1包括用于降压所需PWM脉冲的第一输出支路11、用于输出升压所需PWM脉冲的第二输出支路12，还包括分别与PWM输出模块1连接的第一控制模块2、第二控制模块3，第一控制模块2接收外部切换命令，控制封锁第一输出支路11或第二输出支路12以切换输出所需PWM脉冲，第二控制模块3接入机车的运行状态信号，控制在牵引工况且牵引能量不足时或在制动工况需回收能量时封锁第一输出支路11或第二输出支路12，以切换输出所需PWM脉冲。

本实施例上述驱动装置，由PWM输出模块1中第一输出支路11、的第二输出支路12可以分别输出升压、降压所需的PWM脉冲，同时设置第一控制模块2、第二控制模块3，由第一控制模块2接收外部控制指令，控制进行PWM脉冲切换，即控制进行正常工况下的PWM脉冲切换，由第二控制模块3接收运行状态信号，控制在牵引工况且牵引能量不足时或在制动工况需回收能量时进行PWM脉冲切换，由于无需经过总控制器的信号传输，PWM脉冲切换的响应速度快，且在机车进行制动、牵引工况需要进行PWM脉冲切换时，能够实现混合能源机车中DC-DC与蓄电池充放电之间的高速切换，有效提高制动时的能量回收效率以及牵引时蓄电池放电性能，提升整车的运行效率与性能。

如图3所示，本实施例驱动装置通过第一控制模块2直接接收PWM脉冲切换的外部控制命令、由第二控制模块3接收升降压电路的高压侧信号以及机车的运行状态信号，第一控制模块2接收到外部控制命令时，控制输出一路所需PWM脉冲给升降压电路的主回路，第二控制模块3接收到运行状态信号以及高压侧信号进行判断，判断到处于在牵引工况且牵引能量不足时或在制动工况需回收能量时，直接控制输出一路所需PWM脉冲给升降压电路的主回路。

本实施例中，第一输出支路11与第二输出支路12之间为互锁，即第一输出支路11与第二输出支路12采用互锁电路，当第一输出支路11启动时封锁第二输出支路12，当第二输出支路12启动时封锁第一输出支路11，保证仅能输出双PWM脉冲中一路。

本实施例中，第二控制模块3包括相互连接的第一启动控制单元31、第一驱动单元32，第一启动控制单元31分别接入牵引状态信号、制动状态信号以及升降压电路中高压侧电压信号进行判断，输出控制指令给第一驱动单元32，第一驱动单元32接收控制指令，并驱动封锁第一输出支路11或第二输出支路12以输出所需路的PWM控制脉冲。具体第一启动控制单元31接入牵引状态信号、制动状态信号以及高压侧电压信号进行判断时，当判断为牵引状态信号有效且高压侧电压信号小于指定阈值时，即对应为处于牵引工况且牵引能量不足，输出控制指令给第一驱动单元32，由第一驱动单元32驱动封锁第一输出支路11以输出升压所需的PWM信号，当判断到制动状态信号有效且高压侧电压信号大于指定阈值时，即对应为处于制动工况需要进行PWM脉冲切换，输出控制指令给第一驱动单元32，由第一驱动单元32驱动封锁第二输出支路12以输出降压所需的PWM信号。

本实施例中，第一启动控制单元31具体包括相互连接的接入电路311、判断电路312以及控制指令生成电路313，接入电路311分别接入牵引状态信号、制动状态信号以及升降压电路中高压侧电压信号，输出给判断电路312，判断电路312判断到牵引状态信号为有效且高压侧电压信号小于指定阈值时，控制指令生成电路313生成第一控制指令，以控制第一驱动单元32驱动封锁第一输出支路11，使得输出升压所需的PWM信号给升降压电路，使得升降压电路工作于升压模式以补充不足的牵引能量；当判断电路312判断到制动状态信号为有效且高压侧电压信号大于指定阈值时，控制指令生成电路313生成第二控制指令，以控制第一驱动单元32驱动封锁第二输出支路12，使得输出降压所需的PWM信号给升降压电路，使得升降压电路工作于降压模块以实现能量回收。

本实施例中，第一驱动单元32包括用于驱动封锁第一输出支路11的第一驱动开关，以及用于驱动封锁第二输出支路12的第二驱动开关，其中当第一驱动开关开通时，封锁第一输出支路11的输出，由第二输出支路12输出用于控制升压的PWM脉冲给升降压电路，当第二驱动开关开通时，封锁第二输出支路12的输出，由第一输出支路11输出用于控制降压的PWM脉冲。

如图4所示，在具体应用实施例中，牵引状态信号、制动状态信号为高电平或低电平，其中高电平对应为有效状态，低电平对应为无效状态，如当牵引状态信号为高电平时，对应为机车处于牵引工况，升降压电路的高压侧电压信号小于预设阈值时，高压侧电压的状态信号为高电平，否则为低电平，具体可通过将预设阈值的设定值以及检测到的高压侧电压信号的信号分别接入比较器中进行比较，由比较器的输出作为高压侧电压的状态信号，当比较器输出为高电平时，对应即为高压侧电压信号大于预设阈值，否则对应为小于预设阈值；接入电路311包括多路接入支路，分别接入牵引状态信号、制动状态信号以及高压侧电压的状态信号，每路接入支路经过光纤接收器以及二极管接入对应的信号，判断电路312以及控制指令生成电路313采用两个与门电路(与门电路1#、与门电路2#)实现，与门电路1#分别接入制动状态信号、高压侧电压的状态信号，与门电路2#分别接入牵引状态信号、高压侧电压的状态信号；第一驱动单元32包括第一驱动开关Q9以及第二驱动开关Q8，当与门电路1#输出为高电平时，对应为机车处于制动工况需进行能量回收，驱动开通开关Q8，封锁第二输出支路12的输出，由第一输出支路11输出降压所需的PWM脉冲；当与门电路2#输出为高电平时，对应为机车处于牵引工况且牵引能量不足，驱动开通开关Q9开通，封锁第一输出支路11的输出，由第二输出支路12输出升压所需的PWM脉冲。

本实施例第二控制模块3进一步接入整机系统OK信号，整机系统OK信号为系统正常时，机车内控制器的自检信号会下发的一个系统正常指令，第二控制模块3在牵引工况且牵引能量不足时或在制动工况需回收能量时，同时接收到整机系统OK信号时，控制封锁第一输出支路11或第二输出支路12，以确保在系统正常时执行牵引、制动工况时的切换。如图4所示，与门电路1#、与门电路2#还分别接入有整机系统OK信号，当系统为正常状态时，整机系统OK信号为高电平，否则为低电平。可以理解的是，第二控制模块3还可以根据实际需求接入其他状态信号，以进一步提高切换性能。

本实施例中，第一控制模块2、第二控制模块3之间还设置有屏蔽开关模块4，第二控制模块3启动时，通过屏蔽开关模块4关断第一控制模块2。即正常工况下，第二控制模块3接收到外部切换命令时控制执行切换，当处于牵引或制动工况需进行切换时，屏蔽第一控制模块2的输出，由第二控制模块3控制执行切换，使得在牵引、制动工况且需PWM脉冲切换时，可以快速、准确的进行PWM脉冲切换。

本实施例中，屏蔽开关模块4包括相互连接的控制开关单元以及触发单元，第二控制模块3启动时，控制开通控制开关单元，控制触发单元发送触发脉冲给第一控制模块2以关断第一控制模块2。

本实施例中，第一控制模块2包括相互连接的第二启动控制单元21以及第二驱动单元22，第二启动控制单元21接入升降压电路中升压、降压的状态信号，发送控制指令给第二驱动单元22，第二驱动单元22接收控制指令，并驱动第一输出支路11或第二输出支路12输出PWM控制脉冲。

如图4所示，在具体应用实施例中，第二启动控制单元21采用门电路实现，门电路的输入端接收经过光纤接收器、二极管接入外部控制指令(buck状态信号、boost状态信号)，第二驱动单元22包括开关Q1以及开关Q2，分别对应驱动封锁第一输出支路11、第二输出支路12。

如图4所示，本实施例屏蔽开关模块4中控制开关单元具体包括设置在第一驱动开关Q9输出端的控制开关Q10以及设置在第二驱动开关Q8输出端的控制开关Q11，触发单元采用或门电路，或门电路的输入端分别连接控制开关Q10、控制开关Q11，输出端分别连接至第一控制模块2中驱动开关Q1、Q2，当第一驱动开关Q9或第二驱动开关Q8开通时，对应开通控制开关Q10或控制开关Q11，控制关断第一控制模块2中驱动开关Q1、Q2。屏蔽开关模块4具体还包括设置在第二控制模块3与第一控制模块2中门电路输出端之间的控制开关Q4、Q7，第二控制模块3启动时，控制关断开关Q4、Q7，使得关断第一控制模块2中门电路的输出，以进一步保证第一控制模块2输出的有效关断。

本实施例中，还包括与PWM输出模块1连接的状态反馈模块5，用于将PWM输出模块1输出升压或降压所需PWM脉冲的状态进行反馈。正常工况以及在进行牵引与制动的逻辑切换后，为了使总控制器能及时的知晓整机运行的工况，本实施例将驱动装置的运行工况信号及时的反馈给总控制器，如图4所示，具体为通过由D14、D15和U7电路构成或门电路将输出升压、降压PWM的状态信号反馈输出给总控制器。

本实施例中，升降压电路可以为双向升降压电路，即可应用于如双向Buck-Boost电路的驱动电路中以进行PWM脉冲切换，当然也可以应用于需要双PWM脉冲的其他升降压电路中。

如图3所示，本实施例实现混合机车中升降压电路的控制所采用的控制系统具体包括主回路、上述驱动装置、控制板以及总控制器，主回路具体包含如IGB、MOSFET、晶闸管大功率等半导体器件、磁性器件，高压大容量电容、高压接触器、电压传感器和电流传感器等器件，构成升降压主回路，具体可采用如典型的Buck-Boost电路等；驱动装置还包含、推挽电路、功率放大电路以及各种相应保护电路等；控制板包含两路高速PWM脉冲生成电路，整机低压侧的输出恒压恒流电路，整机的高压侧输出恒压恒流电路，接收总控制器的指令信号电路，各种保护电路和各个输入输出的电压电流给定电路，输出电压电流通过控制板内部的PID电路进行有效高速的自动调整，可以稳定输出电压电流；总控制器负责与外部客户端的控制器进行通讯，接收来自客户端的控制命令执行下达相应的信号给控制板和驱动板，由控制板和驱动板执行相应的命令达到满足客户端需要的相关电气参数。

在具体应用实施例中升降压电路具体为Buck-Boost电路，驱动装置设置在一驱动板上，驱动板结构如图4所示，驱动板上有BUCK状态信号、BOOST状态信号、整机系统OK信号、外部牵引状态信号、外部制动状态信号、高压网侧信号、高压网侧比较器参考电压设定信号、状态反馈信号、buck高速PWM信号以及boost高速PWM信号，各工况切换过程具体为：

在正常工况下，总控制器控制buck状态信号和boost状态信号，当buck状态信号给定时，Q1开通，关断去往boost IGBT的高速PWM信号，当boost状态信号给定时，Q2开通，关断去往buck IGBT的高速PWM信号；同时通过门电路对两个信号进行异或门处理控制buck高速PWM和boost高速PWM信号，当buck状态信号和boost状态信号同时为高电平或者同时为低电平时，D3二极管输出一个高电平，使Q4和Q7全部开通，全都封锁两路PWM信号，有效的控制两路PWM信号，保证整机安全可靠的工作。

牵引工况下的切换控制：当接收到整机系统OK信号、检测到外部发送来的牵引信号时，同时通过高压网侧信号检测，当高压网侧电压低于高压网侧比较器参考电压设定信号的设定值时，与门电路2#内部的与逻辑电路会直接快速的进行高速PWM的切换，与门电路2#输出高电平控制Q9和Q5快速的开通，封锁buck高速PWM信号、屏蔽buck/boost状态的门电路输出信号，Q4和Q7有效的关断，同时与门电路2输出高电平开通Q10，信号经过或门电路闭屏buck状态信号和boost状态信号，使Q1,Q2有效的关断。

上述驱动装置可完成牵引工况下的高速PWM切换，整个切换无需要再由总控制器进行任何的干涉与控制，当整机在切换前本身运行在牵引工况时，高速PWM会维持原来的运行工况，继续进行牵引工况，当整机在切换前本身运行在降压工况，通过上述驱动装置可以迅速将降压高速PWM关断，同时迅速将升压高速PWM打开，直接控制功率半导体开关，响应速度快，相比传统由总控制器控制切换，能够大大缩短切换时间；当客户端撤销牵引信号或者高压网侧电压上升到设定值时，上述驱动装置将自动退出切换逻辑，整机恢复到切换前的逻辑工况，直至下一次指令逻辑和高压网侧电压下降到一定设定值时再次进入该切换工况。

制动工况下的切换控制：当接收到整机系统OK信号以及检测到外部发送来的制动信号时，同时检测到高压网侧电压高于高压网侧比较器参考电压设定信号的设定值时，内部的与门电路1#会直接快速的输出高电平，使Q8、Q5、Q11有效的开通，分别关闭boost高速PWM信号、关闭buck/boost状态的门电路输出信号，Q4,Q7有效的关断，同时与门电路1输出高电平开通Q11，信号经过或门电路闭屏buck状态信号和boost状态信号，使Q1,Q2有效的关断。

上述驱动装置可以完成制动工况下的高速PWM切换，无需要再由总控制器进行任何的干涉与控制，当整机在切换前本身运行在降压工况时，高速PWM会维持原来的运行工况，继续进行降压工况，当整机在切换前本身运行在升压工况，通过上述驱动装置可以迅速将升压高速PWM关断，同时迅速将降压高速PWM打开，直接控制功率半导体开关，响应速度快，相比传统的由总控制器控制切换，可以大大缩短切换时间；当客户端撤销制动信号或者高压网侧电压下降到设定值时，上述驱动装置降将自动退出切换逻辑，整机恢复到切换前的逻辑工况，直至下一次指令逻辑和高压网侧电压升高到一定设定值时再次进入该切换工况。

本实施例通过对外部牵引信号、外部制动信号的检测，以及对buck状态信号和boost状态信号和内部的门电路控制，能够在总控制器未对两种状态信号进行任何的选择命令前，及时、有效的控制高速PWM脉冲切换，当切换工况退出后，还可以继续保持切换前的工况继续运行，且无需更改其他逻辑控制结构。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。