一种垂直结构模块化电力电子变换器

1.本实用新型属于变换器技术领域，具体属于一种垂直结构模块化电力电子变换器。


背景技术：

2.当前，电力电子技术发展趋势为模块化、高频化和制造一体化。在电力电子变换器的模块化方面，为拆卸方便，最开始提出了电力电子积木的概念，将一个完整的电力电子变换器单元作为一个模块，用于舰船供电系统以便拆卸更换。近几年来，国内外企业提出了多种电力电子积木方案，主要从变换器层和功能模块层进行模块化，例如德国塞米控公司的skip系列产品，深圳青铜剑科技股份有限公司、珠海万力达(《一种电力电子积木及其应用》专利申请号201410059363.2)。现有的模块化技术分为变换器级别和功能块级别：变换器级别的模块化是将数个完整的变换器并联/串联起来，共同产生更大的电流/电压。而功能块级别的模块化是将单个变换器中实现不同功能的部分拆分开，更加自由地实现不同功能的变换器。
3.现有的功能块级别模块化方案中，空间结构方面，大多数在二维平面上布局；连接方式方面，使用铜线、光纤、杜邦线排线连接，或专门设计一块底板，在底板上插接各种功能模块，起到连接的作用。这样的模块化方案在利用模块再次组合时需要大量拆接线，或重造底板。在科研、教学的应用环境下，自定义电源方面仍然不够便捷，无法降低非专业人员组装自定义变换器的门槛。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种垂直结构模块化电力电子变换器，解决传统模块化变换器连接方式繁杂、结构不够紧凑、自由度低，拆装不方便的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种垂直结构模块化电力电子变换器，包括功率总线、信号总线和若干个一级模块，所述功率总线和信号总线分别布置在一级模块的相对两侧，若干个一级模块依次层叠布置，相邻一级模块的功率总线之间以及信号总线之间均通过插接连接；
6.所述一级模块上集成有开关功率模块、滤波采样模块、控制模块和辅助电源模块，所述开关功率模块、滤波采样模块、控制模块和辅助电源模块均通过排针形式插接有二级模块，
7.所述滤波采样模块用于滤除功率总线中的功率pwm信号的高频分量产生低频电流电压并将滤除后的电流电压经信号总线送入控制模块；
8.所述控制模块用于读取信号总线的电流电压信号进行解析得到开关信号并将开关信号经信号总线送入开关功率模块以及用于从外界收发信息；
9.所述开关功率模块用于解析开关信号得到半导体开关信号并输入功率半导体中
以及用于向功率总线中输入功率pwm信号；
10.所述辅助电源模块用于为开关功率模块、滤波采样模块和控制模块供电。
11.进一步的，所述滤波采样模块包括电感和电容，所述滤波采样模块上插接的二级模块包括电流电压传感器和信号调理模块，所述功率总线包括功率pwm线和滤波后功率线，电感的一端连接功率pwm线，电感的另一端连接电容的一端，电容的另一端连接滤波后功率线，所述电感和电容用于滤除功率总线中的功率pwm信号的高频分量产生低频电流电压，所述电感和电容的连接节点上连接有电流电压传感器，所述电流电压传感器的输出端连接信号调理模块，所述信号调理模块的输出端连接信号总线的电压电流信号，所述信号调理模块用于接收电流电压传感器传输的电流电压信号并进行偏置和放缩送入信号总线。
12.进一步的，所述控制模块包括光串口，控制模块上插接的二级模块还包括控制器最小系统板、人机交互模块、sd卡，所述控制器最小系统板用于向信号总线输出6路pwm信号和停机信号以及用于从信号总线读取电压电流信号进行解析得到开关信号并将开关信号送入信号总线以及用于从外界收发信号，所述人机交互模块和控制器最小系统板通讯连接，所述人机交互模块用于修改控制器最小系统板中程序的参数和控制电力电子变换器的开关，所述sd卡和控制器最小系统板通讯，所述sd卡用于存储控制器最小系统板中程序的必要参数，所述光串口用于接收光纤传入的信号，供上位机读取数据。
13.进一步的，所述开关功率模块包括开关拓扑，所述开关功率模块上插接的二级模块还包括半桥驱动模块，所述开关拓扑和功率总线通讯连接，所述开关拓扑用于控制每条功率总线间的连接和断开产生功率pwm信号，所述半桥驱动模块用于驱动开关拓扑中的开关管，所述半桥驱动模块的pwm输入端和停机信号端连接信号总线，所述半桥驱动模块用于解析开关信号得到半导体开关信号并将半导体开关信号送入功率半导体。
14.进一步的，所述辅助电源模块包括锂电池管理模块和锂电池，所述二级模块包括开关降压电路，所述锂电池管理模块用于控制锂电池的充放电，所述锂电池管理模块的输出端连接信号总线；
15.所述开关降压电路用于从功率总线侧取电并进行降压送入锂电池管理模块的输入端。
16.进一步的，所述辅助电源模块还包括microusb接口，所述microusb接口安装在辅助电源模块的侧边边缘，所述microusb接口的输出端连接至锂电池管理模块的输入端。
17.进一步的，所述二级模块均以2.54mm排针形式分别连接在开关功率模块、滤波采样模块、控制模块和辅助电源模块中。
18.进一步的，相邻一级模块的功率总线之间和信号总线之间均通过排针形式插接连接。
19.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
20.本实用新型提供了一种垂直结构模块化电力电子变换器，将电力电子变换器进行模块化设计，分成一级模块和二级模块，若干个一级模块在垂直方向上通过层叠方式叠加，每个一级模块之间通过总线拼插接方式连接，免去了模块之间不必要的接线，且在重新组合时无需重制底板，而且一级模块集成了基础的功能，能够为大部分试验提供基础支撑，不同试验中的关键部件能够采用二级模块的形式集成，更换个别芯片仅需要重新制作二级模块，例如隔离驱动芯片、控制器芯片等。在当前国际芯片市场不稳定的情况下大大降低了芯
片更换的成本。在各理工类专业的科研、企业产品开发、学生教学与竞赛中，可以用尽量少的时间和成本搭建用于满足各种需求的电源，如锂电池充放电控制、电炉温度控制、电机控制等。
21.进一步的，滤波采样模块能够通过电感和电容滤除功率pwm信号的高频分量，产生频率较低的电流电压，送回功率总线中能够用尽量少的时间和成本搭建用于满足各种需求的电源，二级模块将电流电压信号进行偏置和放缩送入信号总线，方便二级模块的更换，降低了更换二级模块的专业性，更加便于教学，更换部件方便。
22.进一步的，控制模块能够对电力电子变换器进行修改参数并和外界收发信号，便于各理工类专业的科研、企业产品开发、学生教学与竞赛中的教学要求。
23.进一步的，辅助电源中的锂电池管理模块能够保证锂电池的恒流-恒压充电同时稳定输出电压，确保整个电力电子变换器的稳定可靠运行，而且二级模块能够从功率总线侧进行取电，提供辅助电源，更进一步的确保了整个电力电子变换器的稳定可靠运行。
24.进一步的，microusb接口的布置，能够在没有主电时给整个电力电子变换器供电，提高整个电力电子变换器的工作适应能力。
附图说明
25.图1为本实用新型的结构示意图；
26.图2为本实用新型中滤波采样模块的结构示意图；
27.图3为本实用新型中开关功率模块的结构示意图；
28.图4为本实用新型中控制模块的结构示意图；
29.图5为本实用新型中辅助电源模块的结构示意图；
30.附图中：1-功率总线，2-二级模块，3-一级模块，4-信号总线，5-电流电压传感器，6-信号调理模块，7-半桥驱动模块，8-开关拓扑，9-人机交互模块，10-控制器最小系统板，11-光串口，12-sd卡，13-锂电池管理模块，14-锂电池。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
32.本实用新型提供了一种垂直结构模块化电力电子变换器，采用多层结构并使用垂直方向集中总线连接的模块化方案，以实现体积小、高自由度、随拆随装的目标。其中，本实用新型根据变换器各部分之间的电流和信号要求，将其分为若干一级模块3，一级模块3为边长10cm的正方形，左右两侧分别为功率总线1和信号总线4，每层一级模块之间的功率总线1和信号总线4通过层叠拼插使用。一级模块3上部分复杂功能使用二级模块2实现，二级模块2使用排针连接在一级模块3上。
33.在本实施例中，两种总线方向均与一级模块3垂直，功率总线1中有功率地pgnd、功率pwm线a1、b1、c1、d1和滤波后功率线a2、b2、c2、d2。所述信号总线4中有信号地、电压电流信号、开关信号、通讯、停机和控制电源，电压电流信号为4路电压电流采样信号，开关信号为6路pwm信号，通讯为一个变换器内部使用的i2c总线，停机信号为紧急停机信号，控制电源为5v和3.3v电源。
34.具体的，一级模块3分为开关功率模块、滤波采样模块、控制模块和辅助电源模块，
开关功率模块上搭载某种开关拓朴所需的所有开关管、半桥驱动模块7(二级模块)以及其余指示灯与逻辑电路，滤波采样模块上搭载4个lc滤波单元和电流电压传感器5(二级模块)，控制模块用于开关反馈控制、接收外界指令，其上搭载控制器最小系统板10(二级模块)、人机交互模块9(二级模块)、sd存储模块(二级模块)和光串口11，辅助电源模块上有开关降压电路、锂电池管理模块13和锂电池14，用于给各模块提供稳定的5v供电。
35.具体的，如图1所示，变换器由3块一级模块3拼插而成，每块模块用于实现变换器中的一部分耦合度较高的功能。每块模块的左侧一列2*24p排针为功率总线，用于在一级模块3之间传递能量；右侧一列2*24p排针为信号总线4，用于在一级模块3之间传递信号。使用时，在功率总线1的顶部插接特制的导线，供能量流入流出。
36.具体的，如图2所示，滤波采样模块用于滤除功率总线1中的功率pwm信号的高频分量产生低频电流电压并将滤除后的电流电压经信号总线4送入控制模块；所述滤波采样模块，由4组lc滤波单元以及对应的电流电压传感器5组成。以1号滤波采样单元为例，即电感l1和电容c1，电感的一端连接功率pwm线a1，电感的另一端连接电容的一端，电容的另一端连接滤波后功率线a2，电感和电容的连接节点上连接有电流电压传感器5，开关功率模块(图3)产生的功率pwm信号分别由功率总线1的a1、b1、c1和d1经过l1和c1滤除高频分量，产生频率较低的电流电压，送回功率总线1的a2、b2、c2、d2。电流传感器(二级模块)与l1串联，测量滤波后的电流，电压传感器(二级模块)测量l1和c1连接点相对于pgnd的电压。电流电压传感器5输出的电流电压信号经过若干块信号调理模块(二级模块)，进行偏置和放缩，送入信号总线。
37.具体的，如图3所示，开关功率模块用于解析开关信号得到半导体开关信号并输入给功率半导体，控制功率半导体的开通和关断以及用于向功率总线1中输入功率pwm信号；开关功率模块上搭载特定的开关拓朴，例如全桥、半桥、正激、反激等，连接功率总线1，开关拓扑作为中介，控制各条功率总线1间的连接和断开，产生功率pwm信号。开关拓扑8中的开关管附近安装半桥驱动模块7(二级模块)，用于驱动开关拓扑8中的开关管，半桥驱动模块7的pwm输入端和停机信号端连接信号总线4。另外从信号总线4中引出5v电压为半桥驱动模块供电。
38.具体的，如图4所示，控制模块用于读取信号总线4的电流电压信号进行解析得到开关信号并将开关信号经信号总线送入开关功率模块以及用于从外界收发信息；控制模块上的控制器最小系统板10(二级模块)为变换器控制的核心，是一块能够独立工作的单片机或dsp，用于向信号总线4输出6路pwm、停机信号；从信号总线4读取电压电流信号；以及从外界收发信号。人机交互模块(二级模块)安装在控制模块边缘，具有显示和键盘输入的功能，通过i2c与控制器最小系统板通讯，使用者通过人机交互模块修改控制器最小系统板10中程序的参数、控制整个电力电子变换器的开关。sd卡(二级模块)用于存储控制器最小系统板10中程序的必要参数，与控制器之间spi通讯。光串口11连接控制器芯片的uart通讯端口，用于接收光纤传入的信号，供上位机读取数据，下达指令。
39.具体的，如图5所示，辅助电源模块用于为开关功率模块、滤波采样模块和控制模块供电；辅助电源模块中的锂电池管理模块13用于控制锂电池14的充放电，将4.5～5.5v的充电电压使用内置的buck电路降压为3.7～4.2v，控制锂电池恒流-恒压充电，同时将锂电此升压到5v输出。管理模块与一节18650锂电池配合，产生稳定的5v电压供给控制电路中的
各模块。开关降压电路(二级模块)从功率总线侧取电，将10～60v不确定的电压降为5v，接入锂电池管理模块13输入端，以提供辅助电源。安装在辅助电源模块边缘的microusb接口也接入锂电池管理模块13输入端，用于在没有主电时给电池充电。
40.在本实施例中，上述所有二级模块2均以2.54mm排针形式连接在一级模块3上，可随时更换。
41.本实用新型拆装方便，采用垂直方向的总线拼插结构，免去了模块之间不必要的接线，且在重新组合时无需重制底板。在各理工类专业的科研、企业产品开发、学生教学与竞赛中，可以用尽量少的时间和成本搭建用于满足各种需求的电源，如锂电池充放电控制、电炉温度控制、电机控制等。而且便于芯片取换，具体为本实用新型中的关键部件采用二级模块的形式集成，更换个别芯片仅需要重新制作二级模块，例如隔离驱动芯片、控制器芯片等。在当前国际芯片市场不稳定的情况下大大降低了芯片更换的成本。
42.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。