专利名称：数字化逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于逆变器技术领域，具体地说，是涉及一种应用于应急电源 系统中的逆变电路的改进。
背景技术：
应急电源系统EPS (Emergency Power Supply)在消防、救险等领域被广 泛应用，作为其核心部分的逆变器目前普遍釆用变频器实现，由此存在以下不 足1、由于变频器为开环输出，没有电压反馈，因此无法确保应急电源系统输 出电压的稳定，从而难以承担为供电要求较高的负载提供交流供电的任务，这 样就限制了应急电源系统的应用领域；2、不能与市电同步，从而不能在市电和 逆变之间进行快速切换；3、应急电源系统在工作时是通过其内部的蓄电池组进 行供电的，蓄电池组输出的是直流电压，而变频器需要交流输入，这使得应急 电源系统中的接线变得相当麻烦，成本较高；4、在应急电源系统中采用变频器 作为逆变器，其参数设置比较麻烦，严重影响了开发效率，并且系统运行的稳 定性也得不到保障。
基于以上原因，如何设计一款适用于应急电源系统的专用逆变器，以替代 现有的变频器，进而克服以上缺陷，是本实用新型所要解决的主要技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种全新的逆变器电路，以解决现有采用变频 器设计逆变电路所带来的输出电压不稳定、接线复杂、成本高的问题，从而确 保了应急电源系统输出电压的稳定，提高了系统运行的可靠性。为解决上述技术问题，本实用新型采用以下^支术方案予以实现 一种数字化逆变器，包括由IGBT管组成的逆变桥,其输入端连接直流母线， 通断控制端连接一处理器的脉沖信号输出端，在所述处理器的控制作用下将直 流母线上的直流电压逆变生成交流电压输出，进而经升压滤波电路连接交流电 源输出端，并通过信号检测及电平转换电路反馈输出信号至所述的处理器。
其中，所述直流母线上的电压由蓄电池组提供，所述蓄电池组的输入端通 过整流滤波电路连接交流电源输入端，蓄电池组的直流电压输出端连接所述的 直流母线。
进一步的，在所述逆变器中包含有一系统电源;溪块，其输入端连4妻所述直 流母线，将接收到的直流高压转换成多种电位的直流低压输出，为逆变器中的 功能电踏-提供工作所需的直流电源。
为了提高所述处理器输出脉冲信号的驱动能力，在本实用新型中，所述处 理器的脉冲信号输出端通过光耦隔离驱动电路连接所述逆变桥的通断控制端。 其中，在所述光耦隔离驱动电路中包含有比较器、开关电路和与所述开关电路 相连接的光耦；所述比较器的其中一路输入端连接处理器的脉冲信号输出端， 另一路输入端连接参考电压，输出端连接所述开关电路的控制端；通过改变所 述开关电路的通断状态以控制所述光耦的通断，进而通过所述光耦的输出端向 逆变桥的通断控制端输出脉冲信号。
为了对应急电源电路进行保护，在所述应急电源中还包含有直流母线过流 检测单元、输出短路检测单元和/或逆变器温度过高检测单元，其检测信号输出 端连接一可编程逻辑器件的输入端，通过所述可编程逻辑器件生成保护信号输 出至所述的处理器，以封锁处理器的脉冲信号输出端的输出，进而在应急电源 出现过流、短路或者温度过高等故障时控制逆变器单元停止工作，以避免对应 急电源自身和外部负载造成损坏。
又进一步的，在所述信号检测及电平转换电路中包含有交流电压信号检测 及电平转换单元，其输入端连接所述的交流电源输出端，对其输出的交流电压进行采样，并通过电平转换电路将双极性信号转换为单极性信号输出至所述处 理器的其中 一路模数转换输入端。处理器根据接收到的冲全测信号以调整其输出 脉冲信号的占空比，以确保逆变器单元输出电压的稳定。
另外，在所述信号检测及电平转换电路中还包含有直流电压信号检测及电 平转换单元，其输入端连接所述系统电源模块的其中一路直流电源输出端，经 降压变换后输出至所述处理器的另 一路模数转换输入端。
再进一步的，在所述信号检测及电平转换电路中还包含有电流信号检测及 电平转换单元，其中，在电流信号检测单元中包含有电流传感器，对所述交流
电源输入端输入的电流、交流电源输出端输出的电流或蓄电池组的充/》丈电电流 进行采集，进行电流-电压转换后，经电平转换电路输出至所述处理器的模数转 换输入端。
优选的，所述处理器优选采用DSP数字信号处理器实现。 与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是本实用新型的数字化 逆变器摒弃采用现有变频器组建逆变电路的设计思想，提出了一种全新的逆变 电路结构，不仅简化了硬件电路，降低了硬件成本，而且控制系统的可靠性提 高，易于标准化，可以针对不同的系统采用统一的控制电路板，而只是对控制 软件做一些调整即可；有效确保了输出电压的稳定，系统的一致性好，控制灵 活，生产制造方便。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点 和优点将变得更加清楚。
图1是采用本实用新型所提出的逆变器的应急电源系统整体结构示意图2是图1的电3各原理框图3是图2中逆变桥的电路原理图4是图2中处理器及其外围电路的原理框图；图5是图2中光耦隔离驱动电路的原理图6是图4中可编程逻辑器件及其外围电路的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行详细地描述。
本实施例以应急电源系统EPS为例具体阐述本实用新型所提出的数字化逆 变器的电路结构。参见图l所示，本实施例的应急电源系统EPS主要由交流电 源输入端Vin、充电器单元、蓄电池组、逆变器、互投装置和交流电源输出端 Vout几部分组成。其中，在所述的互投装置中包含有两路开关K1、 K2， 一路开 关Kl串联在应急电源的交流电源l俞入端Vin与交流电源;渝出端Vout之间，当 应急电源连接外部交流市电时，可以选4爭此路开关导通，进而通过外部市电直 接向负载提供交流供电，而无须运行应急电源内部的处理电路；与此同时，还 可以利用外部引入的交流市电对应急电源系统中的蓄电池HL进4亍充电，以待日 后使用；另一路开关K2串联在逆变器与交流电源输出端Vout之间，当应急电 源脱离外部市电独立工作时，应选择此路开关导通，进而利用蓄电池组储存的 电量对逆变器提供工作电压，将蓄电池组输出的高压直流电逆变生成负载所需 的高压交流电输出，以向负载提供工作电源。
考虑到与应急电源连接的负载大都需要三相交流电源，因此，在本实施例 的应急电源系统中，将交流电源输入端Vin设计为三相输入，交流电源输出端 Vout设计为三相输出，以方便与外部负载的连接。
对于应急电源系统来说，逆变器是整个系统设计的核心，为了克服现有应 急电源采用变频器设计逆变器所带来的种种缺陷，本实施例提出了基于数字信 号处理器DSP (Digital Singnal Processor)的EPS专用逆变器控制系统，简 化了硬件电路，提高了电源系统的可靠性。图2为数字化应急电源系统的电路 原理框图，其中，充电器单元采用整流滤波电路组成，将引入的外部交流市电 整流滤波成直流电为蓄电池组充电，其中的整流电路可以采用不控整流器、相控整流器、PWM整流器等多种形式实现。在外部市电工作中断或者不正常时， 蓄电池组输出的高压直流电通过直流滤波器(比如LC滤波电路)向逆变器提供 稳定的直流供电。在本实施例的应急电源系统中，作为核心部分的逆变器按功 能可主要分为由逆变桥和光耦隔离驱动电路组成的逆变单元、由逆变变压器和 滤波电路组成的逆变输出单元、由参数检测电路和处理器组成的检测与控制单 元、以及为逆变器单元中各功能单元提供低压直流电的系统电源单元。其中， 逆变单元与逆变输出单元组成了数字化EPS专用逆变器的功率单元，也构成了 系统的控制对象。系统电源单元采用开关变压器实现，其输入端连接蓄电池组 的直流电压输出端，将直流高压输入经开关变换后送入电源变压器产生多路低 压直流电源输出，在本实施例中，具体产生9游"f氐压直流电24V、 12V、 5V和6 路22V，用以为逆变器中的各功能电鴻炎供工作所需的直流电源。
下面分别对逆变器中各功能单元的具体电路结构作进一步详细的阐述。 参见图3所示，图3列举了逆变桥和逆变输出单元的其中一种电路组成形 式，其中，逆变桥是由6个绝缘4册双极型功率管(IGBT管)IGBT1 IGBT6组成 的全桥三相逆变桥，连接在直流母线之间，即V0+、 V0-两端之间，其通断控制 端(即栅极)接收处理器发出的脉沖信号，具体可以是处理器输出的PWM信号， 在其控制作用下将直流母线上的直流电压逆变生成SVPWM波形电压，然后通过 三相功率变压器进行升压处理后，经由电感L1 L3和电容C7 C9组成的LC滤 波电3各整形后，形成线电压为380V的三相正弦交流电压Va、 Vb、 Vc输出，为 外部负载提供三相交流供电。
其中，所述直流母线电压由蓄电池组提供。并联在IGBT管IGBT1 IGBT6 集电极与发射极之间的RC电路的作用是在IGBT管从导通到关断的过程中减少 电流和电压对IGBT管本身的沖击而专门设计的。所述功率变压器可以采用三相 逆变变压器实现。
图4为所述处理器及其外围电路的连接原理框图。其中，可以选择TI (Texas Instruments)公司出品的型号为TMS320LF2術A的DSP芯片作为主控芯片，它
8是TI公司专为电机控制、UPS等领域而设计的数字控制芯片，具有高速信号处 理和数字控制功能所必须的结构特点，还有多种实现特定功能的片内外设，如 事件管理模块，A/D转换模块，SPI、 SCI和CAN通讯控制^^妻口等。在所述DSP 处理器外围连接有信号检测及电平转换电路、RS485通信接口、可编程逻辑器 件CPLD等电路模块。 '
考虑到应急电源系统输出电压的稳定及系统运行的安全，在所述信号检测 及电平转换电路中设计有三部分模块单元
1) 交流电压信号检测及电平转换单元
分别对交流电源输出端Vout输出的交流逆变电压和引入的交流市电电压 进行采样检测，由于DSP内的A/D转换器只能接受单极性信号，而检测出的正 弦电压信号是双极性的，因此，在输入A/D转换器前，必须将双极性信号通过 电平转换电路变成单极性信号后分别输出至DSP的^t数转换输入端ADCINO、 ADCIN1。所述电平转换电路具体可以采用目前常用的加法器组件实现。
2) 直流电压信号检测及电平转换单元
用于对蓄电池组输出的直流电压状态进行^r测。由于蓄电池组输出的直流 高压与系统电源输出的12V直流低压基本呈线性比例关系，因此，通过检测开 关变压器输出端12V绕组未经稳压的信号，即可实现对蓄电池组输出电压状态 的检测。将采集到的直流电压通过电平转换电路进行降压变换后即可输入到 DSP的另外一鴻4莫数转换输入端ADCIN2作进一步计算处理。
3) 电流信号检测及电平转换单元
通过电流传感器分别对交流电源输出端Vout输出的逆变输出电流、交流电 源输入端Vin输入的市电电流和蓄电池组的充/放电电流进4亍采集，进行电流-电压转换后，经电平转换电路进行降压处理后分别输出至DSP的另外三路模数 转换输入端ADCIN8、 ADCIN9、 ADCINIO。在本实施例中，所述电流传感器可以 具体采用瞬时信号比为1000: 1的霍尔电流传感器LA58-P实现，本实用新型不 限于此。DSP根据接收到的各路检测信号并结合其内部逻辑程序以确定其PWMn输出 端(具体为6路，即n4、 2……6)输出的P簡脉冲信号的占空比，从而控制 IGBT管IGBT1 IGBT6的通断时序，以确保逆变器单元输出电压的稳定。
由于DSP输出的P丽信号的电压幅度较低，若直接作用于IGBT管不能实现 对其的驱动控制，因此，在本实施例的应急电源系统中设计了一光耦隔离驱动 电路，以提高P丽信号的驱动能力。图5为所述光耦隔离驱动电路的其中一种 具体实现形式，包括比较器U1、作为开关电路的NPN型三才及管V1和光耦U4。 其中，比较器Ui的同相输入端经由电阻R7、 R8组成的分压网络连接DSP的P觀 输出端，反相输入端连4妄参考电压Vref ，具体可选择1.5V电平实现，当DSP 输出的PWM波形处于高电平时，比较器U1输出高电平，经二极管ZD1稳压后驱 动三极管V1导通，/人而使其集电极处于低电位，即SINEDRV1端处于^f氐电位； 这样光耦U4的发光二极管通路导通发光，进而驱动其受光三极管导通，使连接 在其集电极的PWM输出端输出低电平信号，控制与其连接的一路IGBT管截止； 相反地，当DSP输出的P丽波形处于低电平时，比较器U1输出低电平，三极管 VI截止，从而通过SINEDRV1端输出高电平，使光耦U4的发光二极管通路截止， 此时，直流电源VCC2经电阻Rl2作用于P丽输出端，使P画输出端输出高电平 信号，以驱动与其连接的一路IGBT管导通。
当然，除本实施例中所提到的NPN型三;f及管VI以外，也可以釆用M0S管、 继电器等具有开关作用的元器件形成所述的开关电路,连接在比较器Ul与光耦 U4之间，组成光耦隔离驱动电路，本实用新型对此不进行具体限制。
在本实施例的应急电源系统中开发了故障自诊断技术，在发生故障时，逆 变器单元可根据检测到的结果进行故障定位，并给出实时处理方案，从而提高 了系统的安全性。在本实施例中，所述故障诊断自诊断采用DSP以及可编程逻 辑器件CPLD实现，具体完成故障报警、故障存储、故障处理等功能。
图6为可编程逻辑器件CPLD及其外围电路的原理框图，具体连接键盘、液 晶显示模块、蜂鸣器buzzer等外围器件，实现键盘扫描、地址译码、保护及报警控制等功能。其中，CPLD的地址i奪码逻辑是通过对DSP的读(^)、写(丽)
及I/O空间选择信号(^)重新组合得到新的读/写信号(^，^),再与DSP的 地址总线一起对LCD液晶显示模块的读写进行控制。CPLD的保护控制逻辑是对 直流母线过流信号BUS、输出短路信号SHORT及逆变器温度过高信号TEMP (均
为高电平有效)等经过运算后得到一低电平信号，此信号送入到DSP的，脂 引脚，以封锁DSP相应的P画输出端的输出信号，进而在应急电源出现过流、 短路或者温度过高等故障时控制逆变器停止工作，以避免对应急电源自身和外 部负载造成损坏。
所述直流母线过流信号BUS、输出短路信号SHORT及逆变器温度过高信号 TEMP分别由应急电源系统中设置的直流母线过流4企测单元、输出短路检测单元 和逆变器温度过高检测单元采样比较输出得到。由于此三部分检测单元在现有 的故障检测电路中经常釆用，因此，本实用新型在此不进行详细说明。
为了使本实施例的应急电源系统具有远程监控功能，可以利用DSP处理器 的串行接口 (比如RS232、 RS485接口等)连接嵌入式网关，以实现主机对所述 应急电源的远程监控。其工作原理是EPS工作时，其自身的工作信息如输出 电压、电流、频率、工作状态等通过串口发送给嵌入式网关，网关把这些信息 按照TCP/IP协议格式进行封装，然后通过Internet发往远程监控主才几；而远 程监控主机发送的控制信息和侦测信号则是通过嵌入式网关接收后，经过数据 解包，然后按照通信双方制定的应用层协议进行处理，最后再通过串口发给 EPS,达到远程控制EPS的目的。
当然，所述处理器也可以采用除DSP芯片以外的其他具有信号处理能力的 集成芯片实现，其输出的脉冲信号也可以采用其他可输出高低电平信号的管脚 作为脉冲信号输出端输出提供，本实用新型对此不进行具体限制。
本实施例的应急电源系统通过采用上述电路结构组建逆变器，使其具备了 以下优点
(l)简化了硬件电路，降低了硬件成本；控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统采用统一的控制电路板，而只是对控制软件做一些调
整即可；
(2) 系统的一致性好，成本低，生产制造方便；
(3) 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法而不必改动电路。
当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做 出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种数字化逆变器，其特征在于包括由IGBT管组成的逆变桥，其输入端连接直流母线，通断控制端连接一处理器的脉冲信号输出端，在所述处理器的控制作用下将直流母线上的直流电压逆变生成交流电压输出，进而经升压滤波电路连接交流电源输出端，并通过信号检测及电平转换电路反馈输出信号至所述的处理器。
2、 根据权利要求1所述的数字化逆变器，其特征在于在所述逆变器中包 含有一系统电源模块，其输入端连接所述直流母线，将接收到的直流高压转换 成多种电位的直流低压输出，为逆变器中的功能电i 各提供工作所需的直流电源。
3、 根据权利要求2所述的数字化逆变器，其特征在于所述处理器的脉冲 信号输出端通过光耦隔离驱动电路连接所述逆变桥的通断控制端。
4、 根据权利要求3所述的数字化逆变器，其特征在于在所述光耦隔离驱 动电路中包含有比较器、开关电路和与所述开关电路相连接的光耦；所述比较 器的其中 一路输入端连接处理器的脉冲信号输出端，另 一路输入端连接参考电 压，输出端连接所述开关电路的控制端；通过改变所述开关电路的通断状态以 控制所述光耦的通断，进而通过所述光耦的输出端向逆变桥的通断控制端输出 脉冲信号。
5、 根据权利要求1所述的数字化逆变器，其特征在于在所述逆变器中还 包含有直流母线过流检测单元、输出短路检测单元和/或逆变器温度过高检测单 元，其检测信号输出端连接一可编程逻辑器件的输入端，通过所述可编程逻辑 器件生成保护信号输出至所述的处理器，以封锁处理器的脉沖信号输出端的输 出。
6、 根据权利要求1所述的数字化逆变器，其特征在于所述直流母线上的 电压由蓄电池组提供，所述蓄电池组的输入端通过整流滤波电路连接交流电源 输入端，蓄电池组的直流电压输出端连4妻所述的直流母线。
7、 根据权利要求2至6中任一项所述的数字化逆变器，其特征在于在所 述信号检测及电平转换电路中包含有交流电压信号检测及电平转换单元，其输 入端连接所述的交流电源输出端，对其输出的交流电压进4亍采样，并通过电平 转换电路将双极性信号转换为单极性信号输出至所述处理器的其中 一路模数转 换输入端。
8、 根据权利要求7所述的数字化逆变器，其特征在于在所述信号检测及 电平转换电路中还包含有直流电压信号检测及电平转换单元，其输入端连接所 述系统电源才莫块的其中 一路直流电源输出端，经降压变换后输出至所述处理器 的另 一路模数转换输入端。
9、 根据权利要求8所述的数字化逆变器，其特征在于在所述信号检测及 电平转换电路中还包含有电流信号检测及电平转换单元，其中，在电流信号检 测单元中包含有电流传感器，对所述交流电源输入端输入的电流、交流电源输 出端输出的电流或蓄电池组的充/放电电流进行采集，进行电流-电压转换后， 经电平转换电路输出至所述处理器的才莫数转换输入端。
10、 根据权利要求9所述的数字化逆变器，其特征在于所述处理器为DSP 数字信号处理器。
专利摘要本实用新型公开了一种数字化逆变器，包括由IGBT管组成的逆变桥，其输入端连接直流母线，通断控制端连接一处理器的脉冲信号输出端，在所述处理器的控制作用下将直流母线上的直流电压逆变生成交流电压输出，进而经升压滤波电路连接交流电源输出端，并通过信号检测及电平转换电路反馈输出信号至所述的处理器。本实用新型的数字化逆变器摒弃采用现有变频器组建逆变电路的设计思想，提出了一种全新的逆变电路结构，不仅简化了硬件电路，降低了硬件成本，而且控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统采用统一的控制电路板，具有输出电压稳定、系统一致性好、控制灵活、生产制造方便等显著优势。
文档编号H02M7/5387GK201160259SQ20082001649
公开日2008年12月3日 申请日期2008年1月15日 优先权日2008年1月15日
发明者吴维礼, 郜克存, 隋学礼 申请人:青岛经济技术开发区创统科技发展有限公司