本實用新型涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種基于模塊設(shè)計的APF模組級控制電路。

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背景技術(shù)：
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電力電子是指使用電力電子器件(如晶閘管，GTO，IGBT等)對電能進行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，給人們生活帶來了極大的便利，但在一些特殊行業(yè)中，比如說數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等，電力電子設(shè)備的使用同時也給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的污染。由于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等要求供電的電能質(zhì)量需滿足行業(yè)的最高標(biāo)準(zhǔn)，否則就會嚴(yán)重干擾計算機和精密儀器；而在地鐵行業(yè)中，大規(guī)模的電力電子驅(qū)動設(shè)備的應(yīng)用，也會嚴(yán)重污染城市電網(wǎng)，給電網(wǎng)設(shè)備和居民用電帶來安全隱患。針對該問題，現(xiàn)有的解決方案是通過有源電力濾波器(APF)實時監(jiān)測電網(wǎng)電流，其原理是：通過快速傅里葉變換，將電網(wǎng)電流分解得到基波電流幅值和相位及各次諧波電流幅值和相位，再根據(jù)APF人機界面設(shè)定，產(chǎn)生特定次幅值相同，相位相反的諧波，從而消除電網(wǎng)的諧波電流，達到凈化電網(wǎng)的目的。然而，APF本身也是電力電子產(chǎn)品，也是通過PWM調(diào)制實現(xiàn)上述的功能，那么APF必然會產(chǎn)生高頻諧波電壓和電流，對電網(wǎng)進行二次污染，因此，有必要設(shè)計一種濾波裝置來濾除高頻諧波。

目前，APF設(shè)計方案主要有兩種，第一種是一體化設(shè)計，該種設(shè)計方案主要在APF早期比較流行的一種方案，雖然可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高，不利于推廣使用；第二種是模塊化設(shè)計，也就是設(shè)計一種功率適中，技術(shù)成熟的模組，是根據(jù)現(xiàn)場實際需要的APF功率的大小來決定需要模組的數(shù)量，有效降低使用成本，因此，APF一體化設(shè)計是主流設(shè)計方案。

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技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本實用新型是針對上述的APF設(shè)計方案，研發(fā)了一種既能和APF總控制器通信又能控制改模組正常運行的基于模塊設(shè)計的APF模組級控制電路。

為了實現(xiàn)上述目的，設(shè)計一種基于模塊設(shè)計的APF模組級控制電路，所述的APF模組級控制電路包括APF主控制器、FPGA控制模塊、BUS電壓監(jiān)測電路、電流檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路及光纖通信電路，所述的電流檢測回路和BUS電壓監(jiān)測電路分別接至AD轉(zhuǎn)換電路后連接FPGA控制模塊，并將各自輸出的模擬量輸入到AD轉(zhuǎn)換電路內(nèi)，AD轉(zhuǎn)換電路將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊從而經(jīng)光纖通信電路與APF主控制器連接并進行通訊。

所述的APF模組級控制電路還包括驅(qū)動信號電路、繼電器控制回路、溫度檢測回路及風(fēng)扇控制電路，所述的FPGA控制模塊分別連接驅(qū)動信號電路、繼電器控制回路、溫度檢測回路及風(fēng)扇控制電路，F(xiàn)PGA控制模塊輸出數(shù)字信號至其連接的風(fēng)扇控制回路，從而控制風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，溫度檢測回路連接至FPGA控制模塊檢測IGBT內(nèi)部節(jié)點溫度，并將檢測到的溫度反饋給FPGA控制模塊。

所述的光纖通信電路由芯片U8、三極管Q3、電阻R25、電阻R26、電容C82、電容C83組成，芯片U8的1號管腳連接至三極管Q3的發(fā)射極，并抽頭一端并聯(lián)電阻R25、電阻R26、電容C82、電容C83后接至+5V直流電壓，芯片U8的2號管腳、3號管腳、4號管腳、5號管腳、8號管腳接地，所述的三極管Q3的集電極接地，三極管Q3的基極接至FPGA控制模塊。

所述的BUS電壓監(jiān)測電路的連接器CN10的2號端作為BUS+極依次串聯(lián)電阻R12、電阻R6、電阻R7、電阻R5、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4后接至放大器U7A的3號輸入正端，放大器U7A的3號輸入正端并聯(lián)電容C109后接地，連接器CN10的1號端作為BUS-極依次串聯(lián)電阻R16、電阻R21、電阻R15、電阻R20、電阻R18、電阻R13、電阻R19、電阻R14后接至放大器U7D的12號輸入正端，放大器U7D的12號輸入正端并聯(lián)電容C112后接地，放大器U7A的3號輸入正端與放大器U7D的12號輸入正端之間串聯(lián)電阻R22、滑動電阻VR1、電阻R24，放大器U7A的2號輸入負端與1號輸出端之間接有電阻R87，放大器U7A的2號輸入負端串聯(lián)電阻R88后與放大器U7D的13號輸入負端相連，放大器U7A的1號輸出端串聯(lián)電阻R54、電阻R83后連接至放大器U7B的7號輸出端，在電阻R54與電阻R83之間抽出一端連接至放大器U7B的6號輸入負端，放大器U7D的13號輸入負端與14號輸出端之間接有電阻R62，放大器U7D的14號輸出端連接電阻R53后連接至放大器U7B的5號輸入正端，放大器U7B的5號輸入正端另抽出一端連接電阻R68后接地，放大器U7B的7號輸出端串聯(lián)電阻R52、電阻R91后接至放大器U7C的9號輸入負端，電阻R52與電阻R91之間抽出一端連接電阻R90后接至放大器U7C的8號輸出端，放大器U7C的10號輸入正端接地，并抽出一端接電容C110后接至電阻R52一端，放大器U7C的9號輸入負端與放大器U7C的8號輸出端之間接有電容C111，放大器U7C的8號輸出端連接至AD轉(zhuǎn)換電路。

所述的AD轉(zhuǎn)換電路接收電流檢測回路和BUS電壓監(jiān)測電路輸出的信號，電流檢測回路的輸出信號連接電阻R193后接至放大器U23C的正輸入端，另抽出一端連接電阻R189后接至芯片U29的5號管腳，放大器U23C的負輸入端連接電阻R184后接地，放大器U23C的輸出端接至芯片U29的4號管腳，在放大器U23C的輸出端與放大器U23C的負輸入端之間接有電阻R190；BUS電壓監(jiān)測電路的輸出信號連接電阻R191后接至放大器U23B的正輸入端，另抽出一端連接電阻R107后接地，放大器U23C的負輸入端連接電阻R192后接地，放大器U23C的輸出端接至芯片U29的8號管腳，在放大器U23C的輸出端與放大器U23C的負輸入端之間接有電阻R117，芯片U29的24號管腳并聯(lián)電容C130及電容C131后接至+5V電壓，芯片U29的13號管腳并聯(lián)電容C107及電容C132后接至+5V電壓。

所述的APF模組級控制電路由DC-DC電源轉(zhuǎn)換供電電路進行供電，DC-DC電源轉(zhuǎn)換供電電路將+15V電源轉(zhuǎn)為±15V，±8V，+5V，+3.3V，+1.2V。

所述的FPGA模塊包括FPGA芯片、供電電路、晶振電路、復(fù)位電路及EEPROM存儲電路。

所述的風(fēng)扇控制電路由FPGA控制模塊控制，F(xiàn)PGA控制模塊輸出的脈沖信號接至IGBT管Q6的柵極，并抽出一端接+3.3V電壓，IGBT管Q6的源極分別接三極管Q4、三極管UC2的基極，三極管Q4的集電極與三極管UC2的集電極相接后接至IGBT管Q2的柵極，IGBT管Q2的漏極接有靜電抑制器D6防止靜電擊穿，IGBT管Q2的源極接至二極管D2的正極，并抽出一端接+15V電源，二極管D2的負極串聯(lián)電阻R36后接至IGBT管Q6的源極，二極管D2負極另引出一端串聯(lián)電容C161后與IGBT管Q2的漏極合并連接至電感L2一端，電感L2的另一端并聯(lián)電容C57、極性電容C55后連接至信號輸出端。

本實用新型同現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于：

1.本電路中的BUS電壓監(jiān)測電路、電流檢測電路都連接至AD轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路將電流值傳輸給FPGA模塊，電路結(jié)構(gòu)簡潔，既能有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)及使用降低成本，減少產(chǎn)品維護費用，又使得現(xiàn)場調(diào)試更加簡單，工作可靠；

2.APF主控制器與FPGA模塊之間采用光纖通信電路，抗干擾能力更強；

3.設(shè)有風(fēng)扇控制電路，可以實現(xiàn)扇熱風(fēng)扇的軟起功能，風(fēng)扇啟動時沖擊電流小，并能檢測風(fēng)扇的工作狀態(tài)，能有效防止因風(fēng)扇工作不正常而引起的模組溫度高，從而導(dǎo)致IGBT損壞的情況；

4.設(shè)有溫度檢測回路，檢測IGBT內(nèi)部節(jié)點溫度，能實時顯示溫度，并具有過溫報警、超溫自動停機的功能。

[附圖說明]

圖1是本實用新型的連接示意圖；

圖2是本實用新型中光纖通信電路的電路原理圖；

圖3是本實用新型中AD轉(zhuǎn)換電路的電路原理示意圖；

圖4是本實用新型中BUS電壓監(jiān)測電路的電路原理示意圖；

圖5是本實用新型中風(fēng)扇控制電路的電路原理圖。

[具體實施方式]

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明，這種裝置的結(jié)構(gòu)和原理對本專業(yè)的人來說是非常清楚的。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

實施例1

參見圖1，本APF模組級控制電路包括APF主控制器、FPGA控制模塊、BUS電壓監(jiān)測電路、電流檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、光纖通信電路、驅(qū)動信號電路、繼電器控制回路、溫度檢測回路及風(fēng)扇控制電路，電流檢測回路和BUS電壓監(jiān)測電路分別接至AD轉(zhuǎn)換電路后連接FPGA控制模塊，并將各自輸出的模擬量輸入到AD轉(zhuǎn)換電路內(nèi)，AD轉(zhuǎn)換電路將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊從而經(jīng)光纖通信電路與APF主控制器連接并進行數(shù)據(jù)通訊；FPGA控制模塊另外分別連接驅(qū)動信號電路、繼電器控制回路、溫度檢測回路及風(fēng)扇控制電路，F(xiàn)PGA控制模塊輸出數(shù)字信號至其連接的風(fēng)扇控制回路，從而控制風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，溫度檢測回路連接至FPGA控制模塊檢測IGBT內(nèi)部節(jié)點溫度，并將檢測到的溫度反饋給FPGA控制模塊。其中的繼電器控制回路主要是控制預(yù)充電電路；驅(qū)動信號電路是將FPGA模塊發(fā)出的驅(qū)動信號進行處理，并傳輸給驅(qū)動板，同時還能檢測驅(qū)動板的工作狀態(tài)，一旦驅(qū)動板故障，該電路就能檢測到，模組將自動停機，繼電器控制回路及驅(qū)動信號電路為常規(guī)設(shè)計電路。整個電路由DC-DC電源轉(zhuǎn)換供電電路進行供電，DC-DC電源轉(zhuǎn)換供電電路根據(jù)現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，將+15V電源轉(zhuǎn)為±15V，±8V，+5V，+3.3V，+1.2V，用以給各電路供電。

本實用新型中的APF主控制器是基于XILINX公司的FPGA，型號是XC6SLX9-3TQG114C為核心設(shè)計的模組級控制板，F(xiàn)PGA芯片較之DSP處理芯片，設(shè)計更加靈活，產(chǎn)品升級更加方便。FPGA控制模塊中供電電路、晶振電路、復(fù)位電路及EEPROM存儲電路，供電為DC1.2V，外部采用48MHz有源晶振，外擴2kB的EEPROM。由于芯片的供電電路、晶振電路、復(fù)位電路及EEPROM存儲電路為常用芯片的外圍設(shè)計電路，在此不做贅述。

FPGA控制模塊與APF主控制器之間經(jīng)光纖通信電路進行數(shù)據(jù)傳輸，光纖通信電路由芯片U8、三極管Q3、電阻R25、電阻R26、電容C82、電容C83組成，參見圖2，芯片U8的1號管腳連接至三極管Q3的發(fā)射極，并抽頭一端并聯(lián)電阻R25、電阻R26、電容C82、電容C83后接至+5V直流電壓，芯片U8的2號管腳、3號管腳、4號管腳、5號管腳、8號管腳接地，三極管Q3的集電極接地，三極管Q3的基極接至FPGA控制模塊。

BUS電壓監(jiān)測電路的電路圖見圖4，BUS電壓監(jiān)測電路的連接器CN10的2號端作為BUS+極依次串聯(lián)電阻R12、電阻R6、電阻R7、電阻R5、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4后接至放大器U7A的3號輸入正端，放大器U7A的3號輸入正端并聯(lián)電容C109后接地，連接器CN10的1號端作為BUS-極依次串聯(lián)電阻R16、電阻R21、電阻R15、電阻R20、電阻R18、電阻R13、電阻R19、電阻R14后接至放大器U7D的12號輸入正端，放大器U7D的12號輸入正端并聯(lián)電容C112后接地，放大器U7A的3號輸入正端與放大器U7D的12號輸入正端之間串聯(lián)電阻R22、滑動電阻VR1、電阻R24，放大器U7A的2號輸入負端與1號輸出端之間接有電阻R87，放大器U7A的2號輸入負端串聯(lián)電阻R88后與放大器U7D的13號輸入負端相連，放大器U7A的1號輸出端串聯(lián)電阻R54、電阻R83后連接至放大器U7B的7號輸出端，在電阻R54與電阻R83之間抽出一端連接至放大器U7B的6號輸入負端，放大器U7D的13號輸入負端與14號輸出端之間接有電阻R62，放大器U7D的14號輸出端連接電阻R53后連接至放大器U7B的5號輸入正端，放大器U7B的5號輸入正端另抽出一端連接電阻R68后接地，放大器U7B的7號輸出端串聯(lián)電阻R52、電阻R91后接至放大器U7C的9號輸入負端，電阻R52與電阻R91之間抽出一端連接電阻R90后接至放大器U7C的8號輸出端，放大器U7C的10號輸入正端接地，并抽出一端接電容C110后接至電阻R52一端，放大器U7C的9號輸入負端與放大器U7C的8號輸出端之間接有電容C111，放大器U7C的8號輸出端連接至AD轉(zhuǎn)換電路。BUS電壓監(jiān)測電路檢測電容組的BUS電壓，通過AD轉(zhuǎn)換電路將BUS電壓傳輸給FPGA模塊。

電流檢測電路檢測APF輸出電流，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路將電流值傳輸給FPGA模塊。

AD轉(zhuǎn)換電路接收電流檢測回路和BUS電壓監(jiān)測電路輸出的信號，見圖3，電流檢測回路的輸出信號連接電阻R193后接至放大器U23C的正輸入端，另抽出一端連接電阻R189后接至芯片U29的5號管腳，放大器U23C的負輸入端連接電阻R184后接地，放大器U23C的輸出端接至芯片U29的4號管腳，在放大器U23C的輸出端與放大器U23C的負輸入端之間接有電阻R190；BUS電壓監(jiān)測電路的輸出信號連接電阻R191后接至放大器U23B的正輸入端，另抽出一端連接電阻R107后接地，放大器U23C的負輸入端連接電阻R192后接地，放大器U23C的輸出端接至芯片U29的8號管腳，在放大器U23C的輸出端與放大器U23C的負輸入端之間接有電阻R117。

風(fēng)扇控制電路可以實現(xiàn)扇熱風(fēng)扇的軟起功能，并能檢測風(fēng)扇的工作狀態(tài)，有效防止因風(fēng)扇工作不正常而引起的模組溫度高，從而導(dǎo)致IGBT損壞的情況一旦風(fēng)扇停止工作，模組將自動停機，其電路具體結(jié)構(gòu)參見圖5，風(fēng)扇控制電路由FPGA控制模塊控制，F(xiàn)PGA控制模塊輸出的脈沖信號接至IGBT管Q6的柵極，并抽出一端接+3.3V電壓，IGBT管Q6的源極分別接三極管Q4、三極管UC2的基極，三極管Q4的集電極與三極管UC2的集電極相接后接至IGBT管Q2的柵極，IGBT管Q2的漏極接有靜電抑制器D6防止靜電擊穿，IGBT管Q2的源極接至二極管D2的正極，并抽出一端接+15V電源，二極管D2的負極串聯(lián)電阻R36后接至IGBT管Q6的源極，二極管D2負極另引出一端串聯(lián)電容C161后與IGBT管Q2的漏極合并連接至電感L2一端，電感L2的另一端并聯(lián)電容C57、極性電容C55后連接至信號輸出端。

溫度檢測電路檢測IGBT內(nèi)部節(jié)點溫度，在人機界面可以實時顯示該溫度，并具有過溫報警，超溫自動停機的工能，這樣能更加準(zhǔn)確確保IGBT在安全溫度范圍類工作。