一种基于谐振式固有安全驱动电路

技术领域

本发明涉及一种基于谐振式固有安全驱动电路，属于轨道交通信号控制系统技术领域。

背景技术

根据EN50129的规定当控制系统发生单点故障时系统不会导致危险测输出，同时需要尽快的检测出故障在第二点故障发生前将系统导向安全测。固有故障安全原则是指:允许安全功能由单一部件来完成，且该部件自身所有的故障模式没有危险性，都是可以预见的，可信的，并需要在指定的应用环境下，结合该部件的故障模式，分析该部件的所有特性。固有故障安全的部件除了能够单独实现安全功能外，也可以用在组合式或反应式故障安全系统的某些功能上，如危险事件发生时切断系统输出。由于固有电路可以被允许安全功能由单一部件来完成，这样的好处是可以实现节约成本和降低系统的复杂度。

既有的轨道交通信号控制系统的执行层固有安全电路主要有两种分别是电容式动态驱动驱动电路和变压器的脉冲驱动电路。这两种电路的优点是体积小，可以直接驱动安全型继电器常作为输入/输出单元驱动输出。缺点是无法直接驱动大功率，同时也无法实现电子器件全链路故障检测。当发生故障时只能导向安全侧，但是无法实现全链路的故障检测导致电路，因此其使用范围受到限制。电容式固有驱动电路参见图1。变压器式固有驱动电路参见图2。

因此，需要一种新的固有安全驱动电路以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于谐振式固有安全驱动电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种基于谐振式固有安全驱动电路，包括第一谐振回路和第二谐振回路，所述第一谐振回路包括第一电容C1和变压器T1的初级线圈，所述第一电容C1的一端与所述初级线圈的一端连接，所述第二谐振回路包括变压器T1的次级线圈、第二电容C2和负载Z1，所述第二电容C2的两端分别连接所述次级线路的两端，所述负载Z1的两端分别连接所述第二电容C2的两端。

更进一步的，所述第一谐振回路的谐振频率为

更进一步的，所述第二谐振回路还包括二极管D1，所述二极管D1的正极和负极分别连接所述次级线圈的一端和所述第二电容C2的一端。

更进一步的，包括取样电阻R1，所述取样电阻R1的一端连接所述第一电容C1的另一端，所述取样电阻R1的另一端接地。

更进一步的，所述取样电阻R1为取样环。

更进一步的，包括N沟道MOS管，所述N沟道MOS管的漏极和源极分别连接所述第一电容C1的两端。

更进一步的，所述第一谐振回路的谐振频率不大于200KHz。

检测的原理：轨道交通信号领域的驱动负载的复阻抗都是固定不变的，因此工作正常情况下驱动特性不会变化，只有当负载故障时才会导致驱动特性发生变化（负载的阻抗发生变化），根据这一特性可以将电路工作初始状态调制谐振模式，此时电路效率最高。当负载复阻抗发生变化时，将会破坏电路固有的谐振频率，使驱动电路电流和驱动电压相位信息发生变化，因此依据相位差信息就可以判断出负载的运行状态为正常状态还是故障状态。

有益效果：本发明的基于谐振式固有安全驱动电路采用变压器进行电气隔离，抗干扰能力强，适用于电气化轨道区段，采用谐振式的驱动方式，对驱动波形环路的电流进行采样，根据驱动电压与电流的波形相位信息可以实现对负载的实时检测。

附图说明

图1是基于变压器的铁路固有安全驱动电路；

图2是基于电容的铁路固有安全驱动电路；

图3是本发明的基于谐振式固有安全驱动电路；

图4是本发明的基于谐振式固有安全驱动电路电压与电流相位图；

图5是本发明采用电流取样环进行取样电路。

实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图3所示，本发明的基于谐振式固有安全驱动电路，包括第一谐振回路和第二谐振回路，第一谐振回路包括第一电容C1和变压器T1的初级线圈，第一电容C1的一端与初级线圈的一端连接，第二谐振回路包括变压器T1的次级线路、第二电容C2和负载Z1，第二电容C2的两端分别连接次级线路的两端，负载Z1的两端分别连接第二电容C2的两端。

优选的，第一谐振回路的谐振频率为

优选的，第二谐振回路还包括二极管D1，二极管D1的正极和负极分别连接次级线圈的一端和第二电容C2的一端。

优选的，包括取样电阻R1，取样电阻R1的一端连接第一电容C1的另一端，取样电阻R1的另一端接地。还包括N沟道MOS管，N沟道MOS管的漏极和源极分别连接第一电容C1的两端。取样电阻R1上进行电流取样，其中，取样电阻R1不大于0.05欧姆，当驱动功率较大时采用电流取样环进行取样降低取样损耗，见图5所示。

为了解决现有固有安全驱动电路无法直接驱动大功率负载和无法全链路自检的缺陷，本发明基于谐振式固有安全驱动电路，采用谐振式驱动零电流关断的软开关技术降低驱动器发热提高驱动效率，经电流反馈取样电流的相位信息对负载进行检测做到实时报警，解决了既有固有电路的缺陷，从而扩展了电路的应用范围。

现有的固有安全驱动电路都是采用脉冲进行驱动，由于采用了硬开关进行驱动导致了驱动管发热，限制了驱动电路小型化设计。开关损耗包括导通损耗和截止损耗，前者为功率管从截止到导通时,所产生的功率损耗，后者为功率管从导通到截止时,所产生的功率损耗。开关损耗包括开通损耗和关断损耗。非理想的开关管在开通时，因为开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间，在这段时间内，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生损耗，这个损耗即为开通损耗。以此类比，可以得出关断损耗产生的原因。开关损耗另一个意思是指在开关电源中，对大的MOS管进行开关操作时，需要对寄生电容充放电，这样也会引起损耗。

本发明采用的基于谐振是软开关技术，可以实现驱动管开关零损耗，降低了驱动管的发热实现了电路小型化、提高了能量转换效率。采用谐振电路来提供稳定的电压输出，谐振电路由一个变压器和一个电容器组成，它们之间形成一个闭环系统。当电源输入电压被施加到变压器的输入端时，变压器将电压转换为另一个电压，并将其输出到电容器和电感器。电容器和电感器之间形成一个谐振电路，电容器存储电能，而电感器则把电能转换为磁能，并将其输出到变压器的输出端。由于变压器的输入端和输出端之间形成了一个闭环，因此电能在谐振电路中循环，从而产生一个稳定的电压输出。既有的固有安全驱动电路是开环式的，没有反馈环节，导致了电路故障无法被实时检测。本发明采用了谐振式的驱动方式，对驱动波形环路的电流进行采样根据驱动电压与电流的波形相位信息可以实现对负载的实时检测。

检测的原理：轨道交通信号领域的驱动负载的复阻抗都是固定不变的，因此工作正常情况下驱动特性不会变化，只有当负载故障时才会导致驱动特性发生变化（负载的复阻抗发生变化），根据这一特性可以将电路工作初始状态调制谐振模式，此时电路效率最高。当负载复阻抗发生变化时，将会破坏电路固有的谐振频率，使驱动电路电流和驱动电压相位信息发生变化，因此依据相位差信息就可以判断出负载的运行状态为正常状态还是故障状态。

驱动电路采用脉冲驱动，经过失效模式和效果分析FMEA方法分析所有器件各种失效都不会导致错误输出，满足固有安全电路的特性。同时由于有第一电容C1隔直左右，当CPU发生故障输出常高和常低也无法导致驱动电路输出。

当电路负载发生变化时，第一谐振频率受到次级线圈的第二谐振频率耦合影响导致谐振频率发生偏移，此时电路电流和电压相位信息发生改变，根据相位信息可以判断电路是否发生故障。

电流相位识别可以采用微处理器MCU的模/数转换器ADC进行取样，再进行傅里叶变换FFT后换算出相位信息与驱动波形的相位进行比较，当相位信息差小于一定阈值时说明电路正常。此外也可以采用硬件比较方式，由于电流频率和电压频率一致可以用硬件的异或门进行判断。由于驱动电路正常工作时电路处于谐振模式，驱动开关损耗为0，开关管在关断时电流为0，电路工作在DCM和临界模式。

调整驱动回路的驱动频率，用示波器观察当驱动输出关断时电流刚好过零点时说明电路处于谐振工作模式。电流与驱动电压的相位如图4所示。驱动负载发生变化时、负载短路、开路或者负载变大或变小都会导致整个驱动回路复阻抗发生变化。导致相位信息变化,对相位信息检测就可以实现全链路的故障检测。

在实际应用时可以根据工程需求选择变压器体积和驱动频率，频率越高变压器体积越小，单位体积驱动功率越大。但频率较高时变压器杂散参数较大,不利于变压器生产，本发明建议第一谐振驱动频率不超过200KHz。当功率比较时驱动电路采用全桥拓扑。驱动管为N沟道MOS管，如图3所示。优选的，谐振电容为CBB电容。

本发明的基于谐振式固有安全驱动电路采用变压器进行电气隔离，抗干扰能力强，适用于电气化轨道区段，采用谐振式的驱动方式，对驱动波形环路的电流进行采样，根据驱动电压与电流的波形相位信息可以实现对负载的实时检测。根据铁路控制信号系统的分类安全技术分为固有安全、反应式安全和组合式安全。轨道交通控制信号控制系统分为表示层、逻辑层、执行层，本发明用于执行层的驱动输出，可以直接驱动道岔、信号机、信号安全继电器等轨道交通信号控制系统的各种负载。