CN103616547B - 功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体器件领域，旨在提供功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路。该发明包括与功率半导体器件两端相接的端电压取样电路、稳压电路、信号发生电路和信号隔离传输电路；所述端电压取样电路的输出端与稳压电路的输入端连接；稳压电路的输出端与信号发生电路和信号隔离传输电路的供电端相连，信号发生电路的输出端与信号隔离传输电路的输入端连接；信号隔离传输电路包括通过光纤相连的光纤发送模块和光纤接收模块。本发明的有益效果是：无需外来电源供电，提高了设备的可靠性和稳定性；采用窄脉冲信号消耗的功率小，使取样信号更稳定；且提高了电压隔离等级，为设备在高压大功率应用领域里的稳定性和可靠性提供了保证。

Description

功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路及方法
技术领域
本发明属于功率半导体器件应用领域，具体涉及一种功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路及方法。
背景技术
功率半导体器件如晶闸管、IGBT、IGCT等，已经大量应用于各类变流器中，如三相整流器、变频器、有源滤波器、高压直流输变电等。在高压大功率应用领域，由于单只器件耐压不够，通常采用多个器件串联来提高耐电压能力。目前的大功率半导体器件损坏后一般均呈现短路状态，当串联器件中某一只损坏短路后，其它器件的电压负荷加重，若不能及时检测报警，势必导致其它器件的损坏并引发故障扩大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路，包括与功率半导体器件两端相接的端电压取样电路；还包括稳压电路、信号发生电路和信号隔离传输电路；所述端电压取样电路的输出端与稳压电路的输入端连接；稳压电路的输出端与信号发生电路和信号隔离传输电路的供电端相连，信号发生电路的输出端与信号隔离传输电路的输入端连接；信号隔离传输电路包括通过光纤相连的光纤发送模块和光纤接收模块。
本发明中，所述光纤光纤接收模块与后级的检测电路相连。
本发明中，所述功率半导体器件为晶闸管或IGBT、IGCT。
本发明中，所述端电压取样电路包括两个串联的电阻，端电压取样电路的一个输出端接于两个电阻的中点，另一个输出端则与功率半导体器件的一端相接。
本发明中，所述稳压电路包括一个整流器和一个滤波电容，整流器与滤波电容并联并接于端电压取样电路的两个输出端。
本发明中，所述信号发生电路包括两个电阻、两个电容和一个555集成块；555集成块的GND端接地，其CV端、THR端分别通过一个电容接地，各接地端还同时与稳压电路的一个输出端相连（所述的“接地”指与功率半导体器件的负端相接）；555集成块的DIS端通过一个电阻与THR端连接；TRIG端与THR端直接连接；DIS端还通过另一电阻与VCC端、R端连接，R端与VCC端与稳压电路的另一个输出端相连；555集成块的Q端为信号输出端。
本发明中，所述信号隔离传输电路包括一个电阻，其一端接于稳压电路的输出端，另一端与光纤发送模块相接；光纤接收模块接于信号发生电路的输出端。
本发明还提供了一种基于前述电路的功率半导体器件端电压光纤隔离取样方法，所述信号发生电路产生恒定频率的窄脉冲信号作为检测信号，窄脉冲频率为：
f = 1.43 ( R 3 + 2 R 5 ) C 3
该式中，f是窄脉冲信号的频率；R3是连接555集成块DIS端与VCC端、R端的电阻的阻值；R5是连接555集成块DIS端与THR端的电阻的阻值；C3是连接555集成块CV端、THR端与接地的电容的电容量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用的工作电源均来自功率半导体器件的端电压，无需外来电源供电，杜绝了由外来电源带来的干扰；
2、本发明以恒频的信号作为后级电路的检测信号，对后级电路的设计要求不高，提高了设备的可靠性和稳定性；
3、本发明信号发生电路产生的窄脉冲信号，由于采用高阻抗分压，带负载能力较差，采用窄脉冲信号消耗的功率小，可以使取样信号更稳定；
4、本发明采用光纤传输信号，相比其他的信号传输方式，除了有很强的抗干扰能力外，更重要的是电压隔离等级大大的提高，为设备在高压大功率应用领域里的稳定性和可靠性提供了保证。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的一种实施电路图。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
图1为本发明的原理框图。功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路包括与功率半导体器件5两端相接的端电压取样电路1，以及稳压电路2、信号发生电路3和信号隔离传输电路4。所述端电压取样电路1的输出端与稳压电路2的输入端连接；稳压电路2的输出端与信号发生电路3和信号隔离传输电路4的供电端相连，信号发生电路3的输出端与信号隔离传输电路4的输入端连接；信号隔离传输电路4包括通过光纤相连的光纤发送模块和光纤接收模块，光纤接收模块与后级的检测电路相连。所述功率半导体器件5为晶闸管或IGBT。
图2是本发明的一种实施电路图。在该实施例中，端电压取样电路1包括两个串联的电阻R1、R2，端电压取样电路1的一个输出端接于两个电阻的中点，另一个输出端则与功率半导体器件5的一端相接。端电压取样电路1通过电阻R1、R2分压来取样功率半导体器件两端的电压信号。
稳压电路2包括一个整流器B和一个滤波电容C1，端电压取样电路1的两个输出端与整流器B、滤波电容C1依次连相接。端电压取样电路1取样得到的电压信号经过整流器B整流和大电容C1滤波后，能生成平稳的直流电压，给后级的电路供电。
信号发生电路3包括两个电阻R3、R5、两个电容C2、C3和一个555集成块；555集成块的GND端接地，其CV端、THR端分别通过电容C2、C3接地，各接地端还同时与稳压电路1的一个输出端相连；555集成块的DIS端通过电阻R5与THR端连接；TRIG端与THR端直接连接；DIS端还通过电阻R3与VCC端、R端连接，R端与VCC端与稳压电路的另一个输出端相连；555集成块的Q端为信号输出端。所述的“接地”指与被检测功率半导体器件的负端相接。
信号隔离传输电路4包括电阻R4，光纤发送模块和光纤接收模块分别采用光纤收发器1521与光纤收发器2521。电阻R4的一端接于稳压电路2的输出端，另一端则与光纤收发器1521的1脚相接；光纤收发器2521的2脚接于信号发生电路的输出端。
稳压电路2输出的直流电压作为信号发生电路3的工作电压，同时连接到555集成块的R端，555集成电路组成的自激振荡电路以恒定的频率向后级电路发射窄脉冲信号。
稳压电路2输出的直流电压通过电阻R4连接到光纤接收模块一端作为工作电压，555集成块Q端产生的窄脉冲信号发送到光纤接收模块的另一端，再通过光纤发送模块传送到后级的检测电路。
本发明的工作原理是：正常工作的功率半导体器件5两端存在电压信号，经过阻抗分压取样，再经稳压电路2生成稳定的直流电压，信号发生电路3以稳压电路的输出为工作电压，以单稳态振荡的方式产生恒频的窄脉冲信号，并通过信号隔离传输电路4向后级的检测电路发射恒定频率窄脉冲信号。如果功率半导体器件5损坏，则端电压消失，信号发生电路3和信号隔离传输电路4将不能工作，后级的检测电路将接收不到窄脉冲信号，就会促发报警机制，采取保护措施，避免事故扩大。
本发明中，信号发生电路3产生恒定频率的窄脉冲信号作为检测信号，窄脉冲频率为：
f = 1.43 ( R 3 + 2 R 5 ) C 3
该式中，f是窄脉冲信号的频率；R3是连接555集成块DIS端与VCC端、R端的电阻的阻值；R5是连接555集成块DIS端与THR端的电阻的阻值；C3是连接555集成块CV端、THR端与接地的电容的电容量。
因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (5)

1.一种功率半导体器件端电压光纤隔离取样电路，包括与功率半导体器件两端相接的端电压取样电路；其特征在于，还包括稳压电路、信号发生电路和信号隔离传输电路；所述端电压取样电路的输出端与稳压电路的输入端连接；稳压电路的输出端与信号发生电路和信号隔离传输电路的供电端相连，信号发生电路的输出端与信号隔离传输电路的输入端连接；信号隔离传输电路包括通过光纤相连的光纤发送模块和光纤接收模块；所述光纤接收模块与后级的检测电路相连；
所述信号发生电路包括两个电阻R3、R5、两个电容C2、C3和一个555集成块；555集成块的GND端接地，其CV端、THR端分别通过电容C2和C3接地，各接地端还同时与稳压电路的一个输出端相连；555集成块的DIS端通过电阻R5与THR端连接；TRIG端与THR端直接连接；DIS端还通过电阻R3与VCC端、R端连接，R端和VCC端与稳压电路的另一个输出端相连；555集成块的Q端为信号输出端；该信号发生电路产生恒定频率的窄脉冲信号作为检测信号，窄脉冲频率为：
f = 1.43 ( R 3 + 2 R 5 ) C 3 .
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率半导体器件为IGCT或IGBT。
3.根据权利要求1中所述的电路，其特征在于，所述端电压取样电路包括两个串联的电阻R1、R2，端电压取样电路的一个输出端接于电阻R1、R2的中间，另一个输出端则与功率半导体器件的一端相接。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述稳压电路包括一个整流器和一个滤波电容C1，整流器与滤波电容C1并联并接于端电压取样电路的两个输出端。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述信号隔离传输电路包括一个电阻R4，其一端接于稳压电路的输出端，另一端与光纤发送模块相接；光纤接收模块接于信号发生电路的输出端。
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