CN104158525A

CN104158525A - 基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动igbt装置

Info

Publication number: CN104158525A
Application number: CN201410433626.1A
Authority: CN
Inventors: 赵建明; 徐彭飞; 杨萍; 徐开凯; 赵国; 周汉知
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN104158525B

Abstract

本发明公开了一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，包括用于产生光信号的光信号发生器、对光信号进行转换和控制的光控制器、对光信号进行传输的光纤介质，所述光信号发生器的光出射端通过光纤介质连接光控制器的光接收端，光控制器的信号输出端作为驱动输出端驱动外部变流系统。本发明通过光信号来控制IGBT的通断，采用浮电位的形式使控制信号不受受控功率器件的发射极电压的影响，具有结构简单、电气隔离性好、抗干扰能力强、控制方便且易于大功率控制等优点。本发明适用于动车、高铁等电车牵引传动，开关电源、电子开关、及各类电动机的调速等大功率变流系统中。

Description

基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置

技术领域

本发明属于电子功率器件控制领域，涉及一种光驱动的IGBT装置，具体地说是一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置。

背景技术

新型功率开关器件IGBT是由双极性三极管和绝缘栅场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，由于其综合了MOSFET和GTR两种器件的性能，因此，现有的功率开关器件IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、导通损耗低且耐高压、能承受大电流等特点，而被广泛应用于600V直流电压及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

由于IGBT具有上述的特性，因此在应用时IGBT的驱动电路需要满足以下几种要求：(1)在栅极和发射极之间提供适当的正反向电压，使 IGBT 能可靠地开通和关断；(2)要综合考虑IGBT 的开关时间，避免高速开启和关断产生很高的尖峰电压有可能造成的IGBT 自身或其他元件击穿；(3)IGBT 开通后，驱动电路要提供足够的电压、电流幅值，使 IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏；(4)要在驱动电路与IGBT功率电路之间提供有效的电器隔离；(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对 IGBT 的保护功能。

而目前对栅极电压控制的功率器件IGBT常用的驱动方法有直接驱动法、隔离驱动法和采用集成模块驱动的电路。而上述几种驱动方法分别具有以下的缺点：

（1）直接驱动法难以驱动大功率IGBT；

（2）隔离驱动法抗干扰能力差、难以远距离控制;

（3）集成模块驱动法电路复杂、成本高。

因此，需要寻求新的方法和技术手段来驱动IGBT使其在大功率、高电压下可靠工作。

发明内容

本发明的目的，是提供一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，所述的驱动装置电路简单、成本低、抗干扰能力强，且易于驱动大功率的IGBT开关器件。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，它包括：

用于产生光信号的光信号发生器、对光信号进行转换和控制的光控制器、对光信号进行传输的光纤介质，所述光信号发生器的光出射端通过光纤介质连接光控制器的光接收端，光控制器的信号输出端作为驱动输出端驱动外部变流系统。

作为对本发明中光信号发生器的限定：所述光信号发生器包括作为控制中心的PC控制模块、信号调制模块，以及发光的LED灯组，所述PC控制模块的脉冲信号输出端连接信号调制模块的信号输入端，信号调制模块的信号输出端连接LED灯组。

作为对本发明中光发生器的进一步限定：所述LED灯组包括至少一个LED灯；LED等为至少两个时，LED灯之间通过串联，或者并联，或者串联、并联混联的方式构成LED灯组。

作为本发明中光控制器的限定：所述光控制器包括用于接收光信号发生器发出光的光电池电源模块，与用于对光信号进行解调并转换为电信号的信号解调模块，所述信号解调模块的信号输出端通过电压放大模块连接电流放大模块的信号输入端；所述光电池电源模块的电压输出端分别连接信号解调模块、电压放大模块、电流放大模块的电源输入端，光电池电源模块的输出电压经降压稳压后的电压输出端还与电流放大模块的信号输出端构成脉冲变换模块，脉冲变换模块的信号输出端分别连接IGBT开关器件的栅极和发射极。

作为对本发明光控制器中光电池电源模块的进一步的限定：所述光电池电源模块为硫化镉光电池，所述硫化镉光电池的光接收面通过光纤介质连接光信号发生器的光输出端，硫化镉光电池的正负极输出端通过稳压滤波电路作为光电池电源模块的电压输出端。

作为对本发明光控制器中信号调制模块的限定：所述信号解调模块包括光敏三极管，所述光敏三极管的光接收面与光电池感光面通过同一光纤介质连接光发生器的光出射端，所述光敏三极管的集电极通过第五电阻连接光电池电源模块电源输出端的正极，发射极通过第六电阻连接光电池电源模块电能输出端的负极，同时光敏三极管的发射极还作为信号解调模块的信号输出端。

作为对本发明光控制器中电压放大模块的限定：所述电压放大模块包括运算放大器，所述运算放大器的同向输入端通过第四电容器连接光敏三极管的发射极；反向输入端通过第七电阻与第五电容器的串联电路连接光电池电源模块电源输出端的负极；输出端作为电压放大模块的信号输出端，同时还通过第八电阻连接自身的反向输入端；电源端连接光电池电源模块的电源输出端。

作为对本发明光控制器中电流放大模块的限定：所述电流放大模块包括第二三极管、第三三极管、第四三极管，所述第二三极管的基极连接运算放大器的输出端，集电极与发射极分别连接光电池电源模块的电源输出端，同时发射极还通过第二二极管与第十一电阻的并联电路分别连接第三三极管与第四三极管的基极，其连接点通过第六电容接于光电池电源模块电源输出端的负极，第三三级管的发射极与第四三极管的发射极相连接，第三三极管的集电极连接光电池电源模块电源输出端的正极，第四三极管的集电极连接光电池电源模块电源输出端的负极，所述第三三极管的发射极与第四三极管的发射极连接的中间节点作为电流放大模块的信号输出端。

作为对本发明光控制器中脉冲变换模块的限定：所述脉冲变换模块两输出端电压，为电流放大模块的输出电压与光电池电源模块电压输出端经降压稳压后的电压之差；所述电流放大模块的输出端连接IGBT开关器件的栅极，光电池电源模块电压输出端经降压稳压后输出端连接IGBT开关器件的发射极，同时IGBT开关器件的集电极与发射极作为整个光控制器的控制输出端。

由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本发明的光信号产生机构采用PC控制模块产生的控制脉冲与直流电源调制成脉动电流信号驱动LED灯组发光，实现电信号到光信号再到电信号的转换，最终实现通过PC控制模块对IGBT开关器件的开关控制，控制简单且易于实现；

（2）本发明的光信号采用光纤介质传输，抗干扰能力强，易于远距离控制，同时又能使控制电路与IGBT功率电路间具有很好的隔离，保证IGBT开关器件的安全使用；

（3）本发明光控制器的光电管采用敏感性极高的光敏三极管，光电池采用光转换效率高的硫化镉光电池，所需光电池面积小，易于实现光PC控制模块化，又由于直流电源的存在，能够保证在任意时刻光电池两端有输出电压，并且易于实现大功率IGBT开关器件的控制；

（4）本发明采用电信号到光信号转换，再由光信号到电信号的转化，不仅控制简单，抗干扰能力强，而且实现光隔离，并且控制信号不受IGBT开关器件发射极电压的影响，从而也解除使用场合的限制。

综上所述，本发明通过光信号来控制IGBT的通断，采用浮电位的形式使控制信号不受受控功率器件的发射极电压的影响，具有结构简单、电气隔离性好、抗干扰能力强、控制方便且易于大功率控制等优点。

本发明适用于动车、高铁等电车牵引传动，开关电源、电子开关、及各类电动机的调速等大功率变流系统中。

本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的原理框图；

图2是本发明实施例中光信号发生器1的电路原理图；

图3为本发明实施例的中光控制器2接收光信号的原理示意图；

图4是本发明实施例中光控制器2的电路原理图；

图5是本发明实施例中各个信号脉冲的波形示意图。

图中：1—光信号发生器，11—PC控制模块，12—信号调制模块，13—LED灯组，2—光控制器，21—光电池电源模块，22—信号解调模块，23—电压放大模块，24—电流放大模块，25—脉冲变换模块，3—光纤介质。

具体实施方式

实施例 一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置

本实施例为一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，如图1所示，它包括：

（1）光信号发生器1，用于产生光信号，本实施例中的光信号产生器如图1所示，包括：作为控制中心的PC控制模块11、信号调制模块12，以及发光的LED灯组13。所述PC控制模块11的脉冲信号输出端连接信号调制模块12的信号输入端，信号调制模块12的信号输出端连接LED灯组13。

本实施例中PC控制模块11为微控制器，可以采用单片机或者FPGA等微控制器，通过编程来控制输出脉冲信号；信号调制模块12的作用是将PC控制模块11输出的脉冲信号进行电流放大，并加载到信号调制模块12的静态电流上，输出脉动的电流信号 ,波形图如图5所示，脉动的电流驱动LED灯组13发光，当输入的电流有变化时，LED灯组13的亮度光强也发生变化，由此实现电信号到光信号的转变。

本实施例中信号调制模块12的电路构成如图2所示，包括第一三极管Q1，所述第一三极管Q1的基极通过第一电阻R1与第一电容器C1的串联电路连接PC控制模块11的脉冲信号输出端；集电极连接外部电源VDD，同时还通过第二电阻R2连接自身的基极；发射极作为输出端输出脉冲电流，同时通过第三电阻R3接地。

所述LED灯组13包括至少一个LED灯。当LED灯有两个或两个以上时，LED等之间通过串联，或者并联，或者串联、并联混联的方式构成LED灯组13，本实施例采用的是多个LED串联形成的LED灯组13，在具体应用中可以根据实际需要选择合适功率及构成形式的LED灯组13。

本实施例中光信号发生器1的工作原理为：以第一三极管Q1为核心的共集电极放大电路具有电流放大能力，当PC控制模块11没有信号输出，即第一三极管Q1的基极没有信号输入时，在第二电阻R2提供的静态偏置下，从发射极输出大小近似等于的电流，驱动LED灯组13点亮，在直流电源电压一定时，静态电流的大小可以通过改变第二电阻R2的阻值来设定；当PC控制模块11有脉冲信号输出，即第一三极管Q1的基极有信号输入时，脉冲信号经具有限流功能的第一电阻R1和耦合电容C1送入第一三极管Q1构成的放大器，经放大后叠加在静态电流上，形成脉冲电流驱动LED灯组13点亮，当LED灯组13的亮度增强时说明PC控制模块11输出的是正向脉冲，反之则说明PC控制模块11输出的为零脉冲，由此实现电信号到光信号的转换。

（2）光控制器2，所述光控制器2是基于光信号转换和IGBT开关器件的控制器，即其讲光信号发生器1产生的光信号转换成电信号后驱动IGBT开关器件，进而实现驱动外部系统的目的。所述光信号发生器1的光出射端通过光纤介质3连接光控制器2的光接收端，光控制器2的信号输出端作为驱动输出端驱动外部变流系统。

所述光控制器2如图1所示：包括用于接收光信号发生器发出光的光电池电源模块21，以及从光信号解调出信号并转换成电信号的信号解调模块22。所述信号解调模块22的信号输出端通过用于对信号解调模块输出的电信号进行电压放大的电压放大模块23，连接用于对电压放大模块23输出的电压信号进行电流放大的电流放大模块24的信号输入端。所述光电池电源模块21的电压输出端VCC、VSS分别连接信号解调模块22、电压放大模块23、电流放大模块24的电源输入端，光电池电源模块21的输出电压经降压稳压后的电压输出端VE，还与电流放大模块的信号输出端VG构成脉冲变换模块25，脉冲变换模块25的信号输出端VG、VE分别连接IGBT开关器件的栅极和发射极。

本实施例中光电池电源模块21采用硫化镉光电池，而硫化镉光电池两端输出电压的大小与光电池面积有关，具体应用时根据实际需要来选取光电池的面积硫化镉光电池。所述硫化镉光电池与光电三极管的光接收面通过光纤介质3连接光信号发生器1的光输出端，硫化镉光电池的正负极输出端通过稳压滤波电路作为光电池电源模块21的电源输出端。

而本实施例中的稳压滤波电路包括第二电容器C2（电解电容）、第三电容器C3、第四电阻R4，以及第一稳压管D1，所述第二电容器C2连接于硫化个电池的正负极两端，第一稳压管D1与第三电容器C3并联再与第四电阻R4串联后也连接在硫化镉电池的正负极两端。

本实施例中的信号解调模块22作为信号的检取模块，主要作用是识别变化的光信号，然后把光信号变成电信号输出。其构成如图4所示：包括光敏三极管QW1，本实施例中光敏三极管QW1采用灵敏度极高的PT19-21C。所述光敏三极管QW1的光接收端也通过光纤介质3连接光信号发生器1的光输出端，且该光纤介质3与光电池电源模块21与光信号发生器1相连接的光纤介质3为同一根光纤介质。所述光敏三极管QW1的集电极通过第五电阻R5连接光电池电源模块21电源输出端的正极VCC，发射极通过第六电阻R6连接光电池电源模块21电源输出端的负极V_SS，同时光敏三极管QW1的发射极还通过第四电容器C4（耦合电容）作为信号解调模块22的信号输出端，输出脉冲信号V_P1给后续的电压放大模块23。

所述电压放大模块23用于放大信号解调模块22检取出微弱的电压信号，并送入电流放大模块24中。其电路构成如图4所示：包括运算放大器U1，所述运算放大器U1的同向输入端通过第四电容器C4连接光敏三极管QW1的发射极；反向输入端通过第七电阻R7与第五电容器C5的串联电路连接光电池电源模块21电源输出端的负极V_SS；输出端作为电压放大模块23的信号输出端，同时还通过第八电阻R8连接自身的反向输入端；电源端连接光电池电源模块21的电源输出端；输出端作为电压放大模块23的信号输出端，输出脉冲信号V_P2给后续的电流放大模块24。

所述电流放大模块24主要作用是把电压放大模块23输出的脉冲进行电流放大，提高其电流驱动能力。其电路构成如图4所示，包括第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4，所述第二三极管Q2的基极连接运算放大器U1的输出端，集电极连接光电池电源模块21电源输出端的正极VCC，发射极通过第十电阻R10连接光电池电源模块21电源输出端的负极V_SS，同时发射极还通过第二二极管D2与第十一电阻R11的并联电路分别连接第三三极管Q3与第四三极管Q4的基极，第三三级管Q3的发射极与第四三极管Q4的发射极相连接，第三三极管Q3的集电极连接光电池电源模块21电源输出端的正极，第四三极管Q4的集电极连接光电池电源模块21电源输出端的负极，所述第三三极管Q3的发射极与第四三极管Q4的发射极连接的中间节点作为电流放大模块24的信号输出端，输出脉冲信号V_G给后续的脉冲变换模块25。

所述脉冲变换模块作为电压变换器把0、1信号变换成含有正负脉冲的信号驱动IGBT开关器件，正脉冲用于开启IGBT开关器件并维持开启状态,负脉冲用于关断IGBT开关器件。其电路构成如图4所示，包括电流放大模块24的输出电压V_G与光电池电源模块21降压稳压后输出V_E，所述电流放大模块24的输出电压连接IGBT开关器件的栅极，光电池电源模块21中第一稳压管D1、第三电容器C3并联后与第四电阻R4构成的串联电路的中间节点的输出电压V_E连接IGBT开关器件的发射极，同时IGBT开关器件的集电极与发射极作为整个光控制器的信号输出端。

本实施例中将光电池电源模块21、信号解调模块22、电压放大模块23、电流放大模块24、脉冲变换模块25和IGBT开关器件封装于一起，如图3所示，留出硫化镉光电池与光敏三极管QW1的感光面共同作为整个光控制器2的光接收端，而光纤介质3的一端正对光发生器1的光出射端固定设置，另一端正对光控制器2的光接收端固定设置，并留出IGBT开关器件的集电极与发射极端，即可成为能用光信号控制的光控制器2。

光控制器2的工作原理为：光电池的感光面接收光照后两端输出18V的直流电压，为信号解调模块22、电压放大模块23和电流放大模块24提供电源，18V的直流电压在第四电阻R4分压后又经第一稳压二极管D1稳压有一个6V的电压输出端，接在IGBT的发射极。当光敏三极管QW1的基极有光照并且达到一定强度时，光敏三极管QW1开始导通，并且其集电极电流与基极光照强度近似为线性关系，光信号发生器1的静态电流驱动LED灯组13发光为光敏三极管QW1提供静态偏置，当光强发生变化时，近似光敏三极管QW1有信号输出，在其发射极输出一个含直流成分的电流信号，经第四电容器C4隔直输出不含直流分量的脉冲信号，经电压放大模块23放大后输出，作为电流放大模块24的控制信号，经电流放大后输出幅度接近VCC且驱动电流大的脉冲信号接于IGBT的栅极，与电压做减运算，得到一个幅度为+12V和-6V的交流脉冲信号，控制IGBT开关器件的通断，进而控制外部变流系统，例如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。

此外，本实施例中的光纤介质3作为光信号的传输载体，采用单根光纤，其输入端正对LED灯组13的发光点固定，使LED灯组13发出的光完全耦合到光纤介质3内，输出端对准光控制器2中光接收端21的硫化镉光电池和光敏三极管QW1的感光面固定。由于光纤介质3抗干扰能力强，因此能够将光信号进行几乎无损耗的远距离传输到接收端。

本实施例正常工作时，通过编写程序使PC控制模块11输出需要的脉冲，脉冲的频率和占空比都可以通过程序来控制，或者通过人机交换让写入编好程序的PC控制模块11按照需要输出脉冲，PC控制模块11输出的信号经信号调制模块12处理后加载在静态直流电流上，输出的脉动电流驱动LED灯组13使LED点亮，使电信号转换为光信号。LED组发出的光经光纤介质2传导至光光电池电源模块21与信号调节模块22的感光面，使光信号转换成电信号。当PC控制器没电平输出时=，LED灯组13以电流驱动点亮LED并保持亮度不变，硫化镉电池两输出电压VCC也保持不变，此时===0V，，IGBT开关器件为截止状态；而当PC控制模块11输出高电平时，调制后输出的电流增大，此时LED灯组13的亮度增强，硫化镉电池两输出电压VCC稍有增加，此时===18V，，当由负脉冲变成正脉冲时，强大的电流驱使IGBT开关器件导通，并在保持正脉冲期间一直保持导通，当由正脉冲变成负脉冲时，不满足导通条件迫使IGBT器件关闭，并在并在保持负脉冲期间一直保持关闭（上述各个脉冲信号的波形图如图5所示）。由此当需要IGBT处于导通状态时，只需PC控制模块11输出正电平，当需要IGBT开关器件处于关闭状态时，只需PC控制模块11输出零电平，这样不仅控制方便，而且还便于远距离控制。

Claims

1.一种基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：包括：用于产生光信号的光信号发生器、对光信号进行转换和控制的光控制器、对光信号进行传输的光纤介质，所述光信号发生器的光出射端通过光纤介质连接光控制器，光控制器的信号输出端作为驱动输出端驱动外部变流系统。

2.根据权利要求1所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述光信号发生器包括作为控制中心的PC控制模块、信号调制模块，以及发光的LED灯组，所述PC控制模块的脉冲信号输出端连接信号调制模块的信号输入端，信号调制模块的信号输出端连接LED灯组。

3.根据权利要求2所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述LED灯组包括至少一个LED灯；LED灯为至少两个时，LED灯间通过串联，或者并联，或者串联、并联混联的方式构成LED灯组。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述光控制器包括用于接收光信号发生器发出光的光电池电源模块与用于对光信号进行解调并转换为电信号的信号解调模块，所述信号解调模块的信号输出端通过电压放大模块连接电流放大模块的信号输入端；所述光电池电源模块的电压输出端分别连接信号解调模块、电压放大模块、电流放大模块的电源输入端，光电池电源模块的输出电压经降压稳压后的电压输出端还与电流放大模块的信号输出端构成脉冲变换模块，脉冲变换模块的信号输出端分别连接IGBT开关器件的栅极和发射极。

5.根据权利要求4所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述光电池电源模块为硫化镉光电池，所述硫化镉光电池的光接收面通过光纤介质连接光信号发生器的光输出端，硫化镉光电池的正负极输出端通过稳压滤波电路作为光电池电源模块的电压输出端。

6.根据权利要求5所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述信号解调模块包括光敏三极管，所述光敏三极管的光接收面与光电池感光面通过同一光纤介质连接光信号发生器的光出射端，所述光敏三极管的集电极通过第五电阻连接光电池电源模块电源输出端的正极，发射极通过第六电阻后连接光电池电源模块电能输出端的负极，同时光敏三极管的发射极还作为信号解调模块的信号输出端。

7.根据权利要求6所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述电压放大模块包括运算放大器，所述运算放大器的同向输入端通过第四电容器连接光敏三极管的发射极；反向输入端通过第七电阻与第五电容器的串联电路连接光电池电源模块电源输出端的负极；输出端作为电压放大模块的信号输出端，同时还通过第八电阻连接自身的反向输入端；电源端连接光电池电源模块的电源输出端。

8.根据权利要求7所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述电流放大模块包括第二三极管、第三三极管、第四三极管，所述第二三极管的基极连接运算放大器的输出端，集电极与发射极分别连接光电池电源模块的电源输出端，同时发射极还通过第二二极管与第十一电阻的并联电路分别连接第三三极管与第四三极管的基极，其连接点通过第六电容接于光电池电源模块电源输出端的负极，第三三级管的发射极与第四三极管的发射极相连接，第三三极管的集电极连接光电池电源模块电源输出端的正极，第四三极管的集电极连接光电池电源模块电源输出端的负极，所述第三三极管的发射极与第四三极管的发射极连接的中间节点作为电流放大模块的信号输出端。

9.根据权利要求8所述的基于单根光纤供电与脉冲信号传输的光驱动IGBT装置，其特征在于：所述脉冲变换模块两输出端电压，为电流放大模块的输出电压与光电池电源模块电压输出端经降压稳压后的电压之差；所述电流放大模块的输出端连接IGBT开关器件的栅极，光电池电源模块电压输出端经降压稳压后输出端连接IGBT开关器件的发射极，同时IGBT开关器件的集电极与发射极作为整个光控制器的控制输出端。