CN104184310B - 控制半导体开关的光供电驱动电路及方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制第一半导体开关(52)的光供电驱动电路(40)及方法。该光供电驱动电路(40)包括光生伏打电池(100)，其被配置成接收来自纤维光缆(14)的第一光信号并响应该第一光信号输出第一电压。该光供电驱动电路(40)还包括能量存储装置(102)，其与光生伏打电池(100)电耦接，其被配置成存储从第一电压接收的电能并输出第二电压。该光供电驱动电路(40)还包括与光生伏打电池(100)和能量存储电路(102)都电耦接的电路。该电路通过第二电压供电。将该电路配置成接收第一电压并响应该第一电压输出第三电压，用于控制第一半导体开关(52)的操作。

Description

控制半导体开关的光供电驱动电路及方法

技术领域

本发明涉及控制半导体开关的光供电驱动电路和方法。

背景技术

已经开发了电栅极驱动，来控制用于给负载供电的半导体开关。栅极驱动是通过至少两个电导体而电耦接到外部电压源。这种设计的缺点在于电磁干扰(EMI)通过将不需要的电压和/或电流引入导体中可能退化了栅极驱动的工作性能。这种情况可能带来两种问题：1)无意地接通或无意地关断栅极驱动，以及2)来自沿线向下流动的高频电流的电磁辐射。

本发明人已经认识到需要一种改进的栅极驱动，其能够被光供电及控制，并且其可以减少和/或消除上述不足。

发明内容

根据示例性实施例提供了用于控制第一半导体开关的光供电驱动电路。该光供电驱动电路包括光生伏打电池，其被配置用来接收来自纤维光缆的第一光信号并响应该第一光信号输出第一电压。该光供电驱动电路还包括电耦接到光生伏打电池的能量存储装置，其被配置用来存储从第一电压接收到的电能并输出第二电压。该光供电驱动电路还包括与光生伏打电池和能量存储装置都电耦接的电路。该电路由第二电压供电。将该电路配置成接收第一电压并响应第一电压而输出第三电压，用于控制第一半导体开关的操作。

根据另一示例性实施例提供了利用光供电驱动电路来控制第一半导体开关的方法。该光供电驱动电路包括与能量存储装置和电路都电耦接的光生伏打电池。该电路与第一半导体开关电耦接。该方法包括接收在光生伏打电池处来自纤维光缆的第一光信号，以及响应于该第一光信号产生第一电压。该方法还包括在能量存储装置中存储来自第一电压的能量并从能量存储装置输出第二电压。该方法还包括利用第二电压为电路供电。该方法还包括响应由电路接收第一电压而引起第一半导体开关转变到第一操作状态。

根据另一示例性实施例提供一种控制第一半导体开关的光供电驱动电路。该光供电驱动电路包括光生伏打电池，其被配置成接收来自第一纤维光缆的第一光信号并响应该第一光信号产生第一电压。该光供电驱动电路还包括第二半导体开关，其被配置成接收来自第二纤维光缆的第二光信号并输出第二电压。该光供电驱动电路还包括与光生伏打电池和第二半导体开关都电耦接的电路。该电路由第一电压供电。将该电路配置成响应第二电压而输出用于控制第一半导体开关的操作的第三电压。

根据另一示例性实施例提供一种利用光供电驱动电路控制第一半导体开关的方法。该光供电驱动电路包括与电路电耦接的光生伏打电池。该电路与第一半导体开关电耦接。该方法包括接收在光生伏打电池处来自第一纤维光缆的第一光信号并响应该第一光信号产生第一电压。该方法还包括接收在第二半导体开关处来自第二纤维光缆的第二光信号并响应该第二光信号从第二半导体开关输出第二电压。该方法还包括利用第一电压为电路供电。该方法还包括响应由该电路接收第二电压而引起第一半导体开关转变到第一操作状态。

附图说明

图1是使用根据示例性实施例的多个光供电驱动电路的控制系统的示意图；

图2是根据示例性实施例用在图1的控制系统中的光供电驱动电路的示意图；

图3是根据另一示例性实施例的共振光供电驱动电路的示意图；

图4是图3的共振光供电驱动电路的简化示意图；

图5是在图3的共振光供电驱动电路的操作期间输出电压的波形示意图；

图6是在图3的共振光供电驱动电路的操作期间流经电感器的电流的波形示意图；

图7是在图3的共振光供电驱动电路的操作期间第一开关的操作状态的波形示意图；

图8是在图3的共振光供电驱动电路的操作期间第二开关的操作状态的波形示意图；

图9是图5中的波形的一部分的波形示意图；

图10是图6中的波形的一部分的波形示意图；

图11是根据另一示例性实施例的共振全桥光供电驱动电路的示意图；

图12是根据另一示例性实施例的全桥光供电驱动电路的示意图；

图13是根据另一示例性实施例的光供电驱动电路的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了用于控制电负载30的控制系统10的示意图，其利用了根据示例性实施例的多个光供电驱动电路。控制系统包括光源12、多个纤维光缆14，16，18，20，22，24、三相变换器26、电压源28以及电负载30。

提供光源12以产生通过纤维光缆14，16，18，20，22，24传播的多个光束，以控制三相变换器26的操作。光源12通过纤维光缆14，16，18，20，22，24光耦接到三相变换器26。应当注意的是在替换实施例中，纤维光缆14，16，18，20，22，24可以包括一个以上的光纤，从而允许多个光束通过一个纤维光缆传播。

提供三相变换器26用于在节点80，82，84处产生用于控制电负载30的信号。三相变换器26包括光供电门驱动电路40，42，44，46，48，50，晶体管52，54，56，58，60，62，以及二极管64，66，68，70，72，74。提供晶体管52，54，56，58，60，62用于产生信号，以控制电负载30。因为晶体管52，54，56，58，60，62以基本类似的方式操作，因此为了简单起见仅详细解释了晶体管52的操作。在操作期间，晶体管52响应从光供电驱动电路40产生的电压在两个操作状态之间切换。在第一操作状态中，晶体管52表现类似开路，只允许相对小量的电流通过晶体管52在节点76和80之间流动。在第二操作状态中，晶体管52表现类似短路，允许相对大量的电流在节点76和80之间流动。晶体管52在其工作在第一操作状态下时导通，以及在其工作在第二操作状态下时关断。提供二极管64，66，68，70，72，74以允许电流跨越晶体管52，54，56，58，60，62沿反平行路径流动。三相变换器26在节点76和78处与电压源28电耦接，以及在节点80，82和84处与电负载30电耦接。

提供电压源28以提供电能，以便为三相变换器26的各个部分供电。电压源28在节点76和78处与三相变换器26电耦接，并被配置成产生跨越节点76和78的电压。

提供电负载30以利用由三相变换器26提供的电脉冲来处理电能。电负载30在节点80，82和84处与三相变换器26电耦接。

提供光供电驱动电路40，42，44，46，48，50用于分别控制晶体管52，54，56，58，60，62的操作。来自光源12的光束通过纤维光缆14，16，18，20，22，24传播并分别由光供电驱动电路40，42，44，46，48，50接收。这些光束提供电能以为光供电驱动电路40，42，44，46，48，50供电。此外，这些光束提供控制信号用于引起光供电驱动电路40，42，44，46，48，50分别控制晶体管52，54，56，58，60，62的操作状态。因为光供电驱动电路40的结构基本上与光供电驱动电路42，44，46，48，50的结构类似，因此只提供了对光供电驱动电路40的详细说明。

为了讨论的目的，图2、3、4以及13中所涉及的电压是从节点80来参考的，除非另有说明。

参考图2，示出了控制系统10中所用的光供电驱动电路40的示意图。光供电驱动电路40包括光生伏打电池100，电容器102，二极管104，晶体管106，108，110，112，以及电阻器114，116，118，120，122，124，126，128，130，132。

提供光生伏打电池100用于将从纤维光缆14接收的光能转换成电能并在节点134和80之间产生电压。当从纤维光缆14接收光时，光生伏打电池100在节点134处输出与高电压对应的电压，并且当光没有被纤维光缆14接收时，在节点134处输出低电压。

提供电容器102用来存储由光生伏打电池100所产生的电能。电容器102与节点80处的光生伏打电池以及节点138处的二极管104电耦接。

提供二极管104以防止当光生伏打电池100没有接收来自纤维光缆14的光时电容器102放电。二极管104的阳极在节点134处与光生伏打电池100电耦接。二极管104的阴极在节点138处与电容器102电耦接。将二极管104配置成允许电流从光生伏打电池100流到电容器102。

提供晶体管106，108，110，112用于根据节点134处的电压在两个操作状态之间切换晶体管52。晶体管106，108，110，112表现为电气开关，其根据每个晶体管的基极和发射极之间的电压在两种不同的操作状态之间转换。晶体管106，108，和112为NPN晶体管，以及晶体管110为PNP晶体管。当相对于发射极节点80在节点134处接收高电压时，NPN晶体管比如晶体管106导通。当晶体管106导通时，在节点107与80之间将通过相对大量的电流。当相对于发射极节点80在节点134处接收低电压时，晶体管106将关断。当晶体管106关断时，节点107与节点80之间没有电流通过。晶体管108和112也是NPN晶体管，并且以与晶体管106类似的方式操作。当在节点107处接收低电压时，PNP晶体管比如晶体管110导通。当晶体管110导通时，节点138与148之间将通过相对大量的电流。当晶体管106关断时，晶体管110关断，并且电阻器126将基极节点144保持在节点138的电压电势。当晶体管110关断时，节点138与148之间没有电流通过。

提供晶体管110以将节点148充电到适于引起晶体管52导通的电压电平。提供晶体管112以将节点148放电到适于引起晶体管52关断的电压。提供晶体管106以当在节点134处接收高电压时引起晶体管110导通，以及当在节点134处接收低电压时引起晶体管110关断。提供晶体管108以当在节点134处接收高电压时引起晶体管112关断，以及当在节点134处接收低电压时引起晶体管112导通。

晶体管106在基极端电耦接到节点140，在发射极端电耦接到节点80，以及在其集电极端电耦接到节点107。晶体管108在基极端电耦接到节点142，在发射极端电耦接到节点80，以及在集电极端电耦接到节点146。晶体管110在基极端电耦接到节点144，在发射极端电耦接到节点138，以及在集电极端通过电阻器130电耦接到节点148。晶体管112在基极端电耦接到节点146，在发射极端电耦接到节点80，以及在集电极端通过电阻器132电耦接到节点148。

电阻器114串联连接在节点134和140之间。电阻器116串联连接在节点140和80之间。电阻器118串联连接在节点134和142之间。电阻器120串联连接在节点142和80之间。电阻器122串联连接在节点138和146之间。电阻器124串联连接在节点144和107之间。电阻器126串联连接在节点138和144之间。电阻器128串联连接在节点146和80之间。电阻器130串联连接在节点148和晶体管110的集电极之间。电阻器132串联连接在节点148和晶体管112的集电极之间。

现在来解释光供电驱动电路40的操作。当光生伏打电池100接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池100将光能转换成节点134和80之间的电压，其对应于相对于节点80在节点134处的高电压。二极管104允许节点134处的电压对电容器102充电，在节点138处产生高电压。节点134处的高电压引起晶体管106和108导通。当晶体管106和108导通时，存在使晶体管110导通的基极电流，并且晶体管112由于其不具有基极电流而关断。晶体管110允许电流从节点138传送到节点148，相对于节点80将节点148充电至足以引起晶体管52导通的电压。

类似地，当光生伏打电池100没有接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池100在节点134处产生相对于节点80低的电压。二极管104防止电容器102通过节点134放电。节点134处的低电压引起晶体管106和108关断。当晶体管106和108关断时，晶体管110关断且晶体管112导通。晶体管112允许电流从节点148传送到节点80，将节点148放电至足以引起晶体管52关断的电压。

参考图3，示出了根据另一示例性实施例的共振光供电驱动电路198的示意图，其可以代替光供电驱动电路40用在控制系统10中。光供电驱动电路198包括光生伏打电池200、电容器202、二极管204，252，254，电感器256，晶体管206，208，210，212，以及电阻器214，216，218，220，222，224，226，228。为了讨论的目的，晶体管52的栅极节点250和发射极节点80表现类似电容器。该电容包括晶体管52基极148至发射极80的电容，并且还包括晶体管52的栅极节点250和集电极76之间的有效米勒电容(miller capacitance)。

提供光生伏打电池200用于通过在节点234和80之间产生电压而将从纤维光缆14接收的光能转换成电能。当从纤维光缆14接收光时，光生伏打电池200在节点234处输出相对于节点80的高电压，以及当光没有通过纤维光缆14接收时，在节点234处输出低电压。

提供电容器202用于存储由光生伏打电池200产生的电能。电容器202在节点80处与光生伏打电池电耦接，以及在节点238处与二极管204电耦接。

提供二极管204以防止当光生伏打电池200没有接收来自纤维光缆14的光时电容器202放电。二极管204的阳极在节点234处与光生伏打电池200电耦接。二极管204的阴极在节点238处与电容器202电耦接。将二极管204配置成允许电流从光生伏打电池200流到电容器202。

提供晶体管206，208，210，212用于根据节点234处的电压在两种操作状态之间切换晶体管52。晶体管206，208，212是NPN晶体管并且按照与上述晶体管106类似的方式进行操作。晶体管210是PNP晶体管并且按照与上述晶体管110类似的方式进行操作。

提供晶体管210以向节点248并从而向节点250提供电压至适于引起晶体管52导通的电压电平。提供晶体管212以向节点248并从而向节点250提供适于引起晶体管52关断的电压。提供晶体管206以当在节点234处接收高电压时引起晶体管210导通，以及当在节点234处接收低电压时引起晶体管210关断。提供晶体管208以当在节点234处接收高电压时引起晶体管212关断，以及当在节点234处接收低电压时引起晶体管212导通。

晶体管206在基极端电耦接到节点240，在发射极端耦接到节点80，以及在集电极端耦接到节点207。晶体管208在基极端电耦接到节点242，在发射极端耦接到节点80，以及在集电极端耦接到节点246。晶体管210在基极端电耦接到节点244，在发射极端耦接到节点238，以及在集电极端通过二极管252耦接到节点248。晶体管212在基极端电耦接到节点246，在发射极端耦接到节点80，以及在集电极端通过二极管254耦接到节点248。

提供电感器256以当晶体管210导通时共振地将节点250充电至大于节点248处的电压的电压，以及当晶体管212导通时将节点250放电至低于节点248处的电压的电压。将电感器串联电耦接在节点248和250之间。共振电路包括电感器256和晶体管52的基极250至发射极80电容，以及基极250至集电极76电容。

提供二极管252和254以当晶体管210导通时，只允许正共振脉冲电流流入晶体管52的基极节点250，以及当晶体管212导通时，只允许负脉冲电流流入基极250。二极管252在阳极端与晶体管210的集电极电耦接，以及在阴极端耦接到节点248。将二极管252配置成允许电流从晶体管210传送到电感器256。二极管254在阳极端电耦接至节点248，以及在阴极端与晶体管212的集电极耦接。将二极管254配置成允许电流从电感器256传送到晶体管212。

电阻器214串联连接在节点234和240之间。电阻器216串联连接在节点240和80之间。电阻器218串联连接在节点234和242之间。电阻器220串联连接在节点242和80之间。电阻器222串联连接在节点238和246之间。电阻器224串联连接在节点244和207之间。电阻器226串联连接在节点238和244之间。电阻器228串联连接在节点246和80之间。

当光生伏打电池200接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池200将光能转换成对应于相对于节点80在节点234处的高电压的电压。二极管204允许节点234处的电压对电容器202充电，在节点238处产生高电压。节点234处的高电压引起晶体管206和208导通。当晶体管206和208导通时，晶体管210导通且晶体管212关断。晶体管210允许电流从节点238传送到节点248。电感器256与晶体管52的基极发射极(加上基极-集电极)电容形成了共振L-C电路。当晶体管210导通时，正共振半脉冲电流流入电感器256，将节点250充电至足以引起晶体管52导通的电压。二极管252防止当晶体管210导通时电感器256中的电流变为负的。

类似地，当光生伏打电池200没有接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池产生对应于相对于节点80在节点234处的低电压的电压。二极管204防止电容器202通过节点234放电。节点234处的低电压引起晶体管206和208关断。当晶体管206和208关断时，晶体管210关断且晶体管212导通。晶体管212允许电流从节点248传送到节点80，通过电感器256使52的基极电容共振地放电。电感器256与晶体管52的基极电容形成了共振L-C电路。当晶体管212导通时，负半脉冲电流流入电感器256，共振地将节点250放电至足以引起晶体管52关断的电压。二极管254防止当晶体管212导通时电感器256中的电流变为正的。

参考图4，利用共振光供电驱动电路198的简化示意图来解释电路198的能量恢复功能。光供电驱动电路198包括电压源278，控制电路280，开关210，212，二极管252，254，电感器256，表示为电容器282的节点250和80之间的IGBT基极电容。简化示意图中没有明确示出图3的光供电驱动电路198中所示的几个元件，以便更好地阐述能量恢复特征的操作。例如，图3中的电阻器214，216，218，220，222，224，226，228没有明确示出。

电压源278包括光生伏打电池200、二极管204以及电容器202的组合。提供电压源278用于通过在节点80和238之间产生电压而将从纤维光缆14接收的光能转换成电能。电压源与开关210和212电耦接。

控制电路280包括光生伏打电池200，晶体管206，208以及电阻器214，216，218，220，222，224，226，228的组合。提供控制电路280用于根据从纤维光缆14接收的光信号来控制开关210和212的操作。控制电路与节点80，238和248电耦接。由电压源278和控制电路280接收的光来自纤维光缆14。应当注意在替换实施例中，电压源278和控制电路280可以从纤维光缆14的不同的光纤中接收光。

电容器282与控制系统10中的晶体管52的基极-发射极(以及基极-集电极)电容相对应。将晶体管52模拟为电容器用于阐述晶体管52的栅极和基极之间的充电和放电特性。提供晶体管52用于产生信号以控制控制系统10中的电负载30。

在光供电驱动电路198的操作期间，电压源278接收来自纤维光缆14的光。电压源278将光能转换成电能，在节点80和238之间产生电压。当没有从纤维光缆14接收光时，电压源278在一段时间持续在节点80和238之间输出电压，直到能量存储电容器中保留的电能耗尽为止。

控制电路280在从纤维光缆14接收光时在节点244处产生电压，其闭合开关210，以及在没有从纤维光缆14接收光时在节点244处产生电压，其使开关210打开。此外，控制电路280在从纤维光缆14接收光时在节点246处产生电压，其打开开关212，以及在没有从纤维光缆14接收光时在节点246处产生电压，其闭合开关212。

光供电驱动电路198的能量恢复功能允许电路198共振地将电容器282充电至大于由电压供给278提供的电压的电压。该电压增益利用二极管252和254、以及电感器256来获得，这将在下面更详细地解释。

参考图7和8，提供分别说明开关210和212的操作状态的波形285，286。当开关210打开时，其表现类似开路，不允许电流在节点238与248之间流动。当开关210闭合时，其表现类似短路，允许相对大量的电流在节点238和248之间流动。图7-8示出了开关210和212在打开和闭合的位置之间交替变化。当开关210闭合时，开关212打开。此外，当开关212闭合时，开关210打开。应当注意的是，当开关210和212都打开时存在相对小部分的时间，以避免两个开关同时闭合的状态。开关210和开关212同时接通将使能量存储电容器202放电。

参考图5-8，当开关210闭合且开关212打开时，形成电流回路，该电流回路从电压源278开始，经过开关210，二极管252，电感器256，电容器282并回到电压源278。当开关210闭合时，波形287从低电压电平共振地转变到高电压电平。电感器256与电容器282形成了共振电路。此后，由波形288示出的经过电感器256的电流开始上升一段时间然后下降回到0。正电感电流表示电流从开关210经过二极管252和电感器256流到节点250。当存在正电流时节点250处的电压也共振地增加。当由波形288示出的电感电流回到0时，波形287稳定在高电压。此外，二极管252防止反向负电流流动并防止节点250处的电压通过电感器256放电。电压和电流保持稳定直到开关212闭合为止。

当开关210打开且开关212闭合时，形成共振电流回路，该电流回路从电容器282开始，经由电感器256，二极管254，开关212行进并返回电容器282。当开关212闭合时，控制波形286从低电压转变到高电压。此后，经过电感器256的电流开始在负方向上增加一段时间然后降回到0，如波形288所示。负电感电流表示电流从节点250经过二极管254流到开关212。当存在负电流时，节点250处的电压降低。当由波形288所示的电感电流返回到0时，波形287稳定在低电压。此外，二极管254防止正电流流动并由此防止节点250处的电压通过电感器256重新充电。电压和电流保持稳定直到开关210闭合为止。

参考图9和10，利用波形287，288的放大部分来提供光供电驱动电路198的能量恢复功能的更详细的说明。区域A被限定为时间t0与t1之间的时间间隔；区域B是时间t1与t2之间的时间间隔；区域C是时间t3与t4之间的时间间隔；区域D是时间t4与t5之间的时间间隔。

流经电感器256的电流的变化率与节点248和250之间的电压差成正比，以及与电感器256的电感值成反比。由此，如果节点248处的电压大于节点250处的电压，则经过电感器256的电流增加。类似地，如果节点248处的电压小于节点250处的电压，则经过电感器256的电流降低。如果节点248处的电压等于节点250处的电压，则经过电感器256的电流保持恒定值。

电容器282的各端处的电压的变化率与经过电感器256的电流成正比，以及与电容器282的电容值成反比。由此，如果经过电感器256的电流为正，则节点250处的电压增加。类似地，如果经过电感器256的电流为负，则节点250处的电压降低。如果没有电流通过电感器256，则节点250处的电压保持稳定。

参考图9和10的区域A，时间t0指示当开关210闭合时的时间点。由于电感器256抵抗电流的不连续变化，因此通过电感器256的电流不能在时间t0处瞬间跳到不同的值。类似地，由于电容器252抵抗其端子之间的电压的不连续变化，因此节点250与80之间的电压也不能在时间t0处瞬间跳到不同的值。由此，开关210刚一闭合后，通过电感器252的电流就保持其先前的零值，且节点250处的电压保持其先前的负值。此外，节点248处的电压跳到与节点238处的电压几乎相等的值。

因为节点248处的电压大于节点250处的电压，因此通过电感器256的电流开始在正方向上增加。当正电流开始流经电感器256时，电荷被转移到节点250，并且因此节点250处的电压开始增加。因此在区域A中，通过电感器256的电流增加同时节点250处的电压也增加。时间t1指示当节点248处的电压等于节点250处的电压时的时间。在该时间处，通过电感器256的电流达到其最大正值。

参考图9和10的区域B，在时间t1，因为正电流仍然在电感器256中从节点248流到节点250，因此在时间t1之后，节点250持续被充电至大于节点248处的电压的电压。因为节点250处的电压现在大于节点248处的电压，因此流经电感器256的电流开始降低。尽管电流降低，但其仍然是将电荷从节点248转移到节点250的正电流，并且由此，节点250处的电压持续增加。因此在区域B中，通过电感器256的电流为正但是降低的，同时节点250处的电压持续增加。时间t2指示当通过电感器256的电流降低至0时的时间。在时间t2，节点250处的电压达到其最大正值。此外，因为该电路已经通过包括电感器256和电容器282的谐振电路将能量从电压源278转移至电容器282，因此节点250处的电压显著大于节点248处的电压。

因为节点250处的电压大于节点238处的电压，因此如果不存在二极管252，则通过电感器256的电流将开始在负方向上增加。然而，二极管252防止负电流流经电感器256，由此防止节点250通过电感器256放电。

参考图9和10的区域C，时间t3指示当开关212闭合时的时间。开关212刚一闭合后，通过电感器256的电流就保持其先前的零值，并且节点250处的电压保持其先前的值，其是相对大的并且是正的。此外，节点248处的电压变为与节点80几乎相同的电压。因此，跨越电感器存在负电压，其等于在节点250处的电容器282电压。

因为节点248处的电压小于节点250处的电压，因此通过电感器256的电流的幅度在负方向上增加。当负电流开始流经电感器256时，电荷从节点250转移至节点248，并且因此节点250处的电压开始降低。因此，在区域C中通过电感器256的负电流的幅度增加，同时节点250处的电压降低。时间t4指示当节点248处的电压等于节点250处的电压时的时刻。在时间t4，通过电感器256的电流达到其最大负值。

参考图9和10的区域D，在时间t4，负电流仍然在电感器256中流动。因为节点248处的电压现在比节点250处的电压更正，因此通过电感器256的负电流的幅度开始降低。尽管电流的幅度降低，但仍然有负电流从节点250向节点248转移电流，并且由此，节点250处的电压持续降低。因此在区域D中，负电流的幅度降低同时电容器电压也持续降低。时间t5指示当通过电感器256的负电流的幅度达到零时的时刻。在时间t5，电容器282电压达到其最大负值。此外，刚好在电感器256电流达到零之前，节点248处的电压显著大于节点250处的电压。因为跨越电容器282的电压为负，并且电感器256电流现在为0，因此如果不存在二极管254，则通过电感器256的电流将开始在正方向上增加。然而，二极管254防止正电流流经电感器256，由此防止电容器282通过电感器256放电。

参考图11，示出了根据另一示例性实施例的共振全桥光供电驱动电路301的示意图，其可用在控制系统10中代替光供电驱动电路40。光供电驱动电路301包括光生伏打电池300，电容器302，二极管304，352，354，电感器386，晶体管306，308，310，312，356，358，360，362，以及电阻器314，316，318，320，322，324，326，328，330，332，364，366，368，370，372，374，376，378，380，382。对于图11，除非另外说明，所有电压都是相对于节点336的。

提供光生伏打电池300用于通过在节点334与336之间产生电压而将从纤维光缆14接收的光能转换成电能。当从纤维光缆14接收光时，光生伏打电池300在节点334处输出相对高的电压，以及当没有通过纤维光缆14接收光时，在节点334处输出低电压。

提供电容器302用于存储由光生伏打电池300所产生的电能。电容器302在节点336与光生伏打电池电耦接，以及在节点338与二极管304耦接。

提供二极管304以防止当光生伏打电池300没有接收来自纤维光缆14的光时电容器302放电。二极管304的阳极在节点334与光生伏打电池300电耦接。二极管304的阴极在节点338与电容器302电耦接。二极管304被配置成允许电流从光生伏打电池300流到电容器302。

提供晶体管306，308，310，312，356，358，360，362用于根据节点334处的电压在两种操作状态之间切换晶体管52。晶体管306，308，312，356，358和362是NPN晶体管并且按照与上述晶体管106类似的方式进行操作。晶体管310和360是PNP晶体管并且按照与上述晶体管110类似的方式进行操作。

提供晶体管310和362以相对于节点80对节点356充电，在节点356和80之间产生适于共振地对晶体管52的基极电容进行充电的电压，以将晶体管52导通。提供晶体管312和360以相对于节点80对节点356进行放电，在节点356与80之间产生适于共振地对晶体管52的基极电容进行放电的电压，以将晶体管52关断。提供晶体管306以当在节点334处接收高电压时引起晶体管310导通，以及当在节点334处接收低电压时引起晶体管310关断。提供晶体管308以当在节点334处接收高电压时引起晶体管312关断，以及当在节点334处接收低电压时引起晶体管312导通。提供晶体管356以当在节点346处接收高电压时引起晶体管360导通，以及当在节点346处接收低电压时引起晶体管360关断。提供晶体管358以当在节点346处接收高电压时引起晶体管362关断，以及当在节点346处接收低电压时引起晶体管362导通。

晶体管306在基极端电耦接到节点340，在发射极端耦接到节点336，以及在集电极端通过电阻器324耦接到节点344。晶体管308在基极端电耦接到节点342，在发射极端耦接到节点336，以及在集电极端耦接到节点346。晶体管310在基极端电耦接到节点344，在发射极端耦接到节点338，以及在集电极端通过二极管352和电阻器332耦接到节点350。晶体管312在基极端电耦接到节点348，在发射极端耦接到节点336，以及在集电极端耦接到节点350。晶体管356在基极端电耦接到节点390，在发射极端耦接到节点336，以及在集电极端通过电阻器374耦接到节点394。晶体管358在基极端电耦接到节点392，在发射极端耦接到节点336，以及在集电极端耦接到节点396。晶体管360在基极端电耦接到节点394，在发射极端耦接到节点338，以及在集电极端通过二极管354和电阻器382耦接到节点80。晶体管362在基极端电耦接到节点398，在发射极端耦接到节点336，以及在集电极端耦接到节点80。

提供电感器386以便当晶体管310导通时，相对于节点80，将节点356充电至比相对于节点80在节点350处的电压大的电压，以及当晶体管312关断时，相对于节点80，将节点356放电至比相对于节点80在节点350处的电压低的电压。电感器386串联地电耦接在节点350与356之间。

提供二极管352和354以便当晶体管312关断时，防止节点356放电，以及当晶体管310关断时，防止节点356重新充电。二极管352在阳极端电耦接到晶体管310的集电极，以及在阴极端通过电阻器332耦接到节点350。将二极管352配置成允许电流从晶体管310传送到电感器386。二极管354在阳极端电耦接到晶体管360的集电极，以及在阴极端通过电阻器382耦接到节点80。二极管354被配置成允许电流从晶体管360传送到节点80。

电阻器314串联连接在节点334和340之间。电阻器316串联连接在节点340和336之间。电阻器318串联连接在节点334和342之间。电阻器320串联连接在节点342和336之间。电阻器332串联连接在节点338和346之间。电阻器324串联连接在节点334和晶体管306的集电极之间。电阻器326串联连接在节点338和344之间。电阻器328串联连接在节点346和348之间。电阻器330串联连接在节点348和336之间。电阻器332通过二极管352串联连接在节点350和晶体管310的集电极之间。电阻器364串联连接在节点346和390之间。电阻器366串联连接在节点390和336之间。电阻器368串联连接在节点346和392之间。电阻器370串联连接在节点392和336之间。电阻器372串联连接在节点338和396之间。电阻器374串联连接在节点394和晶体管356的集电极之间。电阻器376串联连接在节点338和394之间。电阻器378串联连接在节点396和398之间。电阻器380串联连接在节点398和336之间。电阻器382通过二极管354串联连接在节点80和晶体管360的集电极之间。

现在对共振全桥光供电驱动电路301的操作进行解释。当光生伏打电池300接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池300将光能转换成节点334处的电压，其对应于相对于节点336在节点334处的高电压。二极管304允许节点334处的电压对电容器302充电，在节点338处产生高电压。节点334处的高电压引起晶体管306和308导通。当晶体管306和308导通时，节点307和346从高电压转变为低电压，引起晶体管310导通以及晶体管312关断。节点346处的低电压也引起晶体管356和358关断，进一步引起晶体管360关断以及晶体管362导通。导通的晶体管310和362允许电流从节点338传送至节点350，至节点356，至节点80，至节点336，并通过电容器302回到节点338。二极管352在晶体管312和360关断的同时防止电流反向进入节点356通过电感器358放电。如前所述，在该时间期间，电感器356与晶体管52的基极电容共振以使晶体管52导通。

类似地，当光生伏打电池300没有接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池300相对于节点336在节点334处产生电压，其对应于相对于节点336在节点334处的低电压。二极管304防止电容器302通过节点334放电。节点334处的低电压引起晶体管306和308关断。当晶体管306和308关断时，节点307和346从低电压转变为高电压，引起晶体管310关断以及晶体管312导通。节点346处的高电压也引起晶体管356和358导通，进一步引起晶体管360导通以及晶体管362关断。晶体管312允许电流从节点350传送到节点336，对节点350放电。晶体管360和312都导通并允许电流从节点338传送至节点80，通过晶体管52的基极电容，至节点356，至节点350，至节点336，并通过电容器302回到节点338。二极管354在晶体管310和362关断的同时防止节点356重新充电。如前所述，在该时间期间，电感器356与晶体管52的基极电容共振以使晶体管52关断。

参考图12，示出了根据另一示例性实施例的全桥光供电驱动电路401的示意图，其可用在控制系统10中代替光供电驱动电路40。光供电驱动电路40包括光生伏打电池400，电容器402，二极管404，晶体管406，408，410，412，456，458，460，462，以及电阻器414，416，418，420，422，424，426，428，430，432，464，466，468，470，472，474，476，478，480，482。对于图12，除非另外说明，所有电压都是相对于节点436的。

提供光生伏打电池400用于通过相对于节点436在节点434处产生电压将从纤维光缆14接收的光能转换成电能。当从纤维光缆14接收光时，光生伏打电池400在节点434处输出高电压，以及当没有通过纤维光缆14接收光时，在节点434处输出低电压。

提供电容器402用于存储由光生伏打电池400所产生的电能。电容器402在节点436与光生伏打电池电耦接，以及在节点438与二极管404耦接。

提供二极管404以防止当光生伏打电池400没有接收来自纤维光缆14的光时电容器402放电。二极管404的阳极在节点434处与光生伏打电池400电耦接。二极管404的阴极在节点438处与电容器402电耦接。二极管404被配置成允许电流从光生伏打电池400流到电容器402。

提供晶体管406，408，410，412，456，458，460，462用于根据节点434处的电压在两种操作状态之间切换晶体管52。晶体管406，408，412，456，458，和462是NPN晶体管并且按照与上述晶体管106类似的方式进行操作。晶体管410和460是PNP晶体管并且按照与上述晶体管110类似的方式进行操作。

提供晶体管410和462以相对于节点80对节点450充电，在节点450和80之间产生适于引起晶体管52导通的正电压。提供晶体管412和460以在节点450与节点80之间产生负电压，在节点450与80之间产生适于引起晶体管52关断的电压。提供晶体管406以便当在节点434处接收高电压时，引起晶体管410导通，以及当在节点434处接收低电压时，引起晶体管410关断。提供晶体管408以便当在节点434处接收高电压时，引起晶体管412关断，以及当在节点434处接收低电压时，引起晶体管412导通。提供晶体管456以便当在节点446处接收高电压时，引起晶体管460导通，以及当在节点446处接收低电压时，引起晶体管460关断。提供晶体管458以便当在节点446处接收高电压时，引起晶体管462关断，以及当在节点446处接收低电压时，引起晶体管462导通。

晶体管406在基极端电耦接到节点440，在发射极端耦接到节点436，以及在集电极端与节点407耦接。晶体管408在基极端电耦接到节点442，在发射极端耦接到节点436，以及在集电极端耦接到节点446。晶体管410在基极端电耦接到节点444，在发射极端耦接到节点438，以及在集电极端通过电阻器432耦接到节点450。晶体管412在基极端电耦接到节点448，在发射极端耦接到节点436，以及在集电极端耦接到节点450。晶体管456在基极端电耦接到节点490，在发射极端耦接到节点436，以及在集电极端通过电阻器474耦接到节点494。晶体管458在基极端电耦接到节点492，在发射极端耦接到节点436，以及在集电极端耦接到节点496。晶体管460在基极端电耦接到节点494，在发射极端耦接到节点438，以及在集电极端通过电阻器482耦接到节点80。晶体管462在基极端电耦接到节点498，在发射极端耦接到节点436，以及在集电极端耦接到节点80。

电阻器414串联连接在节点434和440之间。电阻器416串联连接在节点440和436之间。电阻器418串联连接在节点434和442之间。电阻器420串联连接在节点442和436之间。电阻器422串联连接在节点438和446之间。电阻器424串联连接在节点444和晶体管406的集电极之间。电阻器426串联连接在节点438和444之间。电阻器428串联连接在节点446和448之间。电阻器430串联连接在节点448和436之间。电阻器432串联连接在节点450和晶体管410的集电极之间。电阻器464串联连接在节点446和490之间。电阻器466串联连接在节点490和436之间。电阻器468串联连接在节点446和492之间。电阻器470串联连接在节点492和436之间。电阻器472串联连接在节点438和496之间。电阻器474串联连接在节点494和晶体管456的集电极之间。电阻器476串联连接在节点438和494之间。电阻器478串联连接在节点496和498之间。电阻器480串联连接在节点498和436之间。最后，电阻器482串联连接在节点80和晶体管460的集电极之间。

现在对全桥光供电驱动电路401的操作进行解释。当光生伏打电池400接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池400将光能转换成节点434与节点436之间的电压，其对应于相对于节点436在节点434处的高电压。二极管404允许节点434处的电压对电容器402充电，在节点438处产生高电压。节点434处的高电压引起晶体管406和408导通。当晶体管406和408导通时，节点407和446从高电压转变为低电压，引起晶体管410导通且晶体管412关断。节点446处的低电压也引起晶体管456和458关断，进一步引起晶体管460关断且晶体管462导通。晶体管462允许电流从节点80传送到节点436，对节点80放电。晶体管410允许电流从节点438传送至节点450，通过晶体管52的基极电容，通过晶体管462，并通过电容器402回到节点438。这相对于节点80将节点450充电至足以引起晶体管52导通的正电压。

类似地，当光生伏打电池400没有接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池400在节点434和436之间产生电压，其对应于相对于节点436在节点434处的低电压。二极管404防止电容器402通过节点434放电。节点434处的低电压引起晶体管406和408关断。当晶体管406和408关断时，节点407和446从低电压转变为高电压，引起晶体管410关断且晶体管412导通。节点446处的高电压也引起晶体管456和458导通，进一步引起晶体管460导通且晶体管462关断。导通的晶体管460和412允许电流从节点438传送到节点80，通过晶体管52的基极电容，通过晶体管412，并通过电容器402回到节点438。这相对于节点80将节点450充电至足以引起晶体管52关断的负电压。

参考图13，示出了根据另一示例性实施例的光供电驱动电路499的示意图，其可以用在控制系统10中代替光供电驱动电路40。光供电驱动电路40包括光生伏打电池500，电容器502，晶体管504，506，508，510，电阻器512，514，516，518，520。

提供光生伏打电池500用于通过在节点524与80之间产生电压将从纤维光缆14接收的光能转换成电能。当从纤维光缆14接收光时，光生伏打电池500在节点524处输出高电压，以及当没有通过纤维光缆14接收光时，在节点524处输出低电压。

提供电容器502用于存储由光生伏打电池500所产生的电能。电容器502电耦接到节点524和节点80处的光生伏打电池。

提供晶体管504，506，508，510用于根据节点528处的电压在两种操作状态之间切换晶体管52。晶体管504，506，508是NPN晶体管并且按照与上述晶体管106类似的方式进行操作。晶体管510是PNP晶体管并且按照与上述晶体管110类似的方式进行操作。

提供晶体管508以将节点538充电至适于引起晶体管52导通的电压。提供晶体管510以将节点538放电至适于引起晶体管52关断的电压。提供晶体管506以便当在节点530处接收低电压时引起晶体管508导通且晶体管510关断，以及当在节点530处接收高电压时引起晶体管508关断且晶体管510导通。提供晶体管504以便当在基极端接收光时引起晶体管506关断，以及当在基极端没有接收光时引起晶体管506导通。

晶体管504在基极端与纤维光缆14的光纤电耦接，在发射极端与节点80耦接，以及在集电极端与节点528耦接。晶体管506在基极端电耦接到节点530，在发射极端耦接到节点426，以及在集电极端与节点532耦接。晶体管508在基极端电耦接到节点534，在发射极端耦接到节点536，以及在集电极端与节点524耦接。晶体管510在基极端电耦接到节点534，在发射极端耦接到节点536，以及在集电极端与节点80耦接。

电阻器512串联连接在节点524和528之间。电阻器514串联连接在节点528和530之间。电阻器516串联连接在节点524和532之间。电阻器518串联连接在节点532和534之间。电阻器520串联连接在节点536和538之间。

现在对光供电驱动电路499的操作进行解释。当光生伏打电池500接收来自纤维光缆14的光时，光生伏打电池500将光能转换成节点524与节点80之间的电压，其对应于相对于节点80在节点524处的高电压。当光生伏打电池500没有接收来自纤维光缆14的光纤的光时，电容器502将节点524处的高电压保持一有限的时间段。

当晶体管504在基极端接收来自第二纤维光缆的光时，晶体管504导通。当晶体管504导通时，节点528从高电压转变为低电压。节点528处的低电压引起晶体管506关断。当晶体管506关断时，节点532从低电压转变为高电压。节点532处的高电压引起晶体管508导通且晶体管510关断。晶体管508允许电流从节点524传送到节点536，对节点538进行充电，并引起晶体管52导通。

类似地，当晶体管504在基极端没有接收来自第二纤维光缆的光时，晶体管504关断。当晶体管504关断时，节点528从低电压转变为高电压。节点528处的高电压引起晶体管506导通。当晶体管506导通时，节点532从高电压转变为低电压。节点532处的低电压引起晶体管508关断且晶体管510导通。晶体管510允许电流从节点536传送到节点80，对节点538进行放电，并引起晶体管52关断。

此处公开的光供电驱动电路和方法提供了优于其它驱动电路和方法的相当大的优点。特别地，这些光供电驱动电路具有可通过来自纤维光缆的一个或多个光信号进行供电和控制的技术效果，以控制与这些光供电驱动电路耦接的半导体开关的操作。

尽管参考示例性实施例对本发明的实施例进行了描述，但本领域技术人员能够理解在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出多种变化并且其元件可由等价物来替代。此外，在不脱离其范围的情况下，对本发明的教导可以作出多种修改以适应特定的情况。因此，本发明并不旨在局限于所公开的用于实施本发明的实施例，而是本发明包括落入预定权利要求范围内的所有实施例。此外，所用到的术语第一、第二等并不表示重要性的任何次序，而是采用术语第一、第二等来将一个元件区别于另一个。此外，所用到的术语一、一个等并不表示对数量的限定，而是表示存在至少其中一个所引用的项。

部件列表：

控制系统 10

电负载 30

光源 12

纤维光缆 14，16，18，20，22，24

三相变换器 26

电压源 28

驱动电路 40，42，44，46，48，50

晶体管 52，54，56，58，60，62

二极管 64，66，68，70，72，74

节点 76，78，80，82，84，107

光生伏打电池 100

电容器 102

二极管 104

晶体管 106，108，110，112

电阻器 114，116，118，120，122，124，126，128，130，132

节点 134，138，140，142，146，148

光供电驱动电路 198

光生伏打电池 200

电容器 202

晶体管 206，208，210，212

电阻器 214，216，218，220，222，224，226，228

二极管 204，252，254

栅极节点 250

二极管 252

电感器 256

节点 207，234，238，240，242，244，246，248，250

电压源 278

控制电路 280

电容器 282

波形 285，286，287，288

光生伏打电池 300

驱动电路 301

电容器 302

二极管 304，352，354

晶体管 306，308，310，312，356，358，360，362

电阻器 314，316，318，320，322，324，326，328，330，332，364，366，368，370，372，374，376，378，380，382

节点 307，334，336，338，340，342，344，346，348，350，390，392，394，396，398

电感器 386

光生伏打电池 400

驱动电路 401

电容器 402

二极管 404

晶体管 406，408，410，412，456，458，460，462

电阻器 414，416，418，420，422，424，426，428，430，432，464，466，468，470，472，474，476，478，480，482

节点 407，434，436，438，440，442，444，446，450，490，492，494，496，498

驱动电路 499

光生伏打电池 500

电容器 502

晶体管 504，506，508，510

电阻器 512，514，516，518，520

节点 524，528，530，532，534，536，538

Claims (1)

1.一种用于控制第一半导体开关（52）的开关操作的光供电驱动电路（40），所述第一半导体开关（52）耦合在开关电压源（28）和负载（30）之间，其中所述第一半导体开关（52）具有基极节点或栅极节点（250），所述光供电驱动电路（40）适于借助于来自第一纤维光缆（14）的第一光信号来被供电并且被控制，所述光供电驱动电路（40）包括：

光生伏打电池（100、200），被配置成接收来自所述第一纤维光缆（14）的所述第一光信号并且响应于所述第一光信号而在相对于参考节点（80）的第一节点（234）处输出第一电压；

能量存储装置（202），经由二极管（204）而被电连接到所述光生伏打电池（200）并且被配置成借助于所述第一电压来存储从所述光生伏打电池（200）接收的电能以及在第二节点（238）处输出更低的第二电压；

电耦合至所述能量存储装置（202）的电路，所述电路由所述第二电压供给能量，并且所述电路被电耦合至所述光生伏打电池（200），所述电路被配置成接收所述第一电压并且响应于所述第一电压而输出第三电压以用于控制所述第一半导体开关（52）的操作；

电感器（256），被串联连接在所述电路的第三节点（248）和所述第一半导体开关（52）的所述基极节点或栅极节点（250）之间，所述电感器（256）形成共振栅极驱动器，所述共振栅极驱动器响应于所述第一电压被所述电路接收而将电力从所述电路转移至所述第一半导体开关（52）；

其中所述电路包括第二半导体开关（210），所述第二半导体开关（210）是PNP晶体管并且被配置成响应于所述第一电压被所述电路接收而将所述第一半导体开关（52）转变到第一操作状态，其中所述第二半导体开关（210）能够操作用来经由二极管（252）在所述第二节点（238）和所述基极节点或栅极节点（250）之间通过电流以将电流的正脉冲提供给所述第三节点（248）；以及

其中所述电路进一步包括第三半导体开关（212），所述第三半导体开关（212）是NPN晶体管并且被配置成响应于所述第一电压没有被所述电路接收而将所述第一半导体开关（52）转变到第二操作状态，其中所述第三半导体开关（212）能够操作用来经由二极管（254）在所述参考节点（80）和所述基极节点或栅极节点（250）之间通过电流以将电流的负脉冲提供给所述第三节点（248）。

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