CN104579279A - 一种光纤触发式高压固态开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤触发式高压固态开关，包括高压直流电源、FPGA控制系统、光纤驱动信号传输部分、光纤故障信号传输部分、IGBT串联电路、IGBT驱动模块、IGBT均压电路，光纤驱动信号传输部分包括第一光纤发射模块和第一光纤接收模块，光纤故障信号传输部分包括第二光纤发射模块和第二光纤接收模块，IGBT串联电路中设有多个串联的IGBT开关，IGBT驱动模块和IGBT均压电路均设有多个，且IGBT驱动模块和IGBT开关的个数相等，高压直流电源的正极通过负载连接IGBT串联电路中第一个IGBT开关的集电极，高压直流电源的负极连接IGBT串联电路中最后一个IGBT开关的发射极。本发明集成度高，电路板体积小，成本低，提供有效的电气隔离，具有过流和短路保护功能，使用灵活方便。

Description

一种光纤触发式高压固态开关

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种光纤触发式高压固态开关。

背景技术

耐高压、耐大电流的固态开关，不仅在高压而且在食品非热、医疗器械、军事雷达、材料处理等领域都有极大的应用空间。半导体电力开关器件IGBT是一种复合全控型功率半导体器件，它的输入控制极为MOSFET，输出极为GTR，因而既有MOSFET开关速度快，驱动方式简单的特点同时又有GTR耐压高、载流能力强的优点。但是在大功率高电压的场合下，单个IGBT作为高压固态开关仍难以达到要求。为了应用于高电压的领域，将耐压等级低的若干个IGBT进行串联以达到较高耐压等级是一种有效的解决方案，且成本较低，受到了广泛的关注。

在IGBT串联过程中，由于IGBT芯片内部结构的细微差异以及触发装置发出触发信号延时的误差，实际应用中会产生串联IGBT之间电压分布不均的问题，这将大大影响器件的使用寿命和电路的工作效率，严重时会造成设备的损坏。因此，如何使串联的IGBT实现同时通断，是实现IGBT串联的关键技术。

对此现有技术有多种解决方法：一类是针对IGBT栅极驱动信号同步性的栅极驱动控制；另一类是针对IGBT功率端电压平衡的动态均压。前者主要通过一个具有纳秒级响应速度的监控电路来实现对每只IGBT驱动信号的闭环控制，控制精度高，电路结构复杂。后者主要通过在IGBT功率端并联一定的缓冲电路来实现IGBT的静态和动态均压，结构简单但可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成度高、电路板体积小的光纤触发式高压固态开关，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤触发式高压固态开关，包括高压直流电源、FPGA控制系统、光纤驱动信号传输部分、光纤故障信号传输部分、IGBT串联电路、IGBT驱动模块、IGBT均压电路，所述光纤驱动信号传输部分包括第一光纤发射模块和第一光纤接收模块，所述光纤故障信号传输部分包括第二光纤发射模块和第二光纤接收模块，所述IGBT串联电路中设有多个串联的IGBT开关，所述IGBT驱动模块和IGBT均压电路均设有多个，且IGBT驱动模块和IGBT开关的个数相等，所述高压直流电源的正极通过负载连接IGBT串联电路中第一个IGBT开关的集电极，高压直流电源的负极连接IGBT串联电路中最后一个IGBT开关的发射极，所述IGBT开关的基极连接IGBT驱动模块，所述IGBT均压电路的两端分别连接IGBT的集电极和发射极，所述FPGA控制系统的输出端依次通过第一光纤发射模块和第一光纤接收模块连接IGBT驱动模块的输入端，所述IGBT驱动模块的输出端依次通过第二光纤发射模块和第二光纤接收模块连接PFPGA控制系统的输入端；

所述第一光纤发射模块和第二光纤发射模块的发送头U9的型号为HFBR-2412，发送头U9的2脚分别连接电容C20、电阻R11和5V电压信号，电容C20另一端分别连接发送头U9的3脚、发送头U9的7脚、电容C21并接地，电容C21另一端分别连接电阻R15、电阻R11另一端和发送头U9的7脚，电阻R15另一端分别连接电阻R14和三极管Q1的基极，电阻R14另一端分别连接电阻R10和5V电压信号，电阻R10另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地；

所述第一光纤接收模块和第二光纤接收模块的接收头U8的型号为HFBR-1414，接收头U8的3脚接地，接收头U8的2脚分别连接接收头U8的6脚、接收头U8的7脚、芯片U10的3脚和电阻R18，芯片U10的4脚接地，芯片U10的8脚连接5V电压信号，电阻R18另一端分别连接电容C22、芯片U10的1脚和5V电压信号，电容C22另一端连接芯片U10的2脚；

所述IGBT驱动模块采用的驱动器P2的型号为M57962L，驱动器P2的1脚分别连接二极管D1和稳压二极管D4，二极管D1另一端连接插头P4的1脚，稳压二极管D4另一端分别连接驱动器P2的6脚、电容C7和电源芯片P6的8脚，电容C7另一端分别连接电容C5、电源芯片P6的7脚、稳压二极管D8和插头P4的2脚，电容C5另一端分别连接驱动器P2的4脚、电阻R1和电源芯片P6的6脚，电阻R1另一端连接光电耦合器U2的2脚，光电耦合器U2的1脚连接5V电压信号，光电耦合器U2的4脚连接OUT1信号，光电耦合器U2的3脚连接驱动器P2的8脚，稳压二极管D8另一端通过稳压二极管D6分别连接电阻R4、插头P4的3脚和插头P4的4脚，电阻R4另一端连接驱动器P2的5脚，电源芯片P6的1脚和电源芯片P6的3脚并联后接地，电源芯片P6的2脚连接VCC1电压信号；

所述IGBT均压电路包括静态均压电路和RCD缓冲电路，静态均压电路由电阻R1组成，RCD缓冲电路包括二极管D1、电阻R2和电容C，IGBT开关的集电极分别连接电阻R1、二极管D1和电阻R2，IGBT开关的发射极分别连接电阻R1另一端和电容C，电容C另一端分别连接二极管D1另一端和电阻R2另一端。

作为本发明进一步的方案：所述IGBT驱动模块同时具有过流和短路检测功能。

作为本发明再进一步的方案：所述FPGA控制系统中设有FPGA芯片，FPGA芯片的型号为EP4CE22F17。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明集成度高，电路板体积小，成本低，提供有效的电气隔离，具有过流和短路保护功能，使用灵活方便。本发明采用光纤进行控制信号的输入及故障信号的输出，实现了控制端与被控制的高电压、强电流电路之间的电气隔离，采用FPGA控制系统，其驱动信号的产生及故障信号的检测能够保持并行执行，延时为纳秒级的，可以为IGBT开关提供实时有效的保护。采用双电源供电结构的集成IGBT驱动器，性能稳定可靠，确保了IGBT开关的可靠开通和关断。

附图说明

图1为本发明的整体系统结构框图。

图2为本发明中第一光纤发射模块和第二光纤发射模块电路连接图。

图3为本发明中第一光纤接收模块和第二光纤接收模块电路连接图。

图4为本发明中IGBT驱动模块的电路连接图。

图5为本发明中IGBT均压电路的电路连接图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-5，一种光纤触发式高压固态开关，包括高压直流电源、FPGA控制系统、光纤驱动信号传输部分、光纤故障信号传输部分、IGBT串联电路、IGBT驱动模块、IGBT均压电路，所述光纤驱动信号传输部分包括第一光纤发射模块和第一光纤接收模块，所述光纤故障信号传输部分包括第二光纤发射模块和第二光纤接收模块，所述IGBT串联电路中设有多个串联的IGBT开关，所述IGBT驱动模块和IGBT均压电路均设有多个，且IGBT驱动模块和IGBT开关的个数相等，所述高压直流电源的正极通过负载连接IGBT串联电路中第一个IGBT开关的集电极，高压直流电源的负极连接IGBT串联电路中最后一个IGBT开关的发射极，所述IGBT开关的基极连接IGBT驱动模块，所述IGBT均压电路的两端分别连接IGBT的集电极和发射极，所述FPGA控制系统的输出端依次通过第一光纤发射模块和第一光纤接收模块连接IGBT驱动模块的输入端，所述IGBT驱动模块的输出端依次通过第二光纤发射模块和第二光纤接收模块连接PFPGA控制系统的输入端。FPGA控制系统输出的驱动信号通过第一光纤发射模块转换成光信号，并在光纤中传输到达第一光纤接收模块后再次转换成电信号，输送给IGBT驱动模块，从而IGBT驱动模块驱动IGBT开关进行开通或关断；所述IGBT驱动模块同时具有过流和短路检测功能，当IGBT开关发生过流或短路故障时，IGBT驱动模块输出故障信号通过第二光纤发射模块转换成光信号，光信号在光纤中传输到达第二光纤接收模块后再次转换成电信号传输至FPGA控制系统，FPGA控制系统检测到故障信号从而进行相应的保护动作，所述FPGA控制系统中设有FPGA芯片，FPGA芯片的型号为EP4CE22F17，FPGA芯片完成IGBT驱动信号的产生，并根据反馈的故障信号及时对IGBT开关进行有效的保护。

所述第一光纤发射模块和第二光纤发射模块的发送头U9的型号为HFBR-2412，发送头U9的2脚分别连接电容C20、电阻R11和5V电压信号，电容C20另一端分别连接发送头U9的3脚、发送头U9的7脚、电容C21并接地，电容C21另一端分别连接电阻R15、电阻R11另一端和发送头U9的7脚，电阻R15另一端分别连接电阻R14和三极管Q1的基极，电阻R14另一端分别连接电阻R10和5V电压信号，电阻R10另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地。所述第一光纤发射模块接收来自FPGA控制系统的电信号并将其转换成光信号进行发射传输，第二光纤发射模块接收来自IGBT驱动模块的故障信号并将其转换成光信号进行发射传输。

所述第一光纤接收模块和第二光纤接收模块的接收头U8的型号为HFBR-1414，接收头U8的3脚接地，接收头U8的2脚分别连接接收头U8的6脚、接收头U8的7脚、芯片U10的3脚和电阻R18，芯片U10的4脚接地，芯片U10的8脚连接5V电压信号，电阻R18另一端分别连接电容C22、芯片U10的1脚和5V电压信号，电容C22另一端连接芯片U10的2脚。所述第一光纤接收模块接收来自第一光纤发射模块的光信号，将光信号转换成电信号并传输给IGBT驱动模块，第二光纤接收模块接收第二光纤发射模块的光信号，将光信号转换成电信号并传输给FPGA控制系统。

所述IGBT驱动模块采用的驱动器P2的型号为M57962L，驱动器P2的1脚分别连接二极管D1和稳压二极管D4，二极管D1另一端连接插头P4的1脚，稳压二极管D4另一端分别连接驱动器P2的6脚、电容C7和电源芯片P6的8脚，电容C7另一端分别连接电容C5、电源芯片P6的7脚、稳压二极管D8和插头P4的2脚，电容C5另一端分别连接驱动器P2的4脚、电阻R1和电源芯片P6的6脚，电阻R1另一端连接光电耦合器U2的2脚，光电耦合器U2的1脚连接5V电压信号，光电耦合器U2的4脚连接OUT1信号，光电耦合器U2的3脚连接驱动器P2的8脚，稳压二极管D8另一端通过稳压二极管D6分别连接电阻R4、插头P4的3脚和插头P4的4脚，电阻R4另一端连接驱动器P2的5脚，电源芯片P6的1脚和电源芯片P6的3脚并联后接地，电源芯片P6的2脚连接VCC1电压信号。所述光电耦合器U2为2500V高隔离电压的快速光耦，电源芯片P6和外部高压直流电源同时供电，确保IGBT的可靠开通和关断。

所述IGBT均压电路包括静态均压电路和RCD缓冲电路，静态均压电路由电阻R1组成，RCD缓冲电路包括二极管D1、电阻R2和电容C，IGBT开关的集电极分别连接电阻R1、二极管D1和电阻R2，IGBT开关的发射极分别连接电阻R1另一端和电容C，电容C另一端分别连接二极管D1另一端和电阻R2另一端。

本发明集成度高，电路板体积小，成本低，提供有效的电气隔离，具有过流和短路保护功能，使用灵活方便。本发明采用光纤进行控制信号的输入及故障信号的输出，实现了控制端与被控制的高电压、强电流电路之间的电气隔离，采用FPGA控制系统，其驱动信号的产生及故障信号的检测能够保持并行执行，延时为纳秒级的，可以为IGBT开关提供实时有效的保护。采用双电源供电结构的集成IGBT驱动器，性能稳定可靠，确保了IGBT开关的可靠开通和关断。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种光纤触发式高压固态开关，包括高压直流电源、FPGA控制系统、光纤驱动信号传输部分、光纤故障信号传输部分、IGBT串联电路、IGBT驱动模块、IGBT均压电路，其特征在于，所述光纤驱动信号传输部分包括第一光纤发射模块和第一光纤接收模块，所述光纤故障信号传输部分包括第二光纤发射模块和第二光纤接收模块，所述IGBT串联电路中设有多个串联的IGBT开关，所述IGBT驱动模块和IGBT均压电路均设有多个，且IGBT驱动模块和IGBT开关的个数相等，所述高压直流电源的正极通过负载连接IGBT串联电路中第一个IGBT开关的集电极，高压直流电源的负极连接IGBT串联电路中最后一个IGBT开关的发射极，所述IGBT开关的基极连接IGBT驱动模块，所述IGBT均压电路的两端分别连接IGBT的集电极和发射极，所述FPGA控制系统的输出端依次通过第一光纤发射模块和第一光纤接收模块连接IGBT驱动模块的输入端，所述IGBT驱动模块的输出端依次通过第二光纤发射模块和第二光纤接收模块连接PFPGA控制系统的输入端；

所述第一光纤发射模块和第二光纤发射模块的发送头U9的型号为HFBR-2412，发送头U9的2脚分别连接电容C20、电阻R11和5V电压信号，电容C20另一端分别连接发送头U9的3脚、发送头U9的7脚、电容C21并接地，电容C21另一端分别连接电阻R15、电阻R11另一端和发送头U9的7脚，电阻R15另一端分别连接电阻R14和三极管Q1的基极，电阻R14另一端分别连接电阻R10和5V电压信号，电阻R10另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地；

所述第一光纤接收模块和第二光纤接收模块的接收头U8的型号为HFBR-1414，接收头U8的3脚接地，接收头U8的2脚分别连接接收头U8的6脚、接收头U8的7脚、芯片U10的3脚和电阻R18，芯片U10的4脚接地，芯片U10的8脚连接5V电压信号，电阻R18另一端分别连接电容C22、芯片U10的1脚和5V电压信号，电容C22另一端连接芯片U10的2脚；

所述IGBT驱动模块采用的驱动器P2的型号为M57962L，驱动器P2的1脚分别连接二极管D1和稳压二极管D4，二极管D1另一端连接插头P4的1脚，稳压二极管D4另一端分别连接驱动器P2的6脚、电容C7和电源芯片P6的8脚，电容C7另一端分别连接电容C5、电源芯片P6的7脚、稳压二极管D8和插头P4的2脚，电容C5另一端分别连接驱动器P2的4脚、电阻R1和电源芯片P6的6脚，电阻R1另一端连接光电耦合器U2的2脚，光电耦合器U2的1脚连接5V电压信号，光电耦合器U2的4脚连接OUT1信号，光电耦合器U2的3脚连接驱动器P2的8脚，稳压二极管D8另一端通过稳压二极管D6分别连接电阻R4、插头P4的3脚和插头P4的4脚，电阻R4另一端连接驱动器P2的5脚，电源芯片P6的1脚和电源芯片P6的3脚并联后接地，电源芯片P6的2脚连接VCC1电压信号；

所述IGBT均压电路包括静态均压电路和RCD缓冲电路，静态均压电路由电阻R1组成，RCD缓冲电路包括二极管D1、电阻R2和电容C，IGBT开关的集电极分别连接电阻R1、二极管D1和电阻R2，IGBT开关的发射极分别连接电阻R1另一端和电容C，电容C另一端分别连接二极管D1另一端和电阻R2另一端。

2.根据权利要求1所述的光纤触发式高压固态开关，其特征在于，所述IGBT驱动模块同时具有过流和短路检测功能。

3.根据权利要求1所述的光纤触发式高压固态开关，其特征在于，所述FPGA控制系统中设有FPGA芯片，FPGA芯片的型号为EP4CE22F17。