專利名稱：功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電力電子功率開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路，尤其是能適用于高電壓功率主電路的功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路。
背景技術(shù)：
在電力電子功率開關(guān)器件的驅(qū)動中，驅(qū)動信號的隔離非常重要，它不但是控制電路與大電流高電壓的功率主電路在電氣連接上隔離開以減少干擾、使控制穩(wěn)定的一種措施，還是大功率橋式變換電路中的上下橋臂功率器件正常工作不可缺少的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的隔離方式有光電耦合器隔離、脈沖變壓器隔離等。隨著電力電子多電平逆變技術(shù)在高壓直流輸配電和超大功率變頻調(diào)速方面的應(yīng)用，功率主電路的工作電壓越來越高，一般在6600V至10KV之間，此時再利用光電耦合器或變壓器進行信號隔離已無法滿足耐壓要求。光纖的絕緣性能極好，用光纖進行驅(qū)動信號隔離可以長距離地設(shè)置光纖信號通路，因此能用于高電壓工作環(huán)境下傳遞驅(qū)動信號。而且光纖具有許多優(yōu)點帶寬大，重量輕，各路光纖之間無干擾，不受電磁感應(yīng)的干擾，耐高溫抗腐蝕等，近年逐在電力電子高壓場合得到應(yīng)用。但目前用于電力電子功率變換裝置中的光纖隔離技術(shù)是從通訊領(lǐng)域的光纖通訊技術(shù)中借鑒引入的，大都采用光纖通訊專用芯片組成光纖收發(fā)器，如美國安捷倫公司的HFBR-1521和HFBR-2521，因其輸入輸出是通訊中常用的TTL或CMOS邏輯電平，所以必須與其它功率器件驅(qū)動專用芯片結(jié)合轉(zhuǎn)換為功率器件的門極的驅(qū)動電平，才能組成光纖隔離驅(qū)動電路，這樣使驅(qū)動電路復(fù)雜，成本增加。
發(fā)明內(nèi)容
本新型的目的是提供一種應(yīng)用在高電壓場合，安全可靠、簡單價廉的電力電子功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路。
本新型的技術(shù)解決方案是將光電轉(zhuǎn)換、信號放大、驅(qū)動前置、驅(qū)動輸出、過流檢測和故障關(guān)斷單元電路綜合優(yōu)化設(shè)計，光電轉(zhuǎn)換電路及信號放大電路直接設(shè)計在驅(qū)動保護電路中，光纖直接插入即可使驅(qū)動保護電路正常工作，之間無須經(jīng)過專用芯片組成的光纖接收器對驅(qū)動信號先行處理。全部采用低成本的表面貼裝分立器件，模塊化封裝。
本新型的技術(shù)特征是高增益的NPN-PNP復(fù)合管與晶體管恒流源組成的信號放大器對PIN光電二極管所接收的微弱信號進行放大；單管放大器與晶體管恒流源組成的驅(qū)動前置電路再次將驅(qū)動信號的幅值和功率放大，以控制驅(qū)動輸出電路可靠穩(wěn)定地輸出驅(qū)動信號。
由于NPN-PNP復(fù)合管的增益非常高，所以本新型的輸入靈敏度極高，使用普通高亮LED和一般塑料光纖即能可靠傳送驅(qū)動信號。又因為在信號放大級和前置級均串有晶體管恒流源電路，所以本新型克服了晶體管復(fù)合管關(guān)斷時間長的缺點并減少了前置級的關(guān)斷時間，使驅(qū)動電路的動態(tài)響應(yīng)可達60KHz，信號前后沿延遲＜2μS。
本實用新型的有益效果是控制信號通過普通塑料光纖即可穩(wěn)定可靠傳送至功率開關(guān)器件，使控制電路與功率主電路的電氣隔離能達到6600V至10KV，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。
圖1是電路原理圖；圖2是輸入輸出波形圖；圖3是過流保護動作波形圖。
具體實施方式
本新型光纖隔離驅(qū)動保護電路包括D1、R1組成的光電轉(zhuǎn)換電路，Q1、Q2、Q3、DW2、R2、R16和R17組成的信號放大電路，R3、R4、R5、DW1、Q4和Q5組成的驅(qū)動前置電路，R13、R14、Q8和Q9組成的驅(qū)動輸出電路，R7、R8、R9、R11、DW3、CI和Q6組成的過流檢測電路，R12、R10、D2、C2和Q7組成的故障慢關(guān)斷電路，以及R15和D3組成的故障信號輸出電路。
下面結(jié)合圖1，詳細描述本新型光纖隔離驅(qū)動保護電路的工作過程。
開通過程當驅(qū)動光信號從光纖中傳來時，光電二極管D1因為光電感應(yīng)而反向?qū)ǎ浞聪螂娏鹘?jīng)Q1與Q2組成的復(fù)合管放大后，由R3、R4轉(zhuǎn)換成電壓信號送Q5前置放大器進一步放大為一定幅值的電壓信號，使Q9導(dǎo)通輸出高電平驅(qū)動信號，其信號電壓幅值達到驅(qū)動電路的電源電壓，本新型為+15V，適合驅(qū)動IGBT、MOSFET等功率器件。
關(guān)斷過程光纖中無光信號即表示關(guān)斷，光電二極管D1反向截止，由此Q1與Q2組成的復(fù)合管和Q5前置放大器均截止，過流檢測電路中的Q6則導(dǎo)通，屏蔽掉過流檢測功能及后面的故障慢關(guān)斷電路，驅(qū)動輸出電路的Q9截止而Q8導(dǎo)通，送出功率器件的反向關(guān)斷電壓。Q3、DW2和R16組成的恒流源電路限制了復(fù)合管Q2的飽和電流，大大減少了其關(guān)斷延遲時間；Q4、DW1和R5組成的恒流源電路限制了前置放大電路Q5的飽和電流，加速其關(guān)斷過程。
過流保護關(guān)斷過程功率器件正常導(dǎo)通時，過流檢測電路中的Q6截止，啟動過流檢測功能及后面的故障慢關(guān)斷電路。如從R11檢測到的功率器件的飽和管壓降在正常值內(nèi)，DW3未被擊穿反向截止，Q7截止，保護關(guān)斷不動作。若功率器件導(dǎo)通時發(fā)生短路，功率器件將承受過電流而退出飽和，其管壓降UCE驟然上升很多，由R11傳入使DW3擊穿，Q7導(dǎo)通，C2通過R12和Q7放電，D2負端電位逐步下降，驅(qū)動輸出電路的Q9和Q8的基極電位也逐步下降，Q9因此截止而Q8導(dǎo)通，形成慢關(guān)斷動作，以減少大電流下快速關(guān)斷的不利影響，保證功率器件的安全。與此同時，D3通過R12、Q7正向?qū)ǘl(fā)光，對外輸出故障信號。
權(quán)利要求1.一種功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路，由光電轉(zhuǎn)換、信號放大、驅(qū)動前置、驅(qū)動輸出、過流檢測和故障關(guān)斷單元電路順序連接組成，其特征是光電轉(zhuǎn)換電路及信號放大電路直接設(shè)計在驅(qū)動保護電路中，驅(qū)動信號通過光學纖維傳送給驅(qū)動保護電路，驅(qū)動保護電路檢測到的過流故障信號通過光纖對外發(fā)送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路，其特征是光電轉(zhuǎn)換電路后面連接一個復(fù)合管組成的信號放大電路，信號放大電路后面連接驅(qū)動前置電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路，其特征是復(fù)合管組成的信號放大電路中和后面的驅(qū)動前置電路中均串有晶體管恒流源電路。
專利摘要一種應(yīng)用在高電壓場合，安全可靠、簡單價廉的電力電子功率開關(guān)器件光纖隔離驅(qū)動保護電路，使用普通塑料光纖實現(xiàn)控制電路與功率主電路隔離，將光電轉(zhuǎn)換、信號放大、驅(qū)動前置、驅(qū)動輸出、過流檢測和故障關(guān)斷單元電路綜合優(yōu)化設(shè)計，光電轉(zhuǎn)換電路及信號放大電路直接設(shè)計在驅(qū)動保護電路中，光纖直接插入即可使驅(qū)動保護電路正常工作，之間無須經(jīng)過專用芯片組成的光纖收發(fā)器對驅(qū)動信號先行處理。全部采用低成本的表面貼裝分立器件，模塊化封裝。本新型信號放大級和前置級均串有晶體管恒流源電路，克服了信號放大器中復(fù)合管關(guān)斷時間長的缺點。
文檔編號H03K17/08GK2735658SQ20042006253
公開日2005年10月19日 申請日期2004年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者何禮高, 肖慶恩, 陳揚飛, 張工廠 申請人:何禮高, 肖慶恩, 陳揚飛