一種光纖觸發(fā)式高壓固態(tài)開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種光纖觸發(fā)式高壓固態(tài)開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]耐高壓、耐大電流的固態(tài)開關(guān)，不僅在高壓而且在食品非熱、醫(yī)療器械、軍事雷達(dá)、材料處理等領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用空間。半導(dǎo)體電力開關(guān)器件IGBT是一種復(fù)合全控型功率半導(dǎo)體器件，它的輸入控制極為MOSFET，輸出極為GTR，因而既有MOSFET開關(guān)速度快，驅(qū)動方式簡單的特點同時又有GTR耐壓高、載流能力強的優(yōu)點。但是在大功率高電壓的場合下，單個IGBT作為高壓固態(tài)開關(guān)仍難以達(dá)到要求。為了應(yīng)用于高電壓的領(lǐng)域，將耐壓等級低的若干個IGBT進(jìn)行串聯(lián)以達(dá)到較高耐壓等級是一種有效的解決方案，且成本較低，受到了廣泛的關(guān)注。
[0003]在IGBT串聯(lián)過程中，由于IGBT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異以及觸發(fā)裝置發(fā)出觸發(fā)信號延時的誤差，實際應(yīng)用中會產(chǎn)生串聯(lián)IGBT之間電壓分布不均的問題，這將大大影響器件的使用壽命和電路的工作效率，嚴(yán)重時會造成設(shè)備的損壞。因此，如何使串聯(lián)的IGBT實現(xiàn)同時通斷，是實現(xiàn)IGBT串聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]對此現(xiàn)有技術(shù)有多種解決方法:一類是針對IGBT柵極驅(qū)動信號同步性的柵極驅(qū)動控制；另一類是針對IGBT功率端電壓平衡的動態(tài)均壓。前者主要通過一個具有納秒級響應(yīng)速度的監(jiān)控電路來實現(xiàn)對每只IGBT驅(qū)動信號的閉環(huán)控制，控制精度高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。后者主要通過在IGBT功率端并聯(lián)一定的緩沖電路來實現(xiàn)IGBT的靜態(tài)和動態(tài)均壓，結(jié)構(gòu)簡單但可靠性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種集成度高、電路板體積小的光纖觸發(fā)式高壓固態(tài)開關(guān)，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]一種光纖觸發(fā)式高壓固態(tài)開關(guān)，包括高壓直流電源、FPGA控制系統(tǒng)、光纖驅(qū)動信號傳輸部分、光纖故障信號傳輸部分、IGBT串聯(lián)電路、IGBT驅(qū)動模塊、IGBT均壓電路，所述光纖驅(qū)動信號傳輸部分包括第一光纖發(fā)射模塊和第一光纖接收模塊，所述光纖故障信號傳輸部分包括第二光纖發(fā)射模塊和第二光纖接收模塊，所述IGBT串聯(lián)電路中設(shè)有多個串聯(lián)的IGBT開關(guān)，所述IGBT驅(qū)動模塊和IGBT均壓電路均設(shè)有多個，且IGBT驅(qū)動模塊和IGBT開關(guān)的個數(shù)相等，所述高壓直流電源的正極通過負(fù)載連接IGBT串聯(lián)電路中第一個IGBT開關(guān)的集電極，高壓直流電源的負(fù)極連接IGBT串聯(lián)電路中最后一個IGBT開關(guān)的發(fā)射極，所述IGBT開關(guān)的基極連接IGBT驅(qū)動模塊，所述IGBT均壓電路的兩端分別連接IGBT的集電極和發(fā)射極，所述FPGA控制系統(tǒng)的輸出端依次通過第一光纖發(fā)射模塊和第一光纖接收模塊連接IGBT驅(qū)動模塊的輸入端，所述IGBT驅(qū)動模塊的輸出端依次通過第二光纖發(fā)射模塊和第二光纖接收模塊連接PFPGA控制系統(tǒng)的輸入端；
[0008]所述第一光纖發(fā)射模塊和第二光纖發(fā)射模塊的發(fā)送頭U9的型號為HFBR-2412，發(fā)送頭U9的2腳分別連接電容C20、電阻Rll和5V電壓信號，電容C20另一端分別連接發(fā)送頭U9的3腳、發(fā)送頭U9的7腳、電容C21并接地，電容C21另一端分別連接電阻R15、電阻Rll另一端和發(fā)送頭U9的7腳，電阻R15另一端分別連接電阻R14和三極管Ql的基極，電阻R14另一端分別連接電阻RlO和5V電壓信號，電阻RlO另一端連接三極管Ql的集電極，三極管Ql的發(fā)射極接地；
[0009]所述第一光纖接收模塊和第二光纖接收模塊的接收頭U8的型號為HFBR-1414，接收頭U8的3腳接地，接收頭U8的2腳分別連接接收頭U8的6腳、接收頭U8的7腳、芯片UlO的3腳和電阻R18，芯片UlO的4腳接地，芯片UlO的8腳連接5V電壓信號，電阻R18另一端分別連接電容C22、芯片UlO的I腳和5V電壓信號，電容C22另一端連接芯片UlO的2腳；
[0010]所述IGBT驅(qū)動模塊采用的驅(qū)動器P2的型號為M57962L，驅(qū)動器P2的I腳分別連接二極管Dl和穩(wěn)壓二極管D4，二極管Dl另一端連接插頭P4的I腳，穩(wěn)壓二極管D4另一端分別連接驅(qū)動器P2的6腳、電容C7和電源芯片P6的8腳，電容C7另一端分別連接電容C5、電源芯片P6的7腳、穩(wěn)壓二極管D8和插頭P4的2腳，電容C5另一端分別連接驅(qū)動器P2的4腳、電阻Rl和電源芯片P6的6腳，電阻Rl另一端連接光電耦合器U2的2腳，光電耦合器U2的I腳連接5V電壓信號，光電耦合器U2的4腳連接OUTl信號，光電耦合器U2的3腳連接驅(qū)動器P2的8腳，穩(wěn)壓二極管D8另一端通過穩(wěn)壓二極管D6分別連接電阻R4、插頭P4的3腳和插頭P4的4腳，電阻R4另一端連接驅(qū)動器P2的5腳，電源芯片P6的I腳和電源芯片P6的3腳并聯(lián)后接地，電源芯片P6的2腳連接VCCl電壓信號；
[0011]所述IGBT均壓電路包括靜態(tài)均壓電路和RCD緩沖電路，靜態(tài)均壓電路由電阻Rl組成，RCD緩沖電路包括二極管D1、電阻R2和電容C，IGBT開關(guān)的集電極分別連接電阻R1、二極管Dl和電阻R2，IGBT開關(guān)的發(fā)射極分別連接電阻Rl另一端和電容C，電容C另一端分別連接二極管Dl另一端和電阻R2另一端。
[0012]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述IGBT驅(qū)動模塊同時具有過流和短路檢測功能。
[0013]作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案:所述FPGA控制系統(tǒng)中設(shè)有FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的型號為 EP4CE22F17。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015]本發(fā)明集成度高，電路板體積小，成本低，提供有效的電氣隔離，具有過流和短路保護(hù)功能，使用靈活方便。本發(fā)明采用光纖進(jìn)行控制信號的輸入及故障信號的輸出，實現(xiàn)了控制端與被控制的高電壓、強電流電路之間的電氣隔離，采用FPGA控制系統(tǒng)，其驅(qū)動信號的產(chǎn)生及故障信號的檢測能夠保持并行執(zhí)行，延時為納秒級的，可以為IGBT開關(guān)提供實時有效的保護(hù)。采用雙電源供電結(jié)構(gòu)的集成IGBT驅(qū)動器，性能穩(wěn)定可靠，確保了 IGBT開關(guān)的可靠開通和關(guān)斷。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖2為本發(fā)明中第一光纖發(fā)射模塊和第二光纖發(fā)射模塊電路連接圖。
[0018]圖3為本發(fā)明中第一光纖接收模塊和第二光纖接收模塊電路連接圖。
[0019]圖4為本發(fā)明中IGBT驅(qū)動模塊的電路連接圖。
[0020]圖5為本發(fā)明中IGBT均壓電路的電路連接圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合【具體實施方式】對本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0022]請參閱圖1-5，一種光纖觸發(fā)式高壓固態(tài)開關(guān)，包括高壓直流電源、FPGA控制系統(tǒng)、光纖驅(qū)動信號傳輸部分、光纖故障信號傳輸部分、IGBT串聯(lián)電路、IGBT驅(qū)動模塊、IGBT均壓電路，所述光纖驅(qū)動信號傳輸部分包括第一光纖發(fā)射模塊和第一光纖接收模塊，所述光纖故障信號傳輸部分包括第二光纖發(fā)射模塊和第二光纖接收模塊，所述IGBT串聯(lián)電路中設(shè)有多個串聯(lián)的IGBT開關(guān)，所述IGBT驅(qū)動模塊和IGBT均壓電路均設(shè)有多個，且IGBT驅(qū)動模塊和IGBT開關(guān)的個數(shù)相等，所述高壓直流電源的正極通過負(fù)載連接IGBT串聯(lián)電路中第一個IGBT開關(guān)的集電極，高壓直流電源的負(fù)極連接IGBT串聯(lián)電路中最后一個IGBT開關(guān)的發(fā)射極，所述IGBT開關(guān)的基極連接IGBT驅(qū)動模塊，所述IGBT均壓電路的兩端分別連接IGBT的集電極和發(fā)射極，所述FPGA控制系統(tǒng)的輸出端依次通過第一光纖發(fā)射模塊和第一光纖接收模塊連接IGBT驅(qū)動模塊的輸入端，所述IGBT驅(qū)動模塊的輸出端依次通過第二光纖發(fā)射模塊和第二光纖接收模塊連接PFPGA控制系統(tǒng)的輸入端。FPGA控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動信號通過第一光纖發(fā)射模塊轉(zhuǎn)換成光信號，并在光纖中傳輸?shù)竭_(dá)第一光纖接收模塊后再次轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給IGBT驅(qū)動模塊，從而IGBT驅(qū)動模塊驅(qū)動IGBT開關(guān)進(jìn)行開通或關(guān)斷；所述IGBT驅(qū)動模塊同時具有過流和短路檢測功能，當(dāng)IGBT開關(guān)發(fā)生過流或短路故障時，IGBT驅(qū)動模塊輸出故障信號通過第二光纖發(fā)射模塊轉(zhuǎn)換成光信號，光信號在光纖中傳輸?shù)竭_(dá)第二光纖接收模塊后再次轉(zhuǎn)換成電信號傳輸至FPGA控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)檢測到故障信號從而進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動作，所述FPGA控制系統(tǒng)中設(shè)有FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的型號為EP4CE22F17，F(xiàn)PGA芯片完成IGBT驅(qū)動信號的產(chǎn)生，并根據(jù)反饋的故障信號及