一種光纖觸發式高壓固態開關的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力電子技術領域，具體是一種光纖觸發式高壓固態開關。
【背景技術】
[0002]耐高壓、耐大電流的固態開關，不僅在高壓而且在食品非熱、醫療器械、軍事雷達、材料處理等領域都有極大的應用空間。半導體電力開關器件IGBT是一種復合全控型功率半導體器件，它的輸入控制極為MOSFET，輸出極為GTR，因而既有MOSFET開關速度快，驅動方式簡單的特點同時又有GTR耐壓高、載流能力強的優點。但是在大功率高電壓的場合下，單個IGBT作為高壓固態開關仍難以達到要求。為了應用于高電壓的領域，將耐壓等級低的若干個IGBT進行串聯以達到較高耐壓等級是一種有效的解決方案，且成本較低，受到了廣泛的關注。
[0003]在IGBT串聯過程中，由于IGBT芯片內部結構的細微差異以及觸發裝置發出觸發信號延時的誤差，實際應用中會產生串聯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，嚴重時會造成設備的損壞。因此，如何使串聯的IGBT實現同時通斷，是實現IGBT串聯的關鍵技術。
[0004]對此現有技術有多種解決方法:一類是針對IGBT柵極驅動信號同步性的柵極驅動控制；另一類是針對IGBT功率端電壓平衡的動態均壓。前者主要通過一個具有納秒級響應速度的監控電路來實現對每只IGBT驅動信號的閉環控制，控制精度高，電路結構復雜。后者主要通過在IGBT功率端并聯一定的緩沖電路來實現IGBT的靜態和動態均壓，結構簡單但可靠性較差。
【發明內容】
[0005]本發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式高壓固態開關，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0006]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0007]一種光纖觸發式高壓固態開關，包括高壓直流電源、FPGA控制系統、光纖驅動信號傳輸部分、光纖故障信號傳輸部分、IGBT串聯電路、IGBT驅動模塊、IGBT均壓電路，所述光纖驅動信號傳輸部分包括第一光纖發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射模塊和第二光纖接收模塊，所述IGBT串聯電路中設有多個串聯的IGBT開關，所述IGBT驅動模塊和IGBT均壓電路均設有多個，且IGBT驅動模塊和IGBT開關的個數相等，所述高壓直流電源的正極通過負載連接IGBT串聯電路中第一個IGBT開關的集電極，高壓直流電源的負極連接IGBT串聯電路中最后一個IGBT開關的發射極，所述IGBT開關的基極連接IGBT驅動模塊，所述IGBT均壓電路的兩端分別連接IGBT的集電極和發射極，所述FPGA控制系統的輸出端依次通過第一光纖發射模塊和第一光纖接收模塊連接IGBT驅動模塊的輸入端，所述IGBT驅動模塊的輸出端依次通過第二光纖發射模塊和第二光纖接收模塊連接PFPGA控制系統的輸入端；
[0008]所述第一光纖發射模塊和第二光纖發射模塊的發送頭U9的型號為HFBR-2412，發送頭U9的2腳分別連接電容C20、電阻Rll和5V電壓信號，電容C20另一端分別連接發送頭U9的3腳、發送頭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驅動模塊采用的驅動器P2的型號為M57962L，驅動器P2的I腳分別連接二極管Dl和穩壓二極管D4，二極管Dl另一端連接插頭P4的I腳，穩壓二極管D4另一端分別連接驅動器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、穩壓二極管D8和插頭P4的2腳，電容C5另一端分別連接驅動器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腳連接驅動器P2的8腳，穩壓二極管D8另一端通過穩壓二極管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均壓電路包括靜態均壓電路和RCD緩沖電路，靜態均壓電路由電阻Rl組成，RCD緩沖電路包括二極管D1、電阻R2和電容C，IGBT開關的集電極分別連接電阻R1、二極管Dl和電阻R2，IGBT開關的發射極分別連接電阻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]作為本發明進一步的方案:所述IGBT驅動模塊同時具有過流和短路檢測功能。
[0013]作為本發明再進一步的方案:所述FPGA控制系統中設有FPGA芯片，FPGA芯片的型號為 EP4CE22F17。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0015]本發明集成度高，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功能，使用靈活方便。本發明采用光纖進行控制信號的輸入及故障信號的輸出，實現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，其驅動信號的產生及故障信號的檢測能夠保持并行執行，延時為納秒級的，可以為IGBT開關提供實時有效的保護。采用雙電源供電結構的集成IGBT驅動器，性能穩定可靠，確保了 IGBT開關的可靠開通和關斷。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的整體系統結構框圖。
[0017]圖2為本發明中第一光纖發射模塊和第二光纖發射模塊電路連接圖。
[0018]圖3為本發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為本發明中IGBT驅動模塊的電路連接圖。
[0020]圖5為本發明中IGBT均壓電路的電路連接圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合【具體實施方式】對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。
[0022]請參閱圖1-5，一種光纖觸發式高壓固態開關，包括高壓直流電源、FPGA控制系統、光纖驅動信號傳輸部分、光纖故障信號傳輸部分、IGBT串聯電路、IGBT驅動模塊、IGBT均壓電路，所述光纖驅動信號傳輸部分包括第一光纖發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射模塊和第二光纖接收模塊，所述IGBT串聯電路中設有多個串聯的IGBT開關，所述IGBT驅動模塊和IGBT均壓電路均設有多個，且IGBT驅動模塊和IGBT開關的個數相等，所述高壓直流電源的正極通過負載連接IGBT串聯電路中第一個IGBT開關的集電極，高壓直流電源的負極連接IGBT串聯電路中最后一個IGBT開關的發射極，所述IGBT開關的基極連接IGBT驅動模塊，所述IGBT均壓電路的兩端分別連接IGBT的集電極和發射極，所述FPGA控制系統的輸出端依次通過第一光纖發射模塊和第一光纖接收模塊連接IGBT驅動模塊的輸入端，所述IGBT驅動模塊的輸出端依次通過第二光纖發射模塊和第二光纖接收模塊連接PFPGA控制系統的輸入端。FPGA控制系統輸出的驅動信號通過第一光纖發射模塊轉換成光信號，并在光纖中傳輸到達第一光纖接收模塊后再次轉換成電信號，輸送給IGBT驅動模塊，從而IGBT驅動模塊驅動IGBT開關進行開通或關斷；所述IGBT驅動模塊同時具有過流和短路檢測功能，當IGBT開關發生過流或短路故障時，IGBT驅動模塊輸出故障信號通過第二光纖發射模塊轉換成光信號，光信號在光纖中傳輸到達第二光纖接收模塊后再次轉換成電信號傳輸至FPGA控制系統，FPGA控制系統檢測到故障信號從而進行相應的保護動作，所述FPGA控制系統中設有FPGA芯片，FPGA芯片的型號為EP4CE22F17，FPGA芯片完成IGBT驅動信號的產生，并根據反饋的故障信號及