CN101924459B - 基于双光电隔离的开关信号接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子变换器中开关信号传输技术，旨在提供一种基于双光电隔离的开关信号接口电路。该接口电路包括两个光电隔离电路和一中间电路，第一光电隔离电路接受一次侧开关信号，并据此输出第一中间开关信号；中间电路接受第一中间开关信号，并据此输出第二中间开关信号；第二光电隔离电路接受第二中间开关信号，并据此输出二次侧开关信号。本发明适用于较高电压等级或较大功率等级的电力电子变换器中开关信号的具有可靠电气隔离、干扰屏蔽的信号传输。可以通过中间电路实现较远距离隔离传输，并且由于中间电路的电位相对固定，使高、低压电路之间的电位变动对信号传输的影响显著地得到抑制；而敏感的控制电路一侧也得以远离高压。

Description

基于双光电隔离的开关信号接口电路

技术领域

本发明涉及电力电子变换器中开关信号传输技术，特别是一种基于双光电隔离的开关信号接口电路。

背景技术

近年来，电力电子变换器的应用日益广泛。电力电子变换器通过弱电开关信号控制功率电路中半导体器件的导通和关断，实现功率变换，同时功率电路中的状态开关信号反馈到控制电路。所谓开关信号是区别于模拟信号的一种信号类型，可以用电路的两个状态来表示，如通和断两个状态，高电平和低电平两个状态。在电力电子电路中，开关信号常用作功率半导体等开关的驱动控制和电路状态信息反馈。控制电路与功率电路往往不处在同一个参考地上，因此开关信号的传输需要进行电气隔离。

目前常用于开关信号隔离的方法主要有光耦隔离和光纤隔离。其中光纤隔离主要用于高压大功率的电力电子变换器，可以彻底切断信号传输过程中，功率电路对控制电路的干扰，但是光纤隔离的成本较高。传统的光耦隔离方法，不能实现远距离隔离，控制电路和功率电路必须相互靠近。由于在功率电路中，功率半导体器件在开关过程中电压、电流迅速变化，产生很强的电磁干扰，可能会对附近的弱电控制电路造成很大影响。这体现在以下几个方面：(1)在大功率电力电子变换器中，控制电路与功率电路要求有足够远的距离，但采用传统的光耦隔离方法，仍不能远距离分离控制电路与功率电路；(2)光耦电路的原副两边之间仍存在直接的电容耦合，不能隔离功率电路对控制电路的影响，功率电路中的干扰信号会通过光耦电路原副边之间的耦合电容传导到控制电路中；(3)高压侧的传感器电路会将高压电路干扰信号引到低压侧电路(同理，低压侧的电路也有可能会干扰高压侧的传感器电路)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于双光电隔离的开关信号接口电路。

为解决技术问题，本发明采用的具体技术方案是：

基于双光电隔离的开关信号接口电路，包括位于输入端的一次侧开关信号正负端和位于输出端的二次侧开关信号正负端；还包括第一光电隔离电路、第二光电隔离电路和用于将第一光电隔离电路的输出电路与第二光电隔离电路的输入电路适配的中间电路；所述中间电路与中间电路电源相接，包括相互连接的第一中间开关信号的正负端和第二中间开关信号的正负端；所述一次侧开关信号正负端与第一光电隔离电路的发送端电路相接，第一光电隔离电路的接受端电路与第一中间开关信号的正负端相接；所述二次侧开关信号正负端与第二光电隔离电路的接受端电路相接，第二光电隔离电路的发送端电路与第二中间开关信号的正负端相接；该开关信号接口电路还包括一次侧开关信号的参考地、二次侧开关信号的参考地和中间电路的参考地。

第一光电隔离电路接受一次侧开关信号，并据此输出第一中间开关信号；中间电路接受第一中间开关信号，并据此输出第二中间开关信号；第二光电隔离电路接受第二中间开关信号，并据此输出二次侧开关信号。

作为一种改进，所述的第一光电隔离电路包括第一光耦器件和限流电阻一；一次侧开关信号正端通过限流电阻一连接到第一光耦器件的发光二极管阳极，一次侧开关信号负端(Ea2)连接到第一光耦器件的发光二极管阴极；第一光耦器件的集电极连接第一中间开关信号的正端，第一光耦器件的发射极连接第一中间开关信号的负端。

作为一种改进，所述的第二光电隔离电路包括第二光耦器件和限流电阻二，第二中间开关信号正端通过限流电阻二连接到第二光耦器件的发光二极管阳极，第二中间开关信号的负端连接第二光耦器件的发光二极管阴极，第二光耦器件的集电极连接二次侧开关信号的正端，第二光耦器件的发射极连接二次侧开关信号的负端。

作为一种改进，所述的中间电路具有并联传输的电路结构：第一中间开关信号正端连接第二中间开关信号正端，并通过限流电阻三与中间电路辅助电源的电源端连接，第一中间开关信号负端连接第二中间开关信号负端，并与中间电路辅助电源的地端连接。

作为一种改进，所述的中间电路具有串联传输的电路结构：第一中间开关信号正端与第二中间开关信号负端连接，第一中间开关信号负端与中间电路辅助电源的地端连接，第二中间开关信号正端通过限流电阻三与中间电路辅助电源的电源端连接。

作为一种改进，所述一次侧开关信号的参考地、二次侧开关信号的参考地和中间电路参考地相互之间没有电气连接。

作为一种改进，所述中间电路的参考地与一次侧开关信号的参考地、二次侧开关信号的参考地其中一个之间有电气连接。

作为一种改进，所述的第一光电隔离电路和第二光电隔离电路是常规光电耦合器件，或者是包括带逻辑电路的集成光电隔离芯片及其***电路。

本发明中，所述一次侧是指整个信号接口电路的原边端口(或信号输入端)，所述二次侧是指整个信号接口电路的副边端口(或信号输出端)，并不特指高压或低压侧。

一次侧开关信号的参考地是指信号输入侧电路(即与之相连的一次侧电路)的参考地，二次侧开关信号的参考地是指信号输出侧电路(即与之相连的二次侧电路)的参考地。第一光电隔离电路接受一次侧开关信号，并据此输出第一中间开关信号；中间电路接受第一中间开关信号，并据此输出第二中间开关信号；第二光电隔离电路接受第二中间开关信号，并据此输出二次侧开关信号。

光电隔离电路(或器件)包括发送端电路和接收端电路，在本发明中用于传输开关信号，通过光来传递信号并保持发送端电路与接收端电路具备电气隔离性能。本发明中的光电隔离电路可以是常规光电耦合器件，也可以是包括带逻辑电路的集成光电隔离芯片及其***电路。

所谓中间电路，是指能够将第一光电隔离电路输出电路与第二光电隔离电路输入电路适配的电路，使信号能够从第一光电隔离电路输入端向第二个光电隔离电路输出端传递。中间电路的实现方案有很多，例如可以是如附图3和4中的简单线路，也可以采用带信号处理功能的集成电路。

本发明的基于双光电隔离的开关信号接口电路，有时为简化线路，其中间电路的参考地可以与一次侧开关信号参考地、二次侧开关信号参考地的其中一侧的地有电气连接(通常以与希望避免被干扰的一侧的地相连为好，以更有效地屏蔽干扰)。

本发明的有益效果在于：

本发明适用于较高电压等级或较大功率等级的电力电子变换器中开关信号(例如逻辑控制信号、开关驱动信号、状态检测信号等)的具有可靠电气隔离、干扰屏蔽的信号传输。可将一次侧开关信号隔离传输到二次侧，并能够更好地屏蔽一次侧与二次侧之间的相互干扰。中间电路的引入，由于其电位相对固定(常接至被隔离电路的一侧)，使高、低压电路之间的电位变动对信号传输的影响显著地得到抑制；而敏感的控制电路也得以远离另一侧高压(或高电位差)的干扰信号。

附图说明

图1现有技术中采用单个光电隔离的开关信号接口电路；

图2是本发明的基于双光电隔离的开关信号接口电路方框图；

图3是本发明实施的一种基于双光电隔离的开关信号接口电路；

图4是本发明实施的另一种基于双光电隔离的开关信号接口电路；

图5是本发明中光电隔离电路采用集成逻辑电路的光耦器件。

附图2-5中子框图解释：110第一光电隔离电路；120：第二光电隔离电路；130：中间电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐释。

本发明的一种较佳实施方案如图3所示，包括第一光电隔离电路110、中间电路130和第二光电隔离电路120，一次侧开关信号的参考地Ga，二次侧开关信号的参考地Gb，中间电路参考地Gc和中间电路电源Vc；三部分电路的参考地Ga，Gb，Gc之间通常没有电气连接，但有时为简化线路，其中间电路的参考地可以与一次侧开关信号参考地、二次侧开关信号参考地的其中一侧的地有电气连接(通常以与希望避免被干扰的一侧的地相连为好，以更有效地屏蔽干扰)；第一光电隔离电路110包括第一光耦器件U1和限流电阻一R1，一次侧开关信号正端Ea1通过限流电阻一R1连接到第一光耦器件U1的发光二极管阳极，一次侧开关信号负端Ea2连接到第一光耦器件的发光二极管阴极，第一光耦器件的集电极连接第一中间开关信号的正端Aa1，第一光耦器件的发射极连接第一中间开关信号的负端Aa2；第二光电隔离电路包括第二光耦器件U2和限流电阻二R2，第二中间开关信号正端Eb1通过限流电阻二R2连接到第二光耦器件U2的发光二极管阳极，第二中间开关信号负端Eb2连接第二光耦器件U2的发光二极管阴极，第二光耦器件U2的集电极连接二次侧开关信号的正端Ab1，第二光耦器件U2的发射极连接二次侧开关信号的负端Ab2。

该实施例中，中间电路130采用并联传输的实施方式：第一中间开关信号正端Aa1连接第二中间开关信号正端Eb1，并通过限流电阻三R3与中间电路辅助电源的电源端Vc连接，第一中间开关信号负端Aa2连接第二中间开关信号负端Eb2，并与中间电路的参考地Gc连接。

采用上述方案，当一次侧开关信号Ea1、Ea2为高电平时，第一光耦器件U1的发光二极管导通，第一中间开关信号和第二中间开关信号均为低电平，第二光耦器件U2的发光二极管关断，此时二次侧开关信号两端Ab1、Ab2为断开；当一次开关信号Ea1、Ea2为低电平时，第一光耦器件U1的发光二极管关断，第一中间开关信号和第二中间开关信号均为高电平，第二光耦器件U2的发光二极管开通，此时二次侧开关信号两端Ab1、Ab2为短路。

第二种具体实施方式参见图4，该方案中，中间电路130采用串联传输的实施方式：第一中间开关信号正端Aa1与第二中间开关信号负端Eb2连接，第一中间开关信号负端Aa2与中间电路辅助电源的地端Gc连接，第二中间开关信号正端Eb1通过限流电阻三R3与中间电路辅助电源的电源端Vc连接。

采用上述方案，当一次侧开关信号Ea1、Ea2为高电平时，第一光耦器件U1的发光二极管导通，第一中间开关信号两端Aa1、Aa2短路，第二中间开关信号为高电平，第二光耦器件U2的发光二极管开通，此时二次侧开关信号两端Ab1、Ab2为短路；当一次开关信号Ea1、Ea2为低电平时，第一光耦器件U1的发光二极管关断，第一中间开关信号两端Aa1、Aa2断路，第二中间开关信号Eb1、Eb2为低电平，第二光耦器件U2的发光二极管关断，此时二次侧开关信号两端Ab1、Ab2为断路。

第三种具体实施方式参见图5，该方案中，第一光电隔离电路110、第二光电隔离电路120，以及中间电路130的电路结构形式与第二种具体实施方式相同，区别在于，第一光电隔离电路110、第二光电隔离电路120中采用了带信号处理功能的集成电路的光耦器件。

以上所述，仅是本发明的几种较佳实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围内。

Claims (8)

1.一种基于双光电隔离的开关信号接口电路，包括位于输入端的一次侧开关信号正负端和位于输出端的二次侧开关信号正负端；其特征在于，还包括第一光电隔离电路(110)、第二光电隔离电路(120)和用于将第一光电隔离电路(110)的输出电路与第二光电隔离电路(120)的输入电路适配的中间电路(130)；所述中间电路(130)与中间电路电源(Vc)相接，包括相互连接的第一中间开关信号的正负端和第二中间开关信号的正负端；所述一次侧开关信号正负端与第一光电隔离电路(110)的发送端电路相接，第一光电隔离电路(110)的接受端电路与第一中间开关信号的正负端相接；所述二次侧开关信号正负端与第二光电隔离电路(120)的接受端电路相接，第二光电隔离电路(120)的发送端电路与第二中间开关信号的正负端相接；该开关信号接口电路还包括一次侧开关信号的参考地(Ga)、二次侧开关信号的参考地(Gb)和中间电路的参考地(Gc)。

2.根据权利要求1所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述的第一光电隔离电路(110)包括第一光耦器件(U1)和限流电阻一(R1)；一次侧开关信号正端(Ea1)通过限流电阻一(R1)连接到第一光耦器件(U1)的发光二极管阳极，一次侧开关信号负端(Ea2)连接到第一光耦器件的发光二极管阴极；第一光耦器件的集电极连接第一中间开关信号的正端(Aa1)，第一光耦器件的发射极连接第一中间开关信号的负端(Aa2)。

3.根据权利要求1所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述的第二光电隔离电路包括第二光耦器件(U2)和限流电阻二(R2)，第二中间开关信号正端(Eb1)通过限流电阻二(R2)连接到第二光耦器件(U2)的发光二极管阳极，第二中间开关信号的负端(Eb2)连接第二光耦器件(U2)的发光二极管阴极，第二光耦器件(U2)的集电极连接二次侧开关信号的正端(Ab1)，第二光耦器件(U2)的发射极连接二次侧开关信号的负端(Ab2)。

4.根据权利要求1所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述的中间电路具有并联传输的电路结构：第一中间开关信号正端(Aa1)连接第二中间开关信号正端(Eb1)，并通过限流电阻三(R3)与中间电路电源(Vc)连接，第一中间开关信号负端(Aa2)连接第二中间开关信号负端(Eb2)，并与中间电路的参考地(Gc)连接。

5.根据权利要求1所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述的中间电路具有串联传输的电路结构：第一中间开关信号正端(Aa1)与第二中间开关信号负端(Eb2)连接，第一中间开关信号负端(Aa2)与中间电路的参考地(Gc)连接，第二中间开关信号正端(Eb1)通过限流电阻三(R3)与中间电路电源(Vc)连接。

6.根据权利要求1至5任意一项中所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述一次侧开关信号的参考地(Ga)、二次侧开关信号的参考地(Gb)和中间电路的参考地(Gc)相互之间没有电气连接。

7.根据权利要求1至5任意一项中所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述中间电路的参考地(Gc)与一次侧开关信号的参考地(Ga)、二次侧开关信号的参考地(Gb)其中一个之间有电气连接。

8.根据权利要求1至5任意一项中所述的开关信号接口电路，其特征在于，所述的第一光电隔离电路(110)和第二光电隔离电路(120)是常规光电耦合器件，或者是包括带逻辑电路的集成光电隔离芯片及其***电路。

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