一、光模块的基本介绍

1.1、光模块

即光纤模块，是光纤通信系统中的关键组件，用于实现电信号与光信号之间的转换。光模块有发送和接收之分，并通过颜色进行编码，如灰色表示发送光模块，蓝色表示接收光模块，起到防呆作用。目前IGBT驱动器主要采用塑料光模块和金属卡接（ST）光模块，我们需要根据实际应用场景来选择合适的光模块。

1）塑料光模块

塑料光模块目前主要以650nm波长为主，采用LED技术工艺，数据速率40Kbps~50Mbps，采用塑料光纤（Plastic Optical Fiber,POF）传输距离10米至110米不等，但随着新品的面世，塑料光模块可兼容玻璃光纤（Plastic-Clad Silica,PCS）,传输距离可提升至500米。    

图1：塑料光模块及其内部结构

塑料光模块一般有卧式（Horizontal Module）、立式（Vertical Module），斜30°（Tilted （30°）Module）三种封装形式。如图1所示，其内部结构简单，发光LED或接收芯片通过透明材质塑封后组装进外壳即可使用。塑料光模块通常具有很大的数值孔径NA=0.5，数值孔径是一个无量纲的数，它定义了光纤接收或传播光线的最大角度范围，任何入射角小于该角度的光线都能被光纤捕捉并通过全反射在内部传输，其公式如下：

NA=0.5对应的角度大约为30度，这是一个非常宽的角度，POF可以接收来自LED的绝大部分光线，耦合效率高。这降低了对光源的要求，也简化了连接器的对准精度，从而降低整体系统成本。但高NA带来的主要缺点就是光纤接收了大量不同角度的光线，而这些光线在纤芯中传播的路径长度差异巨大，其会导致当一束短暂的光脉冲输入时，输出端会因为光线走过的路径长度不同而导致脉冲展宽，这种现象即模态色散（大家可以自行搜索相关概念），其严重限制光纤的数据速率和最大传输距离。所以塑料光模块牺牲数据速率和距离来换取极高的集光效率、更便捷的连接以及更低的系统成本，正是其在汽车、工业和家电等特定市场占据一席之地的关键原因。 

2）ST光模块

ST光模块目前主要以850nm波长为主，市面上大部分产品主要仍采用LED技术工艺，但新品慢慢转型到VCSEL激光技术，数据速率100Kbps~50Mbps，采用玻璃光纤，传输距离可达3公里。

图2：ST光模块及其内部结构

ST光模块收发端分别有各自核心组件，即光发射组件TOSA（Transmitter Optical Subassembly）和光接收组件ROSA（Receiver Optical Subassembly）。TOSA主要由适配器、管芯套以及激光器（实物见图2左下图片）组成，在其光输出端加上适当的外壳即可组成各类标准接口的光模块，同理ROSA亦是如此，只是ROSA比TOSA少一个管芯套。激光器以及探测器其实都是一个密封器件，内部填充惰性气体，并会进行气密性检测，所以ST光模块的潮敏等级理论上是高于塑料光模块，其等级可达MSL1，但除个别新品器件大部分规格书并未给出相关信息。光模块在系统中是一个很关键的器件，直接影响信号的传输质量，需要根据规格书要求进行存储保存。

1.2、光纤

光纤即光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具，所以光纤的纤芯折射率n₁是大于包层折射率n₂的。

光纤分为单模光纤（Single-mode Fiber，SMF）和多模光纤（Multi-mode Fiber，MMF），主要也是基于模态色散的影响考虑，单模光纤的光源一般为定向性很好的激光光源，主要传输一种模态的光，信号完整性好，可进行几十公里的远距离传输,且单模光纤的光波长一般为1310㎚和1550㎚；但多模光纤的光源一般为LED，传输多种模态的光，由于色散的影响，只能进行1-3公里的中长距离传输，塑料光纤甚至只能传输百米以内。

图3：单模光纤和多模光纤传输示意图

由图3我们可以直观的看出，多模光纤传输的脉冲信号，经过长距离传输后，信号产生了畸变，脉冲由原来的高而窄变成了矮而宽的信号，但单模光纤传输的脉冲信号则基本不受影响。 

图4：光纤线整体结构图

图4是光纤线的整体结构图，其单模光纤和多模光纤的纤芯直径是不一样的，单模光纤的纤芯直径小于多模光纤，主要是为了避免模态色散影响，单模光纤的纤芯直径一般为4-10㎛，多模光纤的纤芯直径一般为50-62.5㎛，包层直径一般为125㎛，所以光模块规格书都会给出适配的光纤类型，如50/125㎛或60/125㎛的多模光纤，本文介绍的塑料光模块和ST光模块都是采用的多模光纤。

二、为什么要用光模块

介绍了这么多，大家就会问，为什么IGBT驱动器要加光模块？好像很多IGBT驱动器只要一组排线就好了，加光模块不是成本很高？

其实IGBT驱动器在应用中其中一个最重要的功能就是实现电气隔离，包括电源供电和信号传输，因为强电侧的IGBT往往工作在几百甚至几千伏的高电压、大电流下，但是弱电侧如控制器却只有5V甚至3.3V，如果不进行电气隔离，主电路的高电压会瞬间串入控制器并将其烧毁。

目前IGBT模块的电压等级主要有650V、1200V、1700V、2300V、3300V、4500V以及6500V，2300V及以下的IGBT市面上还有相关的分立器件可用于隔离，但是3300V及以上的IGBT则往往使用光模块进行隔离，主要受限于器件的安规距离以及可靠性。 

表1：隔离技术对比

2300V以下的IGBT一般应用在小型变流器中，控制器距离逆变单元距离相对较近，采用排线将控制信号给到逆变单元，驱动器部分采用隔离器件即可实现电气隔离，系统只要做好EMC设计即可稳定传输控制信号。目前在这种应用条件下，IGBT驱动器三种隔离方式都存在，但慢慢从光隔转向磁隔或容隔。3300V以上的IGBT往往应用在高可靠性场景，比如输电网的柔性直流输电、轨交的牵引变流器以及船舶的推进变流器等等。且装备往往都很大，控制器到逆变单元的距离有几米甚至几十米远，所以光模块搭配光纤成为主要解决方案。

在轨交行业中，部分场景需要加强绝缘，要求驱动器需要更大的电气间隙和爬电距离，导致市面上的隔离器件无法满足安规距离要求。但是人的创造力是无限，为什么不能把光模块和光纤直接合封成一个器件，只要结构允许，调整光纤长度就能得到满足安规要求的器件，所以诞生了一个新器件，俗称光纤光耦，专业英语叫High-Voltage Galvanic Insulation Link。光纤光耦主要由塑料光模块的收发部件搭配塑料光纤构成，仍是采用波长620nm的LED技术，最大电气间隙和爬电距离可达101.2mm，最大工作电压可达17kV。

 图5：光纤光耦结构图

三、光模块的选择

光模块有几个关键参数，直接影响光模块信号的传输距离及可靠性，即数据速率、发送光功率以及接收光功率。

1）数据速率：是指单位时间内从源端成功传输到目的地的有效数据的量，单位Mbps。

2）发送光功率：是指光模块在正常工作条件下发送端光源输出的光功率，单位dBm。

3）接收光功率：是指光模块在一定的误码率条件下，接收端能够接收到的平均光功率范围，单位dBm。上限值为过载光功率，下限值为接收灵敏度的最大值。

高压IGBT驱动器传输的PWM信号，频率一般小于5kHz，所以数据速率选用5Mbps基本够用，如用于通讯可选用50Mbps及以上。对于成本而言，塑料光模块相对便宜，而ST光模块相比就比较昂贵，往往占据了整板大部分成本。塑料光模块主要应用在汽车、工业和家电等行业，ST光模块则主要用在船舶推进以及输配电网等高可靠性行业。

发送光功率以及接收光功率的选择直接影响信号的传输距离，光模块需要选择合适的驱动电流并搭配合适的光纤才能满足现场应用要求，其传输距离的计算公式如下：

由于我们所选的驱动电流要考虑光衰问题，并非规格书推荐值，所以需要根据规格书提供的正向导通电流与归一化输出光功率曲线图得到对应输出光功率；接收灵敏度可查询匹配接收光模块规格书的光电性能参数中的接收灵敏度最大值；系统裕量M一般为2dB左右；不同光纤线的衰减系数也是不同的，针对850nm波段，50/125㎛多模光纤α一般取≤(3~4)dB/km，62.5/125㎛多模光纤α一般取≤(2.7~3.5)dB/km，200㎛多模光纤α一般取≤6dB/km。

假设发送光模块的驱动电流为30mA，且其在60mA下的发送光功率典型值为-14dBm，其正向导通电流与归一化输出光功率曲线图如图6所示，接收光模块的接收灵敏度最大值为-35dBm，采用62.5/125㎛多模光纤为2.8dB/km，则其传输距离能达到多少呢？

图6：正向导通电流与归一化输出光功率曲线图

由上图可知，该发送光模块在30mA下的输出光功率为60mA下的0.5倍，即输出光功率变化了-3dB，即-17dBm，其传输距离:

注意，式中dBm是“绝对量”概念，dB是“相对量”概念，可相加减。所以根据光模块的传输距离、数据速率以及成本这几个维度，我们就可以选择适合所需应用场景的光模块。

四、光模块的注意事项

在评估光模块时，大部分工程师只关注了其电性能是否满足要求，往往忽略了使用过程中的工艺细节，导致开发的产品在现场应用不稳定。

4.1 异物清理

在使用光模块和光纤时，整个光链路对灰尘等异物的容忍度几乎为零。空气中的灰尘颗粒可能就有光纤纤芯直径那么大，它们会吸收大量的光，同时还会划伤光纤端面。尤其是ST光模块配套50/125㎛或60/125㎛的多模光纤使用时，该影响情况相比塑料光模块会更加显著。灰尘等异物是整个光链路中器件划伤和高光损耗的最大原因，所以光模块在出厂的时候一般会进行异物清理并配备一个防尘帽。

异物清理一般会使用压缩空气除尘罐，采用惰性气体如氮气对整个套筒进行多次喷射除尘；或通过专用防静电棉签蘸取适量清洗剂伸至套筒底部清理，一根棉签对应一个光模块。而用户在使用时，除必要的测试老化过程外，务必保证防尘帽不脱离光模块。切记在选择清洁气体或清洗剂时，务必要与供应商确认成分，避免选择的清洁气体或清洗剂对光模块本身造成额外损伤。

4.2 光纤弯折

我们在使用光纤时，由于光纤线束太长，经常会将多余的光纤线盘成几个圈进行固定，看似系统线束布置整洁了，实际这个无心之举反而会导致信号传输不稳定。

这里我们需要介绍下光纤损耗，由于材料纯度、连接方式等都不能达到绝对的理想状态，必然会产生光强衰减。首先，光纤材料和杂质本身会吸收光能，把部分光能转化为热能；其次，材料不可能做得绝对的纯度，材料纯度不够折射率就会不均匀，引起散射；此外，光纤结构也不可能做得绝对规整，且光纤的连接、弯曲等都会引起损耗。

图7：光纤损耗形式 

日常应用中将光纤盘成几圈，就是上图中的微弯损耗或宏弯损耗了，其本质就是因为弯曲位置不满足全反射条件后导致部分光泄漏到纤芯和包层以外导致损耗。一个5mm半径的急弯所造成的损耗，相当于能让光多传输50公里。所以在静态安装时，需要严格遵守最小弯曲半径要求，即光纤线弯曲半径不小于光纤外护套直径的10倍，如线径2.2mm，则弯曲半径≥22mm，一般光纤规格书都会给出具体指标要求。当要求评估系统传输光强时，必须按实际安装工艺及路径进行实测，避免宏弯损耗导致光强出现很大差异。

五、基于光模块的IGBT驱动产品

在高压大功率变流器应用场景，如轨道交通变流器，MW级大功率变频器，MW级船舶推进，高压SVG，HVDC换流阀等，会用到3300V、4500V以及6500V的IGBT模块，需要采用基于光模块的IGBT驱动产品。

飞仕得基于光模块的IGBT驱动产品有10多年的应用经验，累计出货20W套+，欢迎大家随时选购。

如需ST光模块驱动产品，可点击上方“联系我们”咨询。