專利名稱：晶體管串聯高速高壓固態開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及現代功率電力電子技術，具體涉及一種高壓固態開關，主要是利用新 型可控電力電子功率器件(功率絕緣柵場效應管MOSFET和絕緣柵雙極性晶體管IGBT)構 成的開關，用于各種需要快速開關的高壓領域。
背景技術：
現代功率電子電路中使用的固態開關主要由固態器件經過特定組合而成的組件， 常用固態器件有可控硅SCR、絕緣柵場效應管MOSFET和絕緣柵雙極性晶體管IGBT等半導體 器件。隨著固態半導體器件的發展和成熟，特別是絕緣柵場效應管MOSFET和絕緣柵雙極性 晶體管IGBT在工作電壓、電流和開關速度都有了較大的提高，為功率電子領域中需要高電 壓和大電流固態開關的場合進行多管串聯和并聯，從而實現高電壓大電流可控固態開關成 為了可能。單只半導體器件的工作電壓通常在IkV 2kV之間，工作電流在IA 500A之 間。絕緣柵場效應管MOSFET的流通電流能力較低，但其開啟和關斷速度較快，可以達到幾 個ns，所以在需要高重復頻率開啟和關斷并且流通電流較小的場合通常使用功率MOSFET 來串聯和并聯。絕緣柵雙極性晶體管IGBT流通能力較強，單只器件的流通電流達幾百A，但 其開啟和關斷速度較慢，尤其是關斷一般需要幾μ s，所以在開啟和關斷重復頻率較低、流 通電流較大的場合使用IGBT串聯和并聯。現有單只固態開關器件耐壓低、流通電流有限等缺點。如將多只晶體管串聯應用， 有多種驅動方式專用驅動模塊、光耦隔離驅動、光纖隔離驅動、變壓器隔離驅動、互感器式 脈沖變壓器驅動等。專用驅動模塊、光耦隔離驅動不能用在電壓太高的固態開關場合，光纖 隔離驅動和變壓器隔離驅動由于電路復雜、成本較高，難以推廣應用。現用的互感器式脈沖變壓器驅動電路(見附圖2)，由控制電路產生一定寬度的驅 動脈沖信號，經脈沖變壓器初級，在互感器式脈沖變壓器的次級產生相同寬度的脈沖信號 波形，從而驅動晶體管柵極，觸發晶體管處于導通狀態。當此驅動脈沖結束后，晶體管柵極 電壓回到零伏，晶體管處于截止狀態。此驅動電路的缺點是驅動脈寬有局限，一般在幾百ns 到100 μ s之間，如果驅動脈寬大于100 μ s后，在互感器式脈沖變壓器的設計時，就要選取 過大的磁芯。此電路的工作波形如附圖3所示，tl為脈沖寬度，t2為脈沖周期，C行波形為 主開關管工作狀態。由圖3中可見隨著脈沖寬度的增加，晶體管柵極電壓也相應的減小，小 到一定時，晶體管就會進入線性區，從而失去開關功能。由上述現有固態高壓開關裝置的不足，提出本發明。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是要解決使用互感器式脈沖變壓器驅動電路實現脈 寬從幾百ns到連續開啟狀態的高壓固態開關。本發明使用的技術方案為驅動電路采用互感器式脈沖變壓器為電流型驅動電路， 互感器式脈沖變壓器選用環形變壓器磁芯。控制電路的輸出使用一根高壓導線，同時穿過多路串聯形式的互感器式環形脈沖變壓器的中心。互感器式脈沖變壓器的次級連接晶體管柵極驅動電路。本發明包括控制電路、驅動電路和開關均壓電路，驅動電路為互感器式脈沖變壓 器。其特征在于所述控制電路，在脈沖變壓器初級一端接正向脈寬控制電路T1、T2，在脈沖 變壓器另一端通過阻容元件R1、C1接反向脈寬控制電路Τ3、Τ4;所述驅動電路，在脈沖變壓 器次級一端接場效應管Q2源級、通過快速二極管接場效應管Ql柵極G、Q2漏極D及主開關 管Q3的柵極；在脈沖變壓器次級另一端接場效應管Ql源極S，通過快速二極管接場應管Q2 柵極G ；場效應管Ql漏極D接主開關管Q3的源極。所采用互感器式脈沖變壓器為電流型 驅動電路，該互感器式脈沖變壓器選用環形變壓器磁芯。主開關管Q3采用多只N型絕緣柵 場效應管NM0SFET或絕緣柵雙極性晶體管IGBT串聯和并聯。開關均壓電路中含有靜態均 壓網絡和動態均壓網絡。靜態均壓網絡采用靜態均壓元件，靜態均壓元件的陽極接主開關 管Q3的源極、陰極接主開關管Q3的漏極。本發明晶體管柵極驅動電路(見附圖4)在控制電路中由正向脈寬控制電路Tl、T2產生開啟脈沖，反向脈寬控制電路T3、 T4產生關斷脈沖，分不同的時刻分別送到互感器式脈沖變壓器的初級，在開啟脈沖時刻讓 主開關晶體管導通，在關斷脈沖時刻讓主開關晶體管截止。在控制電路中，由正向脈寬控制電路Tl、T2和反向脈寬控制電路T3、T4組成兩個 圖騰柱電路結構，提高輸出能力和實現良好的驅動脈沖前后沿。在圖騰柱輸出上串聯RlCl 阻容電路，防止流過圖騰柱的電流過大，減小驅動功率，同時采用阻容并聯電路，在脈沖開 啟前沿時刻電流主要從電容上流過，提高在脈沖開啟前沿時刻電路的驅動能力。在互感器式脈沖變壓器的次級采用檢波電路，在開啟脈沖時刻，檢波電路讓晶體 管柵極電壓充到15V以上，開啟脈沖寬度只有幾百ns，在幾百ns之后，檢波電路通過阻容并 聯放電，晶體管柵極電壓波形按指數規律下降。在脈沖寬度大于Ims時，控制電路再送一個 開啟脈沖，此開啟脈沖讓晶體管柵極電壓又被充到15V電壓。只到關斷脈沖送來時刻，關斷 脈沖使晶體管柵極電壓放到零伏，晶體管處于截止狀態。晶體管靜態均壓采用瞬態抑制二極管13 (TVS)，動態均壓采用并聯高壓電容C4。 在高壓固態開關需要大的導通能力時，可以使用多只晶體管并聯，只要提高驅動電路的功 率就能實現讓多只并聯的晶體管同時導通和關斷。本發明的電路能夠適應窄脈沖到連續開啟脈寬的工作狀態，很好的解決了一種高 壓固態開關能夠適應多種應用場合的問題。同時控制電路只需幾W的功率，外輸入的脈寬 控制信號為TTL電平，大大的減化了控制電路和減小低壓供電功率。本發明，高壓固態開關體積小、損耗低、電壓高、電流大等優點，適用于各種需要快 速開關的高壓領域。本發明的晶體管串聯高速高壓固態開關有多種應用方式，如當成高壓端開關、低 壓端開關和雙開關方式等。
圖1為本發明的晶體管串聯高速高壓固態開關裝置框圖；圖2為現用互感器式脈沖變壓器晶體管驅動電路圖3為現用互感器式脈沖變壓器晶體管驅動電路工作波形圖；圖4為本發明高壓固態開關互感器式脈沖變壓器晶體管驅動電路圖；圖5為本發明高壓固態開關互感器式脈沖變壓器晶體管驅動電路工作波形圖；
圖6為本發明晶體管串聯高速高壓固態開關實施例具體實施例方式本發明的晶體管串聯高速高壓固態開關總體框圖見附圖1所示。包括控制電路1、 驅動電路2和開關均壓電路3。輸入信號有+5V/10W供電、TTL電平脈寬控制信號和安全噪 聲接地線，輸出端為兩根高壓線。由于驅動電路具有高電位隔離功能，使本開關的輸出端可 以實現高壓端開關、低壓端開關和雙開關等工作方式。下面分析本發明的晶體管串聯高速高壓固態開關電路的詳細原理，以一組晶體管 電路為例(見附圖4)。多組晶體管串聯后電路原理同一組晶體管電路，每一組晶體管電路 首尾相連形成串聯結構。互感器式脈沖變壓器P選用環形變壓器磁芯。控制電路1的輸出 使用一根高壓導線，同時穿過多組串聯形式的互感器式環形脈沖變壓器的中心。控制電路1包括晶體管Tl、T2、T3、T4和反向器4，電解電容C2，阻容元件R1、Cl、 驅動電路2包括互感器式環形脈沖變壓器P，快速二極管9、10、11，絕緣柵場效應管Q1、Q2， 穩壓管12，電容C3，電阻R2。開關和均壓電路3包括晶體管Q3，高壓電容C4，瞬態抑制二極 管13。外輸入的TTL電平脈寬控制信號經過控制電路的處理，產生附圖4和圖5中波形a 所示的控制脈寬信號。具體的工作波形見附圖5所示，t3為脈沖寬度，t4為脈沖周期。在 外輸入TTL電平脈寬控制信號的前沿時刻產生開啟脈沖信號(見附圖5中b行波形)，經過 反向器4后在脈寬控制信號的后沿時刻產生關斷脈沖信號(見附圖5中c行波形)，開啟脈 沖和關斷脈沖信號只有幾百ns寬度。開啟脈沖信號送到晶體管T1、T2的基極，晶體管Tl、 Τ2組成圖騰柱結構。關斷脈沖信號送到晶體管Τ3、Τ4組成的圖騰柱基極。開啟脈沖信號時刻，晶體管Τ1、Τ4導通，此時電容C2上的儲能通過晶體管Tl、互感 器式脈沖變壓器P的初級、阻容元件R1C1、晶體管Τ4再回到電容C2的負端，形成開啟脈沖 電流通路。在關斷脈沖時刻，晶體管Τ2、Τ3導通，此時電容C2上的儲能通過晶體管Τ3、阻 容元件R1C1、互感器式脈沖變壓器P的初級、晶體管Τ2再回到電容C2的負端，形成關斷脈 沖電流通路。開啟脈沖電流和關斷脈沖電流在互感器式脈沖變壓器的初級產生驅動脈沖波 形(見附圖5中d行波形)。當TTL電平脈寬控制信號寬度大于Ims時，開啟脈沖電路每間 隔Ims輸出一個開啟脈沖，而關斷脈沖只需要一次就可以有效的讓晶體管處于截止狀態。驅動電路2中，開啟脈沖通過互感器式環形脈沖變壓器P的初級，在脈沖變壓器P 的次級產生一定電壓和電流的脈沖信號，此脈沖信號使脈沖變壓器P的7腳為高電平，8腳 為低電平。開啟脈沖通過二極管9讓絕緣柵場效應管Ql導通，同時開啟脈沖對電容C3和晶 體管Q3的柵極電容充電，充電電流回路為絕緣柵場效應管Q1，回到互感器式脈沖變壓器P 的8腳。設計此充電電流較大，達安培級，在IOOns時間量級內讓晶體管柵極電壓充到IOV 以上。此后，由于二極管9的反向截止，電容C3和晶體管Q3柵極電容的儲能通過電阻R2 釋放，選擇此時間常數大于3ms，保證Ims內晶體管Q3的柵極電壓不低于10V。關斷脈沖通過互感器式脈沖變壓器P的初級，在脈沖變壓器P的次級產生一定電壓和電流的脈沖信號，此脈沖信號使脈沖變壓器P的8腳為高電平，7腳為低電平。關斷脈 沖通過二極管11讓絕緣柵場效應管Q2導通，此時電容C3和晶體管Q3的柵極電容通過絕 緣柵場效應管Q2、互感器式脈沖變壓器P次級、二極管10放電。此回路為低阻狀態，所以 電容C3和晶體管Q3柵極電容上的儲能能夠在IOOns內釋放到IV以下。晶體管的柵極電 壓波形見附圖5中e行波形，相應的晶體管也隨著柵極電壓波形處于開啟狀態或關斷狀態 (見附圖5中f行波形)。穩壓管12起到限壓作用，保證晶體管Q3柵極電壓不高于20V，防 止晶體管Q3柵極電壓過高而損壞。晶體管Q3可以選擇絕緣柵場效應管NM0SFET和絕緣柵雙極性晶體管IGBT，同時根 據所需高壓固態開關電壓和電流的大小，選擇晶體管串聯和并聯的數量。選用瞬態抑制二 極管13完成靜態均壓，而不用高壓電阻均壓，使整個固態開關的靜態漏電流極小，只有幾 個μΑ。同時在動態均壓時，瞬態抑制二極管也能吸收一定能量的尖峰，動態均壓主要由電 容C4來完成。實施例一本例為電壓10kV、電流10A、脈沖寬度1 μ s IOms連續可調的高壓固態開關，電 路圖見附圖6所示。包括控制電路1、驅動電路2和開關均壓電路3組成。主開關管選擇為絕緣柵場效應管NM0SFET，單只開關管的額定電壓為1200V，額定 電流為12Α。采用12只NM0SFET串聯，開關管總的耐壓為14. 4kV，開關晶體管的編號為 Q3-UQ3-2 Q3-12。靜態均壓選用瞬態抑制二極管13_1、13_2 13-12，單只開關管兩端 并聯的瞬態抑制二極管電壓為880V。動態均壓主要是高壓電容C4-1、C4-2 C4-12。使用12只鐵氧體環形變壓器Pl、P2 P12當互感器式脈沖驅動變壓器，變壓器的 初級為一匝，次級設計為四匝，利用1只環形驅動變壓器驅動1只主開關晶體管。12組串聯開關管和驅動電路原理相同，下面只分析1組的實現原理。外輸入的TTL電平脈寬控制信號經過控制電路的處理，產生附圖4中a行波形所 示的控制脈寬信號，在外輸入TTL電平脈寬控制信號的前沿時刻產生開啟脈沖信號(見b 行波形)，經過反向器4后在脈寬控制信號的后沿時刻產生關斷脈沖信號(見c行波形)， 開啟脈沖和關斷脈沖信號只有幾百ns寬度。開啟脈沖信號送到晶體管Tl和T2的基極，晶 體管Tl和T2組成圖騰柱結構。關斷脈沖信號送到晶體管T3和T4組成的圖騰柱基極。開啟脈沖信號時刻，晶體管Tl、T4導通，此時電容C2上的儲能通過晶體管Tl、互 感器式脈沖變壓器P1、P2 P12的初級、阻容元件RlCl、晶體管T4再回到電容C2的負端， 形成開啟脈沖電流通路。在關斷脈沖時刻，晶體管T2、T3導通，此時電容C2上的儲能通過 晶體管T3、阻容元件R1C1、互感器式脈沖變壓器PI、P2 P12的初級、晶體管T2再回到電 容C2的負端，形成關斷脈沖電流通路。開啟脈沖電流和關斷脈沖電流在互感器式脈沖變壓 器的初級產生驅動脈沖波形((見附圖5中d行波形))。當脈沖寬度大于Ims時，開啟脈沖 電路每間隔Ims輸出一個開啟脈沖，而關斷脈沖只需要一次就可以有效的讓晶體管處于截 止狀態。驅動電路中，開啟脈沖通過互感器式脈沖變壓器Pl，在脈沖變壓器Pl的次級產生 一定電壓和電流的脈沖信號，此脈沖信號使脈沖變壓器Pl的7腳為高電平，8腳為低電平。 開啟脈沖通過二極管9-1讓絕緣柵場效應管Ql-I導通，同時開啟脈沖對電容C3-1和晶體 管Q3-1柵極電容充電，充電電流回路為絕緣柵場效應管Q1-1，回到互感器式脈沖變壓器Pl的 腳。設計此充電電流較大，達安培級，在IOOns時間量級內讓晶體管柵極電壓充到IOV 以上。此后，由于二極管9-1的反向截止，電容C3-1和晶體管Q3-1柵極電容的儲能通過電 阻R2-1釋放，選擇此時間常數大于3ms，保證Ims內晶體管Q3-1的柵極電壓不低于10V。關斷脈沖通過互感器式脈沖變壓器Pl，在脈沖變壓器Pl的次級產生一定電壓和 電流的脈沖信號，此脈沖信號使脈沖變壓器Pl的8腳為高電平，7腳為低電平。關斷脈沖通 過二極管11-1讓絕緣柵場效應管Q2-1導通，此時電容C3-1和晶體管Q3-1的柵極電容通 過絕緣柵場效應管Q2-1、互感器式脈沖變壓器Pl次級、二極管10-1放電。此回路為低阻狀 態，所以電容C3-1和晶體管Q3-1柵極電容上的儲能能夠在IOOns內釋放到IV以下。晶體 管的柵極電壓波形見附圖5中e行波形，相應的晶體管也隨著柵極電壓波形處于開啟狀態 和關斷狀態(見附圖5中f行波形)。穩壓管12-1起到限壓作用，保證晶體管Q3-1柵極電 壓不高于20V，防止晶體管Q3-1柵極電壓過高而損壞。本發明利用互感器式脈沖變壓器驅動，電路簡單、高壓隔離方便、成本低等優點。
權利要求
一種晶體管串聯高速高壓固態開關，包括控制電路1、驅動電路2和開關均壓電路3，其特征在于所述驅動電路2，在脈沖變壓器P次級一端7接場效應管Q2源級S、通過二極管9接場效應管Q1柵極G、Q2漏極D及主開關管Q3的柵極；在脈沖變壓器P次級另一端8接場效應管Q1源極S，通過二極管11接場應管Q2柵極G；場效應管Q1漏極D接主開關管Q3的源極。
2.根據權利要求1所述晶體管串聯高速高壓固態開關，其特征為所述控制電路1，在脈 沖變壓器P初級一端5接正向脈寬控制電路Tl、T2，在脈沖變壓器P另一端6通過阻容元 件Rl、C1接反向脈寬控制電路T3、T4。
3.根據權利要求1所述晶體管串聯高速高壓固態開關，其特征為開關均壓電路3中采 用靜態均壓元件13，靜態均壓元件13的陽極接主開關管Q3的源極、陰極接主開關管Q3的 漏極。
全文摘要
本發明涉及一種高速高壓固態開關，采用多只晶體管串聯和并聯當主開關，包括靜態和動態均壓網絡、互感器式脈沖變壓器、晶體管柵極驅動電路、控制電路和主開關管。控制電路對TTL電平脈寬信號進行處理，產生開啟和關斷脈沖，送到互感器式脈沖變壓器的初級，在脈沖變壓器的次級產生相對應的開啟和關斷脈沖。在開啟脈沖時刻讓晶體管柵極電壓充到10V以上，在關斷脈沖時刻，讓晶體管柵極電壓放到1V以下。通過控制TTL電平脈寬信號就可以達到控制高壓固態開關開啟時間的目的，使高壓固態開關可以工作在脈沖狀態，也可以工作在連續開啟狀態。
文檔編號H03K17/60GK101834588SQ20101000534
公開日2010年9月15日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者周軍, 李運海 申請人:合肥容恩電子科技有限公司