一种基于RSD的脉冲电源模块制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特点在于，主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD是采用环围铜箔固定在PCB上的；本实用新型专利技术通过将RSD功率开关与充电电源、电容器和磁开关集成在PCB上，使各元件协调工作，减小导线长度，从而降低电源本身的寄生电感等杂散参数，提高RSD的通态电流上升率di/dt；另外，采用环围铜箔焊接固定RSD，一方面有利于加速RSD散热，另一方面增加了PCB上的电流通道，具有平均分配电流走向的作用，提高了脉冲电源模块的通流能力。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于高功率高密度脉冲
，更具体地，涉及一种基于RSD的脉 冲电源模块。
技术介绍
高功率脉冲电源（兆瓦级电源）是将储存的高密度能量进行快速的压缩、转换或 直接释放给负载，在受控热核聚变、高压除尘，有机废水处理等领域有广泛应用；现有技术 中的脉冲功率电源技术利用电容储能放电方式，大多数采用机械式火花隙或无触点离子器 件如氢闸流管作为放电开关。在开关开通过程中，开关必须承受较大的通态电流上升率di/ dt。在国防、经济等领域的推动下，开关的通态电流上升率di/dt的增长将接近开关的工作 极限，开关的性能大大限制了该领域的进步。 近年来，反向开关晶体管（RSD)、脉冲晶闸管、绝缘栅双极性晶体管（IGBT)等半导 体开关逐渐进入脉冲功率领域；火花隙开关耐压高，通流大，但使用寿命短；绝缘栅双极性 晶体管可承受高速开关，耐压高，通流强，是电力电子领域的重要半导体器件，但价格相对 较贵；晶闸管可耐高压，耐大电流，但开关速度较慢。RSD是新一代高功率脉冲器件，工作稳定性和触发分散性好，耐高压大电流，使用 寿命长；但在现有技术中，是通过导线或铜排将分立器件连接组成脉冲系统，形成RSD开 关，电路杂散参数较大，RSD的通态电流上升率di/dt远低于其通态电流上升率di/dt耐量 的极限（l〇〇kA/μs)。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种基于RSD的脉冲电 源模块；其目的在于采用铜箱环围固定RSD的封装方式，降低高功率脉冲电源的杂散电感， 进而提升高功率脉冲电源主电路的通态电流上升率di/dt。 为实现上述目的，按照本技术的一个方面，提供了一种基于RSD的脉冲电源 模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管预充电容、预充电感和控制模块；其中主 电容、磁开关、RSD与负载构成主电路；预充电容、预充电感、开关管与RSD构成预充电路； 其特点在于，主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB 上，且RSD是采用环围铜箱固定在PCB上； 其中，磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时 还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端，主电容阴极 通过负载接地；RSD阴极接地；开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的 阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接 地，另一端连接开关管的发射极； 其中，主电容作为脉冲电源模块的主要放电电容，该电源的输出电流由主电容通 过RSD放电获得；磁开关用于在预充电容为RSD预充时，阻断主电容对RSD放电；充电电源 用于为主电容和预充电容充电；在充电电源对主电容及预充电容充电完毕后，脉冲电源放 电前，主电容的阳极、RSD的阳极、开关管的集电极等电位；开关管是整个高功率脉冲电源 的开关；预充电容与预充电感组成并联谐振电路，为RSD预充；控制模块用于控制充电电源 与开关管的时序； 在PCB布局上，PCB上设有用于放置磁开关的开口；磁开关卡放在该开口内；RSD 的阴极焊接在PCB的一面上，主电容设置在该面PCB的一端，预充电容设置在该面PCB的另 一端；环围铜箱具有一个顶端面与至少两个引脚，其顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊 接在一起；环围铜箱的引脚焊接在该面PCB上；环围铜箱起到连接RSD的阳极与PCB正面的 作用；磁开关与主电容和RSD之间通过铜条连通：主电容的阳极在PCB的另一面通过铺铜 与铜条一端相连，铜条穿过磁开关，铜条另一端在该面PCB上通过铺铜及过孔与环围铜箱 的引脚相接； 预充电容的阳极通过铺铜连接开关管的集电极和RSD的阳极；在开关管的发射极 与RSD的阴极之间的PCB上环形铺铜，形成预充电感，开关管的发射极通过该环形铺铜连接RSD的阴极，预充电容的阴极通过铺铜与RSD阴极相连； 为满足在PCB上通大电流的要求，在上述布局的基础上对各网络做覆铜处理，提 供PCB的安全性能。 优选的，环围铜箱的顶端面直径大于RSD的直径，为保证确保RSD的阳极与阴极绝 缘。 优选的，环围铜箱的各引脚的上端与环围铜箱的顶端面垂直，下端与PCB垂直抵 接。 优选的，所述的开关芯片为硅基RSD或碳化硅基RSD。 优选的，RSD呈饼状，厚度为14mm~27mm，直径为41mm~110mm;环围铜箱采用 0· 3mm~1mm厚度的铜制成，具有顶端面和4个引脚，其顶端面直径为46mm~120mm，引脚 宽 15mm~40mm,高 14mm~27mm〇 总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下 列有益效果： 1、本技术提供的基于RSD的脉冲电源模块，其电源输出功率可达兆瓦级（测 试电压KV，电流KA，功率达MW)，将RSD功率开关与充电电源、电容器、磁开关等器件集成在 PCB上，使各元件协调工作，减小导线长度，从而降低了该脉冲电源本身的寄生电感等杂散 参数，提高RSD的通态电流上升率di/dt;相同条件下，这种方式的集成比现有技术中的回 路具有更高的通态电流上升率di/dt; 2、本技术提供的基于RSD的脉冲电源模块，首创地采用铜箱环围的方式焊 接固定RSD;环围铜箱如同具有至少有两个引脚的盖子，覆盖在RSD上，连通RSD的阳极与 PCB； -方面，环围铜箱顶端面光滑平整，有利于贴散热片，具有加速RSD散热的作用， 其高效的散热性能首次在脉冲功率电源模块内实现了重复频率； 另一方面，环围铜箱的引脚与PCB上的铺铜相连，增加了PCB上的电流通道，具有 平均分配电流走向的作用，实现了在PCB上通大电流的目的，提高了脉冲电源的通流能力； 又一方面，保证了RSD的机械性能，使之紧固的置于PCB上，避免其脱落的风险； 3、本技术提供的基于RSD的脉冲电源模块，通过PCB的集成封装，实现了脉冲 功率装置的集成化、模块化；与现有的技术相比，很大程度上减小了脉冲电源的体积，提高 了脉冲电源的输出电流密度，将脉冲功率装置推向了便捷化和小型化。【附图说明】 图1是本技术实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的正视图；图2是本技术实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的三维示意图；图3是本技术实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的封装结构电路原理 图； 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-PCB，2_主 电容，3-磁开关，4-环围铜箱，5-开关芯片，6-充电电源，7-IGBT，8-预充电容。【具体实施方式】 为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本技术，并不用于限定本技术。此外，下面所描述的本技术各个实施方式中所 涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块，其封装结构如图1所示；包括PCB1以 及集成在PCB1上的主电容2,磁开关3,环围铜箱4,RSD5,充电电源6,开关管7、预充电容 8预充电感和控制模块；在实施例里1，开关管采用IGBT; 图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特征在于，所述主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD采用环围铜箔固定在PCB上；所述磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端；主电容阴极通过负载接地；RSD阴极接地；所述开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接地，另一端连接开关管的发射极；PCB上设有用于放置磁开关的开口；所述磁开关卡放在该开口内；RSD的阴极焊接在PCB的一面上；所述主电容设置在该面PCB的一端，预充电容设置在该面PCB的另一端；所述环围铜箔具有一个顶端面与至少两个引脚，所述顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊接在一起；环围铜箔的引脚焊接在该面PCB上；所述磁开关与主电容和RSD之间通过铜条连通：主电容的阳极在PCB的另一面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关，铜条另一端通过铺铜及过孔与环围铜箔的引脚相接；预充电容的阳极通过铺铜连接开关管的集电极和RSD的阳极，预充电容的阴极通过铺铜与RSD阴极相连；预充电感通过在开关管发射极与RSD的阴极之间的PCB上环形铺铜形成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琳，王石磊，陈材，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42