一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块制造技术

本公开揭示了一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块，包括：依次串联的MOSFET管M1～Mn、栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1、储能电容C1、栅极触发电容C2～Cn、漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2、外部驱动电路及负载。本公开还揭示了一种基于单外部驱动的MOSFET管串联高压模块的marx发生器。本公开一方面能较好解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题，实现模块小型化；另一方面通过栅极触发电容交错连接，能够较好改善较多器件串联应用时器件导通的乱序问题。

A MOSFET Series High Voltage Module with Single External Drive

【技术实现步骤摘要】
一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块
本公开属于电力电子及纳秒脉冲功率源
，具体涉及一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块。
技术介绍
纳秒脉冲等离子体由于具有电子能量高、等离子体活性产物丰富、放电瞬态能量高、放电不易转化为电弧等显著优点，在国防、工业及民用等多个领域具有广泛的应用前景。但是在诸如等离子体流动控制、等离子体点火助燃等应用领域，不仅要求产生重复频率的高压纳秒脉冲，更为关键的是对纳秒脉冲电源的体积和重量有着严格的限制，因此，对纳秒脉冲的产生技术提出了更高的要求。产生重复频率高压纳秒脉冲的关键是开关单元，且综合考虑器件容量、开通速度以及可控性等多种因素，MOSFET是较为理想的选择。但受制于器件耐压水平，在高压纳秒脉冲产生的过程中，仍然需要大量器件串联实现。一方面，传统的半导体器件串联应用中每个器件都需要单独的外部驱动电路，各外部驱动电路之间的电源隔离依靠磁隔离或光隔离，整体电路结构复杂，不利于小型化；另一方面，现有的采用单外部驱动的半导体串联模块仍然存在可串联器件个数少、顶端栅极触发电容耐压要求高、容易出现导通乱序或者需要额外的门极辅助电源等缺点。
技术实现思路
有鉴于此，本公开的目的在于提供一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块，能够克服现有技术中的不足，实现电路的简化和开关模块的快速导通。为实现以上目的，本公开提供如下技术方案：一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块，包括：依次串联的MOSFET管M1～Mn、栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1、储能电容C1、栅极触发电容C2～Cn、漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2、外部驱动电路及负载；其中，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的栅极和源极的两端；所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的漏极和源极的两端；所述储能电容C1的一端连接于所述负载，另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极；所述栅极触发电容C2～Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn-1的源极和所述MOSFET管M2～Mn的栅极；所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连，用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制；所述负载的一端连接于所述储能电容C1，另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。优选的，所述MOSFET管M1的额定耐压等级高于所述MOSFET管M2～Mn。优选的，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1的电阻值为1kΩ～20kΩ。优选的，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1为金属膜电阻。优选的，所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2的电阻值为100kΩ～1MΩ。优选的，所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2为高压玻璃釉电阻。优选的，所述栅极触发电容C2～Cn由PCB板上下层覆铜层的寄生电容构成，且电容值为10pF～100pF。优选的，所述外部驱动电路采用任意符合所述MOSFET管M1驱动需求的驱动芯片。优选的，所述MOSFET管串联高压模块能够产生重复频率的方波脉冲，且所述方波脉冲的幅值等于储能电容C1的充电电压。本公开还提供一种marx发生器，包括：MOSFET管串联高压模块S1-Sm、储能电容C1-Cm、二极管D11-Dm1、二级管D12-Dm2、限流充电电阻R、直流充电电源DC和负载LOAD；其中，所述储能电容C1-Cm依次并联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm；所述二极管D11-Dm1依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管Mn的漏极；所述二极管D12-Dm2依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管M1的源极；所述直流充电电源DC通过限流充电电阻R串入所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm；所述负载LOAD与所述二极管D12-Dm2并联。与现有技术相比，本公开带来的有益技术效果为：1、采用单外部驱动，能够较好的解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题，实现模块小型化；2、通过采用电容交错连接，能够改善较多器件串联应用时器件导通的乱序问题。附图说明图1是本公开的一种单外部驱动MOSFET管串联高压模块的结构示意图；图2(a)至图2(b)是本公开的一种单外部驱动MOSFET管串联高压模块在1kΩ负载上放电产生的脉冲波形图；其中，图2(a)是负载电压波形图，图2(b)是负载电流波形图；图3是本公开一个实施例中基于单外部驱动MOSFET管串联高压模块搭建的固态marx发生器的结构示意图；图4(a)至图4(b)是图3所示marx发生器在1kΩ负载上放电产生的脉冲波形图；其中，图4(a)是负载电压波形图，图4(b)是负载电流波形图。具体实施方式下面结合附图1至图4(b)和实施例对本公开的技术方案进行详细描述。一个实施例中，参见图1，一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块，包括：依次串联的MOSFET管M1～Mn、栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1、储能电容C1、栅极触发电容C2～Cn、漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2、外部驱动电路及负载；其中，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的栅极和源极的两端；所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的漏极和源极的两端；所述储能电容C1的一端连接于所述负载，另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极；所述栅极触发电容C2～Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn-1的源极和所述MOSFET管M2～Mn的栅极；所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连，用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制；所述负载的一端连接于所述储能电容C1，另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。相较于现有技术，上述实施例能够较好的解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题，通过单外部驱动实现多MOSFET管的串联，能够实现模块的小型化；同时，通过印制电路板构建寄生电容作为触发电容，能够减小各级开关触发回路寄生电感，实现开关模块的快速导通；再者，通过采用栅极触发电容交错连接的方式，能够改善较多器件在串联应用时器件导通的乱序问题。作为一个优选的实施方案，所述MOSFET管M1的额定耐压等级高于所述MOSFET管M2～Mn。该实施例中，MOSFET管M1在关断阶段需要承受较高的关断过电压，为了避免M1承受过电压导致击穿，因此，M1宜选用耐压等级高于M2～Mn的MOSFET管。另外需要说明的是，MOSFET管M1之所以承受关断过电压，其原因在于：M1是由外部驱动直接控制，因此M1是所有MOSFET管中最早导通也是最早关断的，根据串联MOSFET管关断阶段的电压分配规律，关断较早的MOSFET管将承受关断过电压。作为一个优选的实施方案，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1的电阻值为1kΩ～20kΩ。作为一个优选的实施方案，所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2的电阻值为100kΩ～1MΩ。作为一个优选的实施方案，所述栅极触发电容C2～Cn由PCB板上下层覆铜层的寄生电容构成，且电容值为10pF～100pF。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块，包括：依次串联的MOSFET管M1～Mn、栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1、储能电容C1、栅极触发电容C2～Cn、漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2、外部驱动电路及负载；其中，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的栅极和源极的两端；所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的漏极和源极的两端；所述储能电容C1的一端连接于所述负载，另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极；所述栅极触发电容C2～Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn‑1的源极和所述MOSFET管M2～Mn的栅极；所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连，用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制；所述负载的一端连接于所述储能电容C1，另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。

【技术特征摘要】
1.一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块，包括：依次串联的MOSFET管M1～Mn、栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1、储能电容C1、栅极触发电容C2～Cn、漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2、外部驱动电路及负载；其中，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的栅极和源极的两端；所述漏源极并联均压电阻R1，2～Rn，2依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn的漏极和源极的两端；所述储能电容C1的一端连接于所述负载，另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极；所述栅极触发电容C2～Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1～Mn-1的源极和所述MOSFET管M2～Mn的栅极；所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连，用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制；所述负载的一端连接于所述储能电容C1，另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。2.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块，其特征在于，优选的，所述MOSFET管M1的额定耐压等级高于所述MOSFET管M2～Mn。3.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块，其特征在于，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1的电阻值为1kΩ～20kΩ。4.根据权利要求3所述的MOSFET管串联高压模块，其特征在于，所述栅源极并联均压电阻R1，1～Rn，1为金属膜电阻。5.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞磊，龙天骏，周晨晖，叶明天，陈炫宇，蔡付炜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61