晶体管串联高速高压固态开关制造技术

本发明专利技术涉及一种高速高压固态开关，采用多只晶体管串联和并联当主开关，包括静态和动态均压网络、互感器式脉冲变压器、晶体管栅极驱动电路、控制电路和主开关管。控制电路对ＴＴＬ电平脉宽信号进行处理，产生开启和关断脉冲，送到互感器式脉冲变压器的初级，在脉冲变压器的次级产生相对应的开启和关断脉冲。在开启脉冲时刻让晶体管栅极电压充到１０Ｖ以上，在关断脉冲时刻，让晶体管栅极电压放到１Ｖ以下。通过控制ＴＴＬ电平脉宽信号就可以达到控制高压固态开关开启时间的目的，使高压固态开关可以工作在脉冲状态，也可以工作在连续开启状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及现代功率电力电子技术，具体涉及一种高压固态开关，主要是利用新 型可控电力电子功率器件(功率绝缘栅场效应管MOSFET和绝缘栅双极性晶体管IGBT)构 成的开关，用于各种需要快速开关的高压领域。
技术介绍
现代功率电子电路中使用的固态开关主要由固态器件经过特定组合而成的组件， 常用固态器件有可控硅SCR、绝缘栅场效应管MOSFET和绝缘栅双极性晶体管IGBT等半导体 器件。随着固态半导体器件的发展和成熟，特别是绝缘栅场效应管MOSFET和绝缘栅双极性 晶体管IGBT在工作电压、电流和开关速度都有了较大的提高，为功率电子领域中需要高电 压和大电流固态开关的场合进行多管串联和并联，从而实现高电压大电流可控固态开关成 为了可能。单只半导体器件的工作电压通常在IkV 2kV之间，工作电流在IA 500A之 间。绝缘栅场效应管MOSFET的流通电流能力较低，但其开启和关断速度较快，可以达到几 个ns，所以在需要高重复频率开启和关断并且流通电流较小的场合通常使用功率MOSFET 来串联和并联。绝缘栅双极性晶体管IGBT流通能力较强，单只器件的流通电流达几百A，但 其开启和关断速度较慢，尤其是关断一般需要几μ s，所以在开启和关断重复频率较低、流 通电流较大的场合使用IGBT串联和并联。现有单只固态开关器件耐压低、流通电流有限等缺点。如将多只晶体管串联应用， 有多种驱动方式专用驱动模块、光耦隔离驱动、光纤隔离驱动、变压器隔离驱动、互感器式 脉冲变压器驱动等。专用驱动模块、光耦隔离驱动不能用在电压太高的固态开关场合，光纤 隔离驱动和变压器隔离驱动由于电路复杂、成本较高，难以推广应用。现用的互感器式脉冲变压器驱动电路(见附图2)，由控制电路产生一定宽度的驱 动脉冲信号，经脉冲变压器初级，在互感器式脉冲变压器的次级产生相同宽度的脉冲信号 波形，从而驱动晶体管栅极，触发晶体管处于导通状态。当此驱动脉冲结束后，晶体管栅极 电压回到零伏，晶体管处于截止状态。此驱动电路的缺点是驱动脉宽有局限，一般在几百ns 到100 μ s之间，如果驱动脉宽大于100 μ s后，在互感器式脉冲变压器的设计时，就要选取 过大的磁芯。此电路的工作波形如附图3所示，tl为脉冲宽度，t2为脉冲周期，C行波形为 主开关管工作状态。由图3中可见随着脉冲宽度的增加，晶体管栅极电压也相应的减小，小 到一定时，晶体管就会进入线性区，从而失去开关功能。由上述现有固态高压开关装置的不足，提出本专利技术。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是要解决使用互感器式脉冲变压器驱动电路实现脉 宽从几百ns到连续开启状态的高压固态开关。本专利技术使用的技术方案为驱动电路采用互感器式脉冲变压器为电流型驱动电路， 互感器式脉冲变压器选用环形变压器磁芯。控制电路的输出使用一根高压导线，同时穿过多路串联形式的互感器式环形脉冲变压器的中心。互感器式脉冲变压器的次级连接晶体管栅极驱动电路。本专利技术包括控制电路、驱动电路和开关均压电路，驱动电路为互感器式脉冲变压 器。其特征在于所述控制电路，在脉冲变压器初级一端接正向脉宽控制电路T1、T2，在脉冲 变压器另一端通过阻容元件R1、C1接反向脉宽控制电路Τ3、Τ4;所述驱动电路，在脉冲变压 器次级一端接场效应管Q2源级、通过快速二极管接场效应管Ql栅极G、Q2漏极D及主开关 管Q3的栅极；在脉冲变压器次级另一端接场效应管Ql源极S，通过快速二极管接场应管Q2 栅极G ；场效应管Ql漏极D接主开关管Q3的源极。所采用互感器式脉冲变压器为电流型 驱动电路，该互感器式脉冲变压器选用环形变压器磁芯。主开关管Q3采用多只N型绝缘栅 场效应管NM0SFET或绝缘栅双极性晶体管IGBT串联和并联。开关均压电路中含有静态均 压网络和动态均压网络。静态均压网络采用静态均压元件，静态均压元件的阳极接主开关 管Q3的源极、阴极接主开关管Q3的漏极。本专利技术晶体管栅极驱动电路(见附图4)在控制电路中由正向脉宽控制电路Tl、T2产生开启脉冲，反向脉宽控制电路T3、 T4产生关断脉冲，分不同的时刻分别送到互感器式脉冲变压器的初级，在开启脉冲时刻让 主开关晶体管导通，在关断脉冲时刻让主开关晶体管截止。在控制电路中，由正向脉宽控制电路Tl、T2和反向脉宽控制电路T3、T4组成两个 图腾柱电路结构，提高输出能力和实现良好的驱动脉冲前后沿。在图腾柱输出上串联RlCl 阻容电路，防止流过图腾柱的电流过大，减小驱动功率，同时采用阻容并联电路，在脉冲开 启前沿时刻电流主要从电容上流过，提高在脉冲开启前沿时刻电路的驱动能力。在互感器式脉冲变压器的次级采用检波电路，在开启脉冲时刻，检波电路让晶体 管栅极电压充到15V以上，开启脉冲宽度只有几百ns，在几百ns之后，检波电路通过阻容并 联放电，晶体管栅极电压波形按指数规律下降。在脉冲宽度大于Ims时，控制电路再送一个 开启脉冲，此开启脉冲让晶体管栅极电压又被充到15V电压。只到关断脉冲送来时刻，关断 脉冲使晶体管栅极电压放到零伏，晶体管处于截止状态。晶体管静态均压采用瞬态抑制二极管13 (TVS)，动态均压采用并联高压电容C4。 在高压固态开关需要大的导通能力时，可以使用多只晶体管并联，只要提高驱动电路的功 率就能实现让多只并联的晶体管同时导通和关断。本专利技术的电路能够适应窄脉冲到连续开启脉宽的工作状态，很好的解决了一种高 压固态开关能够适应多种应用场合的问题。同时控制电路只需几W的功率，外输入的脉宽 控制信号为TTL电平，大大的减化了控制电路和减小低压供电功率。本专利技术，高压固态开关体积小、损耗低、电压高、电流大等优点，适用于各种需要快 速开关的高压领域。本专利技术的晶体管串联高速高压固态开关有多种应用方式，如当成高压端开关、低 压端开关和双开关方式等。附图说明图1为本专利技术的晶体管串联高速高压固态开关装置框图；图2为现用互感器式脉冲变压器晶体管驱动电路图3为现用互感器式脉冲变压器晶体管驱动电路工作波形图；图4为本专利技术高压固态开关互感器式脉冲变压器晶体管驱动电路图；图5为本专利技术高压固态开关互感器式脉冲变压器晶体管驱动电路工作波形图； 图6为本专利技术晶体管串联高速高压固态开关实施例具体实施例方式本专利技术的晶体管串联高速高压固态开关总体框图见附图1所示。包括控制电路1、 驱动电路2和开关均压电路3。输入信号有+5V/10W供电、TTL电平脉宽控制信号和安全噪 声接地线，输出端为两根高压线。由于驱动电路具有高电位隔离功能，使本开关的输出端可 以实现高压端开关、低压端开关和双开关等工作方式。下面分析本专利技术的晶体管串联高速高压固态开关电路的详细原理，以一组晶体管 电路为例(见附图4)。多组晶体管串联后电路原理同一组晶体管电路，每一组晶体管电路 首尾相连形成串联结构。互感器式脉冲变压器P选用环形变压器磁芯。控制电路1的输出 使用一根高压导线，同时穿过多组串联形式的互感器式环形脉冲变压器的中心。控制电路1包括晶体管Tl、T2、T3、T4和反向器4，电解电容C2，阻容元件R1、Cl、 驱动电路2包括互感器式环形脉冲变压器P，快速二极管9、10、11，绝缘栅场效应管Q1、Q2， 稳压管12，电容C3，电阻R2。开关和均压电路3包括晶体管Q3，高压电容C4，瞬态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶体管串联高速高压固态开关，包括控制电路１、驱动电路２和开关均压电路３，其特征在于所述驱动电路２，在脉冲变压器Ｐ次级一端７接场效应管Ｑ２源级Ｓ、通过二极管９接场效应管Ｑ１栅极Ｇ、Ｑ２漏极Ｄ及主开关管Ｑ３的栅极；在脉冲变压器Ｐ次级另一端８接场效应管Ｑ１源极Ｓ，通过二极管１１接场应管Ｑ２栅极Ｇ；场效应管Ｑ１漏极Ｄ接主开关管Ｑ３的源极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周军，李运海，
申请(专利权)人：合肥容恩电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]