專利名稱：應(yīng)用于行波管程控高壓電源的mosfet開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
行波管程控高壓電源的各電源電壓都以陰極為參考，主要特點(diǎn)是控制精度高、輸出功率大、對(duì)地電壓高達(dá)數(shù)萬伏等；本發(fā)明的程控高壓電源陰極電壓高達(dá)16kV，收集極最大功率4kW。首先，由于輸出電壓較高，所以要在功率主回路和控制電路之間進(jìn)行超高的電氣隔離，其次，開關(guān)管工作在高頻大功率狀態(tài)，所以必須提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力；此外，為保證功率MOFET在高頻、高壓、大電流下工作，對(duì)電源的瞬間開關(guān)性帶載能力、負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)壓精度提出了極大的挑戰(zhàn)；因此，必須為該類功率MOFET開關(guān)管設(shè)計(jì)高效可靠的柵極驅(qū)動(dòng)電路。目前在傳統(tǒng)的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法中，多采用電平位移、光藕隔離、光纖隔離、脈沖變壓器隔離等驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。電平位移方式不是嚴(yán)格意義上的隔離，而是一種準(zhǔn)隔離的方式，且功耗大、制造工藝難以實(shí)現(xiàn)。光藕隔離方式隔離耐壓度不高，開關(guān)頻率低，傳輸延遲、速度慢，共模抑制能力差，傳輸距離短，需要提供高壓隔離電源。光纖隔離方式隔離耐壓比較高，能有效抑制電磁干擾，但存在傳輸延遲、容易老化、需要提供高壓隔離電源。脈沖變壓器隔離方式隔離耐壓高、成本低、可靠性高、傳輸延遲小、開關(guān)頻率高，對(duì)共模信號(hào)的抑制能力強(qiáng)，不需要提供高壓隔離電源。脈沖變壓器隔離是MOSFET和IGBT等全控型器件驅(qū)動(dòng)電路常用的一種隔離形式，由于它具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要提供隔離電源、成本較低，對(duì)脈沖信號(hào)無傳輸延遲等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足驅(qū)動(dòng)電路電氣隔離、快速性、較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的要求，因此研發(fā)過程中首先考慮采用這種隔離驅(qū)動(dòng)·方式。但是，對(duì)于高壓、大功率的行波管程控高壓電源，傳統(tǒng)的脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式也是無法滿足其要求的。本發(fā)明在傳統(tǒng)脈沖變壓器隔離方式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地發(fā)明了一種應(yīng)用于行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即一種新型無源脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔尚驅(qū)動(dòng)方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:應(yīng)用于行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于:作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)過阻尼消振電路，消除長(zhǎng)線振蕩噪聲后，送入電流緩沖驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)能力放大，再經(jīng)隔直阻尼消振電路，送入高壓隔離耦合變壓器輸入端，在其次級(jí)產(chǎn)生同幅、同頻、但相位相反的兩組觸發(fā)脈沖信號(hào)；每組觸發(fā)信號(hào)各自經(jīng)過推挽放大驅(qū)動(dòng)電路、通道轉(zhuǎn)換隔離電路，再經(jīng)過具有瞬態(tài)抑制功能的軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路后，分別驅(qū)動(dòng)各自橋臂上的MOSFET功率開關(guān)管工作，其中，阻尼消振電路、隔直阻尼消振電路，以及軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路共同完成噪聲抑制功能；電流緩沖驅(qū)動(dòng)電路、推挽放大驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路；高壓隔離耦合變壓器及其輸入端的隔直電容則構(gòu)成隔直電路，其隔直流、通交流的良好特性達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路初次級(jí)的電氣隔離功能；高壓隔離變壓器作為本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一，其初次級(jí)緊密耦合的并聯(lián)繞制、良好的絕緣性能、超低的泄漏電感特性足以保持驅(qū)動(dòng)波形脈沖特性及有效避免驅(qū)動(dòng)延遲；主開關(guān)管柵極、源極穿心抑制磁珠構(gòu)成的軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，具有在低頻時(shí)呈現(xiàn)感性、高頻時(shí)趨向阻性特征，因此能有效實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，具有良好的開關(guān)瞬態(tài)抑制能力，最終實(shí)現(xiàn)了理想的行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)。行波管程控高壓電源利用專有的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功率快速動(dòng)態(tài)調(diào)整，達(dá)到了行波管測(cè)試系統(tǒng)專用程控高壓電源的各項(xiàng)功能指標(biāo)，也是行波管程控高壓電源高壓、大功率隔離逆變?cè)O(shè)計(jì)上的最優(yōu)選擇。本發(fā)明在行波管程控高壓電源設(shè)計(jì)中，根據(jù)其高壓、大功率開關(guān)特性的特殊性，采用了一種獨(dú)特的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法，該方法構(gòu)思巧妙，電路可靠實(shí)用，不僅提高了大功率瞬態(tài)開關(guān)驅(qū)動(dòng)能力，有效抑制了開關(guān)驅(qū)動(dòng)噪聲，而且進(jìn)一步杜絕了高壓大功率的開關(guān)共通現(xiàn)象。本發(fā)明的有益效果是:驅(qū)動(dòng)電路具備良好的電氣隔離特性，避免了功率級(jí)電路對(duì)制信號(hào)造成干擾；滿足了 MOSFET快速轉(zhuǎn)換和高峰值電流，克服了密勒效應(yīng)；驅(qū)動(dòng)電路的傳輸延遲時(shí)間較短，減小了開關(guān)死區(qū)時(shí)間，提高了變換器的控制精度和效率；橋式功率管的驅(qū)動(dòng)電路傳輸延遲時(shí)間差也極小，避免了橋臂的兩個(gè)功率管直通損壞現(xiàn)象；另外，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可靠、體積小、成本低。


圖1為本發(fā)明方法的電路原理框圖。圖2為本發(fā)明方法的電路原理圖。圖3為驅(qū)動(dòng)變壓器關(guān)鍵點(diǎn)波形示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示。圖1所示原理框圖的工作流程如下:驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過阻尼消振電路消除長(zhǎng)線振蕩后，送到大電流緩沖驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行擴(kuò)流處理，瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流能力從毫安級(jí)擴(kuò)展到安培級(jí)；經(jīng)隔直阻尼消振電路輸入到隔離耦合變壓器初級(jí)，該變壓器具有高壓隔離、耦合良好等特性，變壓器次級(jí)輸出一對(duì)同幅同頻但完全反相的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過兩組電路控制參數(shù)和元器件參數(shù)完全一致的推挽放大電路、通道轉(zhuǎn)換隔離電路，推挽放大電路起到避免共同導(dǎo)通作用，通道轉(zhuǎn)換隔離電路則可以避免開通和關(guān)斷的相互干擾；驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過上述一系列優(yōu)化處理后，送到各自的軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路一方面要消除分布電容電壓可能引起的開關(guān)管誤導(dǎo)通問題，另一方面實(shí)現(xiàn)開關(guān)沖擊電流的動(dòng)態(tài)抑制功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MOSFET開關(guān)管的完美隔離驅(qū)動(dòng)功能。如圖2所示。在圖2中，電阻Rl、R2和R4、R5為阻尼電路，具有消除長(zhǎng)線震蕩作用。N1、N2為大電流緩沖驅(qū)動(dòng)器，它具有較高的連續(xù)輸出電流和更高的脈沖輸出電流能力，具有較快的上升下降時(shí)間和較短的內(nèi)部延時(shí)，且具有很低的輸出內(nèi)阻特性，對(duì)電流的緩沖放大驅(qū)動(dòng)起到一定的保證作用。圖中Vl V4共同組成初級(jí)尖峰吸收和反接保護(hù)等。電阻R3、電容C3構(gòu)成初級(jí)隔直和阻尼消振電路。變壓器Tl為本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一，該脈沖變壓器有3個(gè)繞組，一個(gè)初級(jí)繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組，它們都應(yīng)該有良好的絕緣性，且三者之間的匝數(shù)完全相等，以利于并聯(lián)繞制時(shí)的緊密耦合；脈沖變壓器不應(yīng)存儲(chǔ)能量，因此減小泄感對(duì)于改善驅(qū)動(dòng)波形以及提高效率非常重要，這樣才能保證在導(dǎo)通或者截止的時(shí)候提供較高的峰值電流，有效避免柵極驅(qū)動(dòng)中的時(shí)間延遲；另外在脈沖變壓器設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮到最大占空比、最大輸入電壓等所有條件下的瞬態(tài)嚴(yán)酷情況。V5、V6和V11、V12分別組成推挽放大驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步增強(qiáng)了電流驅(qū)動(dòng)能力。V7、V8和V13、V14構(gòu)成信號(hào)通路轉(zhuǎn)換和隔離作用，有效地保證了多管互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)功能，減少相互干擾。LI L8為主開關(guān)管柵極、源極的穿心抑制磁珠，增加驅(qū)動(dòng)能力，達(dá)到軟開關(guān)效果且避免了對(duì)開關(guān)波形的影響。從圖中還可以看 出，該驅(qū)動(dòng)電路具有互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)功能，即當(dāng)一個(gè)功率MOSFET導(dǎo)通的同時(shí)另一個(gè)功率MOSFET關(guān)斷，并且這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互隔離。脈沖變壓器有兩個(gè)次級(jí)繞組，分別連接兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路。由于兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端恰好相反，則在NI輸出為高電平、N2輸出為低電平時(shí)，上組驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓為正，下組驅(qū)動(dòng)電路端出電壓為負(fù)，反之亦然。由于信號(hào)出自同一個(gè)脈沖變壓器，所以這個(gè)電路的互補(bǔ)性很好，能有效地防止共通等不良現(xiàn)象的發(fā)生。通過上述種種措施確保了功率和電流兩方面放大增益要求，從而保證了功率回路的瞬態(tài)增益和速度指標(biāo)；尤其是無源脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大增強(qiáng)了開關(guān)管的開關(guān)能力，抑制了開關(guān)噪聲，因而能有效改善開關(guān)管的瞬態(tài)高壓大功率輸出能力。本發(fā)明方法的特點(diǎn)是:觸發(fā)脈沖信號(hào)具有足夠快的上升和下降速度；開通時(shí)以低電阻為柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度；為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓較高于開關(guān)管的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)還提供了足夠高的反向柵源電壓；功率開關(guān)管開關(guān)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。本發(fā)明中N1、N2采用具有大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)能力的高電流緩沖驅(qū)動(dòng)芯片，它具有優(yōu)越的重載開關(guān)驅(qū)動(dòng)能力，其主要技術(shù)參數(shù)要求如下:Ipk=9A, Idc=2A, Tr=60nS,Tf=60nS, Td=30nSo該方式提高了瞬間短路電流的承受能力，對(duì)于本發(fā)明電路尤其重要。因?yàn)樗查g短路電流的產(chǎn)生通常是由于驅(qū)動(dòng)電平脈沖的上升或下降過程太長(zhǎng)，或者傳輸延時(shí)過大，這時(shí)高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET在很短的時(shí)間里處于同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)，在電源和地之間形成了短路。瞬間短路電流會(huì)顯著降低電源的效率，使用高電流緩沖驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)器后可以從兩個(gè)方面改善這個(gè)問題:首先MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電平的上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，并且時(shí)間較短；TC4422EPA型驅(qū)動(dòng)器在InF負(fù)載的情況下，脈沖上升時(shí)間Tr和下降時(shí)間Tf僅為25ns。其次驅(qū)動(dòng)脈沖的傳播延時(shí)很短，保證了高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET具有相等的導(dǎo)通延遲和截止延遲；本發(fā)明中TC4422EPA型驅(qū)動(dòng)器的脈沖上升沿和下降沿的傳播延遲均小于2ns。而在傳統(tǒng)的分立器件電路中卻難以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器只適用于電路簡(jiǎn)單、輸出電流小的產(chǎn)品，既不能滿足對(duì)高性能的要求，也不具有任何的成本優(yōu)勢(shì)。驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備良好的電氣隔離特性，避免功率級(jí)電路對(duì)制信號(hào)造成干擾，因此本發(fā)明采用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)方式。產(chǎn)生對(duì)稱負(fù)脈沖來加快MOSFET的關(guān)斷速度，保證MOSFET可靠關(guān)斷，提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力；同時(shí)避免因MOSFET的開啟電壓隨時(shí)間下降以及MOSFET關(guān)斷時(shí)過高的電壓應(yīng)力引起MOSFET誤導(dǎo)通。因此，自制件脈沖變壓器的設(shè)計(jì)也是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一。脈沖變壓器具體設(shè)計(jì)如下:1、工作頻率fT=100kHz，以減小脈沖變壓器體積、尺寸；2、電源電壓15V，既保證MOSFET充分開關(guān)導(dǎo)通，又確保其工作在安全區(qū)；3、平均驅(qū)動(dòng)功率彡1000mW。變壓器磁芯的選擇:
權(quán)利要求
1.應(yīng)用于行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于:作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)過阻尼消振電路，消除長(zhǎng)線振蕩噪聲后，送入電流緩沖驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)能力放大，再經(jīng)隔直阻尼消振電路，送入高壓隔離耦合變壓器輸入端，在其次級(jí)產(chǎn)生同幅、同頻、但相位相反的兩組觸發(fā)脈沖信號(hào)；每組觸發(fā)信號(hào)各自經(jīng)過推挽放大驅(qū)動(dòng)電路、通道轉(zhuǎn)換隔離電路，再經(jīng)過具有瞬態(tài)抑制功能的軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路后，分別驅(qū)動(dòng)各自橋臂上的MOSFET功率開關(guān)管工作，其中，阻尼消振電路、隔直阻尼消振電路，以及軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路共同完成噪聲抑制功能；電流緩沖驅(qū)動(dòng)電路、推挽放大驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路；高壓隔離耦合變壓器及其輸入端的隔直電容則構(gòu)成隔直電路，其隔直流、通交流的良好特性達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路初次級(jí)的電氣隔離功能；高壓隔離變壓器作為本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一，其初次級(jí)緊密耦合的并聯(lián)繞制、良好的絕緣性能、超低的泄漏電感特性足以保持驅(qū)動(dòng)波形脈沖特性及有效避免驅(qū)動(dòng)延遲；主開關(guān)管柵極、源極穿心抑制磁珠構(gòu)成的軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，具有在低頻時(shí)呈現(xiàn)感性、高頻時(shí)趨向阻性特征，因此能有效實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，具有良好的開關(guān)瞬態(tài)抑制能力，最終實(shí)現(xiàn)了理想 的行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于行波管程控高壓電源的MOSFET開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)方法，將脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)過處理后，送入超高壓隔離脈沖變壓器產(chǎn)生同幅、同頻、但相位相反的兩組觸發(fā)脈沖信號(hào)；每組觸發(fā)信號(hào)各自經(jīng)過推挽放大電路、瞬態(tài)抑制電路后，驅(qū)動(dòng)各自橋臂上的MOSFET功率開關(guān)管工作。
文檔編號(hào)H02M1/08GK103248206SQ20131015315
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者王文廷, 李斌, 王群, 王俊, 汪定華 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所