專利名稱：晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及現(xiàn)代功率電力電子技術(shù)，具體涉及一種高壓固態(tài)開關(guān)，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(yīng)管MOSFET和絕緣柵雙極性晶體管IGBT)構(gòu) 成的開關(guān)，用于各種需要快速開關(guān)的高壓領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代功率電子電路中使用的固態(tài)開關(guān)主要由固態(tài)器件經(jīng)過特定組合而成的組件， 常用固態(tài)器件有可控硅SCR、絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET和絕緣柵雙極性晶體管IGBT等半導(dǎo)體 器件。隨著固態(tài)半導(dǎo)體器件的發(fā)展和成熟，特別是絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET和絕緣柵雙極性 晶體管IGBT在工作電壓、電流和開關(guān)速度都有了較大的提高，為功率電子領(lǐng)域中需要高電 壓和大電流固態(tài)開關(guān)的場合進(jìn)行多管串聯(lián)和并聯(lián)，從而實現(xiàn)高電壓大電流可控固態(tài)開關(guān)成 為了可能。單只半導(dǎo)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(yīng)管MOSFET的流通電流能力較低，但其開啟和關(guān)斷速度較快，可以達(dá)到幾 個ns，所以在需要高重復(fù)頻率開啟和關(guān)斷并且流通電流較小的場合通常使用功率MOSFET 來串聯(lián)和并聯(lián)。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(dá)幾百A，但 其開啟和關(guān)斷速度較慢，尤其是關(guān)斷一般需要幾μ s，所以在開啟和關(guān)斷重復(fù)頻率較低、流 通電流較大的場合使用IGBT串聯(lián)和并聯(lián)?，F(xiàn)有單只固態(tài)開關(guān)器件耐壓低、流通電流有限等缺點。如將多只晶體管串聯(lián)應(yīng)用， 有多種驅(qū)動方式專用驅(qū)動模塊、光耦隔離驅(qū)動、光纖隔離驅(qū)動、變壓器隔離驅(qū)動、互感器式 脈沖變壓器驅(qū)動等。專用驅(qū)動模塊、光耦隔離驅(qū)動不能用在電壓太高的固態(tài)開關(guān)場合，光纖 隔離驅(qū)動和變壓器隔離驅(qū)動由于電路復(fù)雜、成本較高，難以推廣應(yīng)用?，F(xiàn)用的互感器式脈沖變壓器驅(qū)動電路(見附圖2)，由控制電路產(chǎn)生一定寬度的驅(qū) 動脈沖信號，經(jīng)脈沖變壓器初級，在互感器式脈沖變壓器的次級產(chǎn)生相同寬度的脈沖信號 波形，從而驅(qū)動晶體管柵極，觸發(fā)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)此驅(qū)動脈沖結(jié)束后，晶體管柵極 電壓回到零伏，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。此驅(qū)動電路的缺點是驅(qū)動脈寬有局限，一般在幾百ns 到100 μ s之間，如果驅(qū)動脈寬大于100 μ s后，在互感器式脈沖變壓器的設(shè)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(guān)管工作狀態(tài)。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(yīng)的減小，小 到一定時，晶體管就會進(jìn)入線性區(qū)，從而失去開關(guān)功能。由上述現(xiàn)有固態(tài)高壓開關(guān)裝置的不足，提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是要解決使用互感器式脈沖變壓器驅(qū)動電路實現(xiàn)脈 寬從幾百ns到連續(xù)開啟狀態(tài)的高壓固態(tài)開關(guān)。本發(fā)明使用的技術(shù)方案為驅(qū)動電路采用互感器式脈沖變壓器為電流型驅(qū)動電路， 互感器式脈沖變壓器選用環(huán)形變壓器磁芯?？刂齐娐返妮敵鍪褂靡桓邏簩?dǎo)線，同時穿過多路串聯(lián)形式的互感器式環(huán)形脈沖變壓器的中心?；ジ衅魇矫}沖變壓器的次級連接晶體管柵極驅(qū)動電路。本發(fā)明包括控制電路、驅(qū)動電路和開關(guān)均壓電路，驅(qū)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(qū)動電路，在脈沖變壓 器次級一端接場效應(yīng)管Q2源級、通過快速二極管接場效應(yīng)管Ql柵極G、Q2漏極D及主開關(guān) 管Q3的柵極；在脈沖變壓器次級另一端接場效應(yīng)管Ql源極S，通過快速二極管接場應(yīng)管Q2 柵極G ；場效應(yīng)管Ql漏極D接主開關(guān)管Q3的源極。所采用互感器式脈沖變壓器為電流型 驅(qū)動電路，該互感器式脈沖變壓器選用環(huán)形變壓器磁芯。主開關(guān)管Q3采用多只N型絕緣柵 場效應(yīng)管NM0SFET或絕緣柵雙極性晶體管IGBT串聯(lián)和并聯(lián)。開關(guān)均壓電路中含有靜態(tài)均 壓網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)采用靜態(tài)均壓元件，靜態(tài)均壓元件的陽極接主開關(guān) 管Q3的源極、陰極接主開關(guān)管Q3的漏極。本發(fā)明晶體管柵極驅(qū)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(chǎn)生開啟脈沖，反向脈寬控制電路T3、 T4產(chǎn)生關(guān)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(guān)晶體管導(dǎo)通，在關(guān)斷脈沖時刻讓主開關(guān)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(jié)構(gòu)，提高輸出能力和實現(xiàn)良好的驅(qū)動脈沖前后沿。在圖騰柱輸出上串聯(lián)RlCl 阻容電路，防止流過圖騰柱的電流過大，減小驅(qū)動功率，同時采用阻容并聯(lián)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(qū)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(lián)放電，晶體管柵極電壓波形按指數(shù)規(guī)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(guān)斷脈沖送來時刻，關(guān)斷 脈沖使晶體管柵極電壓放到零伏，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。晶體管靜態(tài)均壓采用瞬態(tài)抑制二極管13 (TVS)，動態(tài)均壓采用并聯(lián)高壓電容C4。 在高壓固態(tài)開關(guān)需要大的導(dǎo)通能力時，可以使用多只晶體管并聯(lián)，只要提高驅(qū)動電路的功 率就能實現(xiàn)讓多只并聯(lián)的晶體管同時導(dǎo)通和關(guān)斷。本發(fā)明的電路能夠適應(yīng)窄脈沖到連續(xù)開啟脈寬的工作狀態(tài)，很好的解決了一種高 壓固態(tài)開關(guān)能夠適應(yīng)多種應(yīng)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(fā)明，高壓固態(tài)開關(guān)體積小、損耗低、電壓高、電流大等優(yōu)點，適用于各種需要快 速開關(guān)的高壓領(lǐng)域。本發(fā)明的晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)有多種應(yīng)用方式，如當(dāng)成高壓端開關(guān)、低 壓端開關(guān)和雙開關(guān)方式等。


圖1為本發(fā)明的晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)裝置框圖；圖2為現(xiàn)用互感器式脈沖變壓器晶體管驅(qū)動電路圖3為現(xiàn)用互感器式脈沖變壓器晶體管驅(qū)動電路工作波形圖；圖4為本發(fā)明高壓固態(tài)開關(guān)互感器式脈沖變壓器晶體管驅(qū)動電路圖；圖5為本發(fā)明高壓固態(tài)開關(guān)互感器式脈沖變壓器晶體管驅(qū)動電路工作波形圖；
圖6為本發(fā)明晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)實施例具體實施例方式本發(fā)明的晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)總體框圖見附圖1所示。包括控制電路1、 驅(qū)動電路2和開關(guān)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(qū)動電路具有高電位隔離功能，使本開關(guān)的輸出端可 以實現(xiàn)高壓端開關(guān)、低壓端開關(guān)和雙開關(guān)等工作方式。下面分析本發(fā)明的晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)電路的詳細(xì)原理，以一組晶體管 電路為例(見附圖4)。多組晶體管串聯(lián)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(lián)結(jié)構(gòu)?；ジ衅魇矫}沖變壓器P選用環(huán)形變壓器磁芯?？刂齐娐?的輸出 使用一根高壓導(dǎo)線，同時穿過多組串聯(lián)形式的互感器式環(huán)形脈沖變壓器的中心?？刂齐娐?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(qū)動電路2包括互感器式環(huán)形脈沖變壓器P，快速二極管9、10、11，絕緣柵場效應(yīng)管Q1、Q2， 穩(wěn)壓管12，電容C3，電阻R2。開關(guān)和均壓電路3包括晶體管Q3，高壓電容C4，瞬態(tài)抑制二極 管13。外輸入的TTL電平脈寬控制信號經(jīng)過控制電路的處理，產(chǎn)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(chǎn)生開啟脈沖信號(見附圖5中b行波形)，經(jīng)過 反向器4后在脈寬控制信號的后沿時刻產(chǎn)生關(guān)斷脈沖信號(見附圖5中c行波形)，開啟脈 沖和關(guān)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(jié)構(gòu)。關(guān)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(dǎo)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(fù)端，形成開啟脈沖 電流通路。在關(guān)斷脈沖時刻，晶體管Τ2、Τ3導(dǎo)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(fù)端，形成關(guān)斷脈 沖電流通路。開啟脈沖電流和關(guān)斷脈沖電流在互感器式脈沖變壓器的初級產(chǎn)生驅(qū)動脈沖波 形(見附圖5中d行波形)。當(dāng)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(guān)斷脈沖只需要一次就可以有效的讓晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。驅(qū)動電路2中，開啟脈沖通過互感器式環(huán)形脈沖變壓器P的初級，在脈沖變壓器P 的次級產(chǎn)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(yīng)管Ql導(dǎo)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(yīng)管Q1，回到互感器式脈沖變壓器P 的8腳。設(shè)計此充電電流較大，達(dá)安培級，在IOOns時間量級內(nèi)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(shù)大于3ms，保證Ims內(nèi)晶體管Q3的柵極電壓不低于10V。關(guān)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(chǎn)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(guān)斷脈 沖通過二極管11讓絕緣柵場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，此時電容C3和晶體管Q3的柵極電容通過絕 緣柵場效應(yīng)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(tài)，所以 電容C3和晶體管Q3柵極電容上的儲能能夠在IOOns內(nèi)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(yīng)的晶體管也隨著柵極電壓波形處于開啟狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài) (見附圖5中f行波形)。穩(wěn)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(yīng)管NM0SFET和絕緣柵雙極性晶體管IGBT，同時根 據(jù)所需高壓固態(tài)開關(guān)電壓和電流的大小，選擇晶體管串聯(lián)和并聯(lián)的數(shù)量。選用瞬態(tài)抑制二 極管13完成靜態(tài)均壓，而不用高壓電阻均壓，使整個固態(tài)開關(guān)的靜態(tài)漏電流極小，只有幾 個μΑ。同時在動態(tài)均壓時，瞬態(tài)抑制二極管也能吸收一定能量的尖峰，動態(tài)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(xù)可調(diào)的高壓固態(tài)開關(guān)，電 路圖見附圖6所示。包括控制電路1、驅(qū)動電路2和開關(guān)均壓電路3組成。主開關(guān)管選擇為絕緣柵場效應(yīng)管NM0SFET，單只開關(guān)管的額定電壓為1200V，額定 電流為12Α。采用12只NM0SFET串聯(lián)，開關(guān)管總的耐壓為14. 4kV，開關(guān)晶體管的編號為 Q3-UQ3-2 Q3-12。靜態(tài)均壓選用瞬態(tài)抑制二極管13_1、13_2 13-12，單只開關(guān)管兩端 并聯(lián)的瞬態(tài)抑制二極管電壓為880V。動態(tài)均壓主要是高壓電容C4-1、C4-2 C4-12。使用12只鐵氧體環(huán)形變壓器Pl、P2 P12當(dāng)互感器式脈沖驅(qū)動變壓器，變壓器的 初級為一匝，次級設(shè)計為四匝，利用1只環(huán)形驅(qū)動變壓器驅(qū)動1只主開關(guān)晶體管。12組串聯(lián)開關(guān)管和驅(qū)動電路原理相同，下面只分析1組的實現(xiàn)原理。外輸入的TTL電平脈寬控制信號經(jīng)過控制電路的處理，產(chǎn)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(chǎn)生開啟脈沖信號(見b 行波形)，經(jīng)過反向器4后在脈寬控制信號的后沿時刻產(chǎn)生關(guān)斷脈沖信號(見c行波形)， 開啟脈沖和關(guān)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(jié)構(gòu)。關(guān)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(dǎo)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(fù)端， 形成開啟脈沖電流通路。在關(guān)斷脈沖時刻，晶體管T2、T3導(dǎo)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(fù)端，形成關(guān)斷脈沖電流通路。開啟脈沖電流和關(guān)斷脈沖電流在互感器式脈沖變壓 器的初級產(chǎn)生驅(qū)動脈沖波形((見附圖5中d行波形))。當(dāng)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(guān)斷脈沖只需要一次就可以有效的讓晶體管處于截 止?fàn)顟B(tài)。驅(qū)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(chǎn)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(yīng)管Ql-I導(dǎo)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(yīng)管Q1-1，回到互感器式脈沖變壓器Pl的 腳。設(shè)計此充電電流較大，達(dá)安培級，在IOOns時間量級內(nèi)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(shù)大于3ms，保證Ims內(nèi)晶體管Q3-1的柵極電壓不低于10V。關(guān)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(chǎn)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(guān)斷脈沖通 過二極管11-1讓絕緣柵場效應(yīng)管Q2-1導(dǎo)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(yīng)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(tài)，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(nèi)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(yīng)的晶體管也隨著柵極電壓波形處于開啟狀態(tài) 和關(guān)斷狀態(tài)(見附圖5中f行波形)。穩(wěn)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(fā)明利用互感器式脈沖變壓器驅(qū)動，電路簡單、高壓隔離方便、成本低等優(yōu)點。
權(quán)利要求
一種晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)，包括控制電路1、驅(qū)動電路2和開關(guān)均壓電路3，其特征在于所述驅(qū)動電路2，在脈沖變壓器P次級一端7接場效應(yīng)管Q2源級S、通過二極管9接場效應(yīng)管Q1柵極G、Q2漏極D及主開關(guān)管Q3的柵極；在脈沖變壓器P次級另一端8接場效應(yīng)管Q1源極S，通過二極管11接場應(yīng)管Q2柵極G；場效應(yīng)管Q1漏極D接主開關(guān)管Q3的源極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)，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(jù)權(quán)利要求1所述晶體管串聯(lián)高速高壓固態(tài)開關(guān)，其特征為開關(guān)均壓電路3中采 用靜態(tài)均壓元件13，靜態(tài)均壓元件13的陽極接主開關(guān)管Q3的源極、陰極接主開關(guān)管Q3的 漏極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速高壓固態(tài)開關(guān)，采用多只晶體管串聯(lián)和并聯(lián)當(dāng)主開關(guān)，包括靜態(tài)和動態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)、互感器式脈沖變壓器、晶體管柵極驅(qū)動電路、控制電路和主開關(guān)管。控制電路對TTL電平脈寬信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生開啟和關(guān)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(chǎn)生相對應(yīng)的開啟和關(guān)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(guān)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(dá)到控制高壓固態(tài)開關(guān)開啟時間的目的，使高壓固態(tài)開關(guān)可以工作在脈沖狀態(tài)，也可以工作在連續(xù)開啟狀態(tài)。
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(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者周軍, 李運海 申請人:合肥容恩電子科技有限公司