應用於高壓固態開關中的快速驅動電路、高壓固態開關的製作方法

2023-06-12 04:10:46

本發明屬於高壓開關技術領域，具體涉及一種高壓固態開關的驅動電路及高壓開關。

背景技術：

高壓固態開關，可應用於多種領域，如：電力系統斷路器、高壓醫療電源、雷達發射器、汙水處理等脈衝功率。目前一些應用場合，需要高壓固態開關具有快速，損耗低等特點，並需要控制、調節高壓電源和高壓負載之間導通、關斷的開關頻率和時間。傳統的高壓固態開關由於複雜的保護電路、較差的動態響應和較低的導通損耗等問題，導致輸出電壓壓降大、帶載能力低、故障響應速度慢，從而制約了的高壓脈衝電源的整體輸出性能。

傳統的高壓固態開關，一種是採用光耦方式實現控制信號從弱電側傳遞到強電側，但由於光耦在溫度惡劣情況下，工作不穩定，不能應用於溫度變化範圍較寬的場合，同時該方案的安全隔離電壓也會受到光耦自身規格的限制。另一種是採用隔離變壓器進行信號傳遞，但控制信號開關頻率調節能力差，而且導通、關斷慢，所形成的脈衝功率速率低。綜上這兩種方案的高壓固態開關應用受到了很大約束。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的問題，本發明提出了一種高壓側驅動電路，可依據弱電側控制信號，迅速完成對各串聯開關器件的充、放電，從而達到快速驅動高壓固態開關的目標。採用該驅動方案的高壓固態開關具有導通、關斷可靠，響應速度快及開關頻率調節範圍寬等優點。

本發明具體通過如下技術方案實現：

每個驅動變壓器副邊採用雙繞組的繞線方式，實現對相應串聯器件的導通、關斷控制。驅動變壓器包括原邊繞組、第一副邊繞組、第二副邊繞組，驅動電路包括第一二極體、第二二極體、第一三極體、第一電阻、第二電阻。第一副邊繞組的同名端分別與第一二極體的正極、第一電阻的一端相連，第一副邊繞組的異名端與第一電阻的另一端相連，第一二極體的負極與該驅動電路所對應的主功率開關管的柵極相連。第二副邊繞組的異名端與第二二極體的正極相連，第二副邊繞組的同名端與第一三極體的發射極相連，第二二極體的負極與第一三極體的基極相連，第一三極體的集電極通過第二電阻與主功率開關管的柵極相連，第一三極體的發射極還與主功率管的漏極相連。

針對實現快速控制高壓固態開關，本發明中每個串聯開關器件採用獨立的驅動變壓器和驅動電路。本發明中採用單匝導線穿過各驅動變壓器，串芯導線作為所有驅動變壓器的原邊繞組。每個驅動變壓器副邊有兩個繞組，一個繞組連接對應的驅動電路，當原邊給定閉合指令後負責為對應串聯器件充電、控制其導通。由於所有驅動變壓器的原邊給定的信號同步，因此各串聯器件同時導通，即整體高壓固態開關導通。變壓器副邊的另一繞組連接著另一個驅動電路，當原邊給定關斷指令後，該電路用於提供放電通路，控制其關斷，即整體高壓固態開關關斷。

本發明由於採用串芯繞線方式作為所有隔離驅動變壓器的原邊，因此具有很強的驅動能力；本發明採用的高壓側驅動電路，可以快速實現對各串聯器件的充、放電，因此高壓開關具有快速的開關響應；本發明採用低導通損耗的mosfet，導通情況下具有較低的導通損耗；本發明提出的驅動電路還可以實現每個串聯功率器件的並聯，從而進一步降低導通損耗；本發明提出的高壓固態開關方案可實現寬範圍調節開關頻率和時間的能力。因此本發明方案中提及的高壓側驅動電路非常適用於高壓電源為負載提供脈衝功率場合。

附圖說明

圖1是本發明的高壓固態開關的電路結構示意圖；

圖2是三個開mosfet串聯的高壓開關電路結構示意圖；

圖3是弱電側調理電路拓撲結構；

圖4是高壓側快速驅動電路拓撲結構。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明的快速、寬調節頻率的高壓固態開關的電路結構如附圖1所示，高壓固態開關介於高壓電源與負載之間，其中高壓固態開關高壓側由多個串聯的開關器件(s1,s2,…,sn)組成，例如採用額定電壓為1200v的sic-mosfet器件，當三個串聯時可以承受3600v的電壓，同時依據實際要求還可串聯多個器件來承受更高的電壓，而為了降低導通時的通態損耗，還可進行開關器件的並聯。

本發明中，每個驅動電路(vd1,vd2,…,vdn)對應一個驅動磁環，其中所有驅動繞組採用單匝導線進行串芯連接，此單匝導線作為原邊繞組。每路驅動電路是浮地狀態，彼此電氣隔離。原邊控制信號通過電磁感應傳遞到副邊，實現控制所有串聯器件同時導通、關斷的目標。而每個驅動變壓器副邊採用雙繞組的繞線方式，實現對相應串聯器件的導通、關斷控制。本發明中，高壓開關由多個sic-mosfet串聯，因此當導通或關斷狀態下，可能會由於器件參數差異，導致某一路器件出現過壓，如果不添加控制，可能會出現整個高壓固態開關損壞的風險。因此針對實際應用情況，可適當添加均壓保護電路(vl1,vl2,…,vln)。

附圖2所示為三個開關器件串聯弱電側將控制信號轉變為脈衝信號的電路，包括原邊邏輯調理電路，各路驅動變壓器，變壓器副邊驅動電路以及保護電路，同時串聯器件又採用了並聯方式實現導通損耗的降低。本發明驅動採用高頻變壓器，為了將低頻控制信號傳遞到高壓側，先將控制指令經調理電路轉變成脈衝信號。

附圖3所示為原邊控制調理電路的一個實例，當控制高壓固態開關閉合時，在c點給定脈衝信號1，傳遞到開關器件5上後經過驅動變壓器6，在開關管7和11的柵極產生與脈衝信號1一致的驅動信號，保證7和11按照此驅動信號進行導通、關斷。相應在d點給定恆低電平，因此開關管9和10的柵極為低電平，處於關斷狀態，此過程在驅動變壓器a、b兩端就建立了與脈衝信號1一致的正向脈衝電壓和電流。

同理，當控制高壓固態開關關斷時，在c點給定恆低電平，因此開關管5不導通，致使開關管7和11的柵極為低電平，處於關斷狀態；相應地，在d點給定控制信號2，此時開關器件4上建立與信號2一致的驅動信號。經過驅動變壓器66後，在開關管9和10的柵極產生與信號2一致的驅動信號，從而9和10導通、關斷1次。由於開關管7和11的柵極為低電平、處於關斷狀態，此過程在驅動變壓器a、b兩端建立了與2一致的負向脈衝電壓和電流。兩種信號經驅動變壓器8傳遞到變壓器副邊的高壓側驅動電路中。

通過驅動變壓器將代表導通或關斷的正向或負向脈衝信號傳遞到高壓側，再經本發明提出的高壓側驅動電路，將脈衝信號轉回與控制指令一致的信號。

高壓側驅動電路如附圖4所示，實例：所述驅動變壓器包括原邊繞組12、第一副邊繞組13、第二副邊繞組15，所述驅動電路包括第一二極體25、第二二極體14、第一三極體18、第一電阻16、第二電阻26。第一副邊繞組13的同名端分別與第一二極體25的正極、第一電阻16的一端相連，第一副邊繞組13的異名端與第一電阻16的另一端相連，第一二極體25的負極與該驅動電路所對應的主功率開關管23的柵極相連。第二副邊繞組15的異名端與第二二極體14的正極相連，第二副邊繞組15的同名端與第一三極體18的發射極相連，第二二極體14的負極與第一三極體18的基極相連，第一三極體的集電極通過第二電阻26與主功率開關管23的柵極相連，第一三極體18的發射極還與主功率管23的漏極相連。

當代表閉合指令與脈衝信號1一致的正向脈衝傳遞到各驅動變壓器的副邊時，副邊繞組13電壓為上正下負，二極體25導通，因此驅動電路快速為串聯器件23的柵極寄生電容充電，從而保證23迅速導通。而副邊繞組15電壓為下正上負，由於有二極體14的存在，因此對應繞組15的放電迴路不導通。同時，在本發明電路中又添加了電阻16，用於實現磁復位，避免驅動變壓器飽和。以此類推，其他串聯主功率管也同時導通，整個固態開關處於導通狀態。

同理，當代表關斷指令的負向脈衝功率信號傳遞到各驅動變壓器的副邊時，二極體14導通，三極體18的基極為高電平，因此18的集電極和發射極導通，串聯器件23的柵極電荷通過電阻26迅速放電，被箝位到低電平，串聯器件23關斷。以此類推，其他串聯主功率管也同時關斷，整個固態開關處於關斷狀態。由於串聯器件23和24等柵源極存在寄生電阻，因此會存在漏電現象，為了保證高壓固態開關一直維持導通狀態，因此需要持續為繞組13給定正向脈衝，即附圖3中的信號1需要周期性的脈衝信號。而控制關斷時，附圖3中的信號2則不需要連續脈衝給定，固定幾個脈衝信號就可以完成串聯器件柵極的放電過程，保證高壓固態開關關斷。

綜上所述，本發明提出一種用於高壓固態開關的快速驅動電路，適用於高壓系統及高壓、脈衝功率電源領域。本發明所涉及的高壓固態開關，採用半導體開關器件串聯，通過磁隔離方式實現弱電與強電之間隔離，弱電側控制信號完成對強電側串聯器件的導通、關斷控制。在高電壓應用領域，需要串聯多個功率開關器件，為了保證整體固態開關的可靠性，就需要各路串聯開關器件的驅動電路具有很強的驅動能力，從而能夠控制每路串聯器件的快速導通和關斷。

本發明中的高壓固態開關採用小體積mosfet進行串聯，每個串聯的mosfet對應一個驅動變壓器和一個驅動電路。其中，驅動變壓器原邊繞組繞制採用串芯方式，即原邊單匝繞組穿過各驅動變壓器。同時每個驅動變壓器副邊包括兩個副邊繞組，分別用於對每路器件導通和關斷進行控制。驅動電路位於高壓側，其作用是在原邊給定閉合指令後，能夠快速為每路開關器件的柵極充電，從而保證高壓固態開關迅速導通；而當給定關斷指令後，驅動電路能夠迅速將柵極電荷洩放掉，從而保證高壓固態開關迅速關斷。控制指令周期性地給定導通、關斷信號，那麼高壓開關也會周期性地開關，從而可以為負載提供脈衝功率形式的功率。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。