本發(fā)明屬于半導體開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路。

背景技術(shù)：

20世紀80年代，前蘇聯(lián)院士i.v.grekhov發(fā)明的反向開關(guān)晶體管(reverselyswitcheddynistor,rsd)可以實現(xiàn)高di/dt大電流微秒開通?；趓sd的重復頻率脈沖功率電源在環(huán)境保護、食品保鮮、軍事、工業(yè)加工等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。rsd器件是一種由數(shù)萬個晶閘管與晶體管元胞相間并聯(lián)排列的器件，沒有普通晶閘管的控制極，采用可控等離子體層觸發(fā)方式，反向注入觸發(fā)電流，在整個芯片面積上實現(xiàn)了同步均勻?qū)?，從器件原理上消除了普通晶閘管器件存在的開通局部化現(xiàn)象，可以實現(xiàn)高di/dt微秒開通，同時在短時間內(nèi)通過很大的電流。

基于rsd的高功率脈沖放電系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，分為充電電路、主電路(主回路)、rsd觸發(fā)電路及控制電路等四部分。充電電路、主電路(主回路)和rsd觸發(fā)電路依次串聯(lián)連接。

主電路的主要功能是向負載釋放脈沖大電流，是系統(tǒng)的核心，其主要元器件包括放電電容、磁開關(guān)(可飽和電感)、半導體功率開關(guān)-rsd及負載。

充電電路的主要功能是將主電路的放電電容和rsd觸發(fā)電路中的觸發(fā)電容充電至工作電壓，充電電路的兩個輸出端連接在主電路的放電電容的正極和負極。可采用的主流充電方案有恒壓直流充電、lc諧振充電、lrc諧振充電、串聯(lián)諧振恒流充電等方式，也可采用其他方式充電。

導通控制電路的主要功能是輸出控制信號，實現(xiàn)充電電路及rsd觸發(fā)電路中的半導體開關(guān)的導通及關(guān)斷，并接受后兩個電路反饋的電壓、電流信號，用以調(diào)整控制信號的參數(shù)，從而實現(xiàn)重復頻率放電。導通控制電路和rsd觸發(fā)電路分別并聯(lián)連接。

rsd觸發(fā)電路的主要功能是實現(xiàn)開通rsd的功能，也是本發(fā)明要闡述的內(nèi)容。

rsd開關(guān)的典型觸發(fā)(預充)電路有直接預充、諧振預充、變壓器升壓預充等三種。單個rsd器件的預充方式有直接預充、諧振預充兩種，采用直接預充開通方式開通效率高，損耗小，充電電路結(jié)構(gòu)較復雜，多應用于單次脈沖放電。諧振預充的能量損耗較大，但較直接預充更易于實現(xiàn)控制，更適用于重復頻率脈沖放電。多只rsd器件串并聯(lián)組成的rsd開關(guān)的預充可以采用直接預充、諧振預充和變壓器升壓預充等方式。根據(jù)不同實際應用的需要，采用不同的rsd預充電路。

發(fā)明專利《一種反向開關(guān)晶體管的觸發(fā)電路》(專利號為cn201310109983.8)采用h橋式觸發(fā)電路用于低壓大電流rsd器件的觸發(fā)，預充電容的充電和放電分別由h橋的兩組對角線晶閘管開關(guān)或絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)開關(guān)控制，與傳統(tǒng)預充電路相比，該電路結(jié)合了直接觸發(fā)和諧振觸發(fā)電路的優(yōu)點，提高了rsd的預充效率。但是，與傳統(tǒng)預充電路相比，該電路增加了三個半導體預充開關(guān)，預充電路的控制系統(tǒng)更復雜，顯著增加了預充開關(guān)的成本，而且只適用于低壓rsd開關(guān)的觸發(fā)，降低了改進型電路的實用性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在的上述問題，提供一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是簡化結(jié)構(gòu)、提高rsd的預充效率。

本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，其特征在于，所述觸發(fā)電路包括充電電路、放電主電路和rsd觸發(fā)電路；所述充電電路與放電主電路并聯(lián)，所述放電主電路與所述rsd觸發(fā)電路并聯(lián)，所述充電電路包括充電電源。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述放電主電路包括第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負載z0；所述第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負載z0依次串聯(lián)；所述充電電源的輸出正極連接第一放電電容c0的正極，充電電源的輸出負極連接第一放電電容c0的負極。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述rsd觸發(fā)電路包括第一深能級晶體管(deepleveldynistor，dld)的開關(guān)k21、第二深能級晶體管的開關(guān)k22、第二磁開關(guān)l21、第三磁開關(guān)l22、第二放電電容cc和脈沖電源；所述第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級晶體管的開關(guān)k21串聯(lián)，第二磁開關(guān)l21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的連接公共點與第二放電電容cc的正極連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級晶體管的開關(guān)k21的連接公共點與第二放電電容cc的負極連接，第一深能級晶體管的開關(guān)k21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的導通電路—脈沖電源的輸出正極連接第一深能級晶體管的開關(guān)k21的正極和第二磁開關(guān)l21的另一端，第一深能級晶體管的開關(guān)k21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的導通電路—脈沖電源的輸出負極連接第二深能級晶體管的開關(guān)k22的負極和第三磁開關(guān)l22的另一端。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述rsd觸發(fā)電路的輸出正極連接放電主電路的正極，rsd觸發(fā)電路的輸出負極連接放電主電路的負極；其中，所述連接放電主電路的正極和負極是指連接放電主電路中的rsd開關(guān)的正極和負極。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22包括導線和磁性材料，所述第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22均由所述導線在所述磁性材料的磁芯上纏繞若干圈組成。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述磁性材料為鐵氧體或環(huán)形微晶鐵氧體薄膜。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述脈沖電源的開關(guān)為半導體功率開關(guān)，

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述脈沖電源的開關(guān)為晶閘管或igbt。

本發(fā)明基于脈沖電壓導通原理的反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，具有以下有益效果：本發(fā)明針對現(xiàn)有rsd觸發(fā)電路的不足，提出基于磁開關(guān)和dld的h橋觸發(fā)電路，同時具有直接預充和諧振預充的優(yōu)勢，并避免了這兩種觸發(fā)電路的缺點，減少了放電延時元件-磁開關(guān)l的磁芯體積和成本，降低了l的損耗及飽和電感，有利于提高電路的di/dt，同時。本發(fā)明同時適用于kv電壓量級及10kv電壓量級的rsd觸發(fā)電路。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于rsd的高功率脈沖放電系統(tǒng)的總體框圖；

圖2為本發(fā)明基于rsd的觸發(fā)電路的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明中第一深能級晶體管的開關(guān)k21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的觸發(fā)導通示意圖；

圖4為本發(fā)明中rsd的觸發(fā)導通示意圖；

圖5為本發(fā)明中第一放電電容c0正向放電示意圖；

圖6為本發(fā)明中基于rsd和磁開關(guān)的rsd觸發(fā)電路具體應用示意圖；

圖7為本發(fā)明中雙晶閘管同步驅(qū)動電路應用示意圖；

圖8為本發(fā)明中晶閘管的觸發(fā)電流波形示意圖。

具體實施方式

以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。

參見圖2至圖8，本發(fā)明為反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，觸發(fā)電路包括充電電路、放電主電路和rsd觸發(fā)電路；充電電路與放電主電路并聯(lián)，放電主電路與rsd觸發(fā)電路并聯(lián)，充電電路包括充電電源。

放電主電路包括第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負載z0；第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負載z0依次串聯(lián)；充電電源的輸出正極連接第一放電電容c0的正極，充電電源的輸出負極連接第一放電電容c0的負極。

rsd觸發(fā)電路包括第一深能級晶體管的開關(guān)k21、第二深能級晶體管的開關(guān)k22、第二磁開關(guān)l21、第三磁開關(guān)l22、第二放電電容cc和脈沖電源；第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級晶體管的開關(guān)k21串聯(lián)，第二磁開關(guān)l21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的連接公共點與第二放電電容cc的正極連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級晶體管的開關(guān)k21的連接公共點與第二放電電容cc的負極連接，第一深能級晶體管的開關(guān)k21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的導通電路—脈沖電源的輸出正極連接第一深能級晶體管的開關(guān)k21的正極和第二磁開關(guān)l21的另一端，第一深能級晶體管的開關(guān)k21和第二深能級晶體管的開關(guān)k22的導通電路—脈沖電源的輸出負極連接第二深能級晶體管的開關(guān)k22的負極和第三磁開關(guān)l22的另一端。

rsd觸發(fā)電路的輸出正極連接放電主電路的正極，rsd觸發(fā)電路的輸出負極連接放電主電路的負極。

連接放電主電路的正極和負極是指連接放電主電路中的rsd開關(guān)的正極和負極。

第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22分別由導線在鐵氧體或環(huán)形微晶鐵氧體薄膜或其他磁性材料的磁芯上纏繞若干圈組成。

脈沖電源的開關(guān)可以采用晶閘管、igbt或其他半導體功率開關(guān)。

deep-leveldynistors(dld。沒有標準的中文名稱，按照英文直接翻譯為深能級晶體管)是一種兩端器件，基本結(jié)構(gòu)是(正極)p+-n-p-n+(負極)。當在正極施加一個沖擊電壓(>1kv/ns)時，dld延遲1-2ns正向?qū)?。本發(fā)明的基本方案為基于dld和磁開關(guān)的h橋觸發(fā)電路，其原理敘述如下。

a、基于dld和磁開關(guān)的h橋觸發(fā)電路

原理圖如圖2所示。k21、k22為dld開關(guān)；電路的工作電壓為v0，充電電路將c0和cc充電至工作電壓v0；l21和l22采用環(huán)形微晶鐵氧體薄膜卷繞組成的磁芯，在磁芯上纏繞若干圈線圈，以確保足夠長的延遲時間；充電過程中，l21、l22的飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)對充電過程基本沒有影響，對兩個電容的最終充電電壓沒有影響。

充電電源的輸出正極連接放電主電路的放電電容的正極，充電電源的輸出負極連接放電電容的負極。

放電主電路：放電電容c0(存儲電能，向負載z0放電)和l(延遲導通，確保rsd正常導通)、rsd開關(guān)、負載z0依次串聯(lián)。

rsd觸發(fā)電路的輸出正極連接rsd開關(guān)的正極，輸出負極連接高階rsd開關(guān)的負極。rsd觸發(fā)電路中，l21和k22串聯(lián)，l22和k21串聯(lián)，l21和k22的連接公共點與cc的正極連接，l22和k21的連接公共點與cc的負極連接，k21、k22的導通電路—脈沖電源的輸出正極連接k21的正極及l(fā)21的另一端，k21、k22的導通電路—脈沖電源的輸出負極連接k22的負極及及l(fā)22的另一端。

b、電路的工作過程分為三個階段：

1、k21、k22的觸發(fā)導通：脈沖電源輸出一個沖擊電壓(>1kv/ns)，施加在k21、k22上，兩個開關(guān)延遲1-2ns正向?qū)?，并形成脈沖電流i1；磁開關(guān)l21和l22始終為非飽和狀態(tài)。

2、rsd的觸發(fā)導通：當脈沖電源輸出的電壓小于cc的電壓時，c0和cc開始放電。c0放電時，由于磁開關(guān)l未飽和，l的阻抗很大，因此c0的放電電流很?。籧c的放電路徑為cc-k22-rsd-k21-cc，電流走向如圖4所示；cc的電壓施加在rsd上，形成rsd的反向預充電流i2，磁開關(guān)l21和l22始終為非飽和狀態(tài)。

3、c0正向放電：l飽和后，c0通過rsd放電，在負載z0上形成所需的脈沖電流，電流走向如圖5所示。當l21和l22飽和后，cc的放電路徑為cc-k21-l21-cc，以及cc-k22-l22-cc。rsd流過的電流只有c0的正向脈沖電流i3。

c、基于dld和磁開關(guān)的觸發(fā)電路的實例電路

實例電路圖如圖6所示，對脈沖電源的基本要求是輸出高dv/dt的脈沖電壓，脈沖電壓的一般是c0電壓的1.5-2倍，具體數(shù)值根據(jù)實際應用而確定。

脈沖電源的電路拓撲可以是任何滿足電路要求的各種類型重復頻率脈沖電源，脈沖電源的開關(guān)可以采用晶閘管、igbt或其他半導體功率開關(guān)。本發(fā)明采用基于晶閘管的脈沖電源。本脈沖電源分為充電電路和放電電路兩部分。充電電源如前所述。脈沖電源包括放電電容cs、磁開關(guān)ls、升壓變壓器t、二極管類兩端器件dos(diodeopeningswitches二極管斷路開關(guān))、半導體功率開關(guān)ks。ks也可以是igbt、mosfet或其他三端半導體功率器件。脈沖電源的工作過程簡述如下：驅(qū)動電路導通ks，ls延時飽和后，cs通過ls、ks及變壓器t放電，t高壓側(cè)通過dos向cs1充電，t飽和后，cs1放電，dos承受反向電壓關(guān)斷，其關(guān)斷時間為ns量級，cs1的電壓快速施加在k21、k22上，形成沖擊電壓，導通k21、k22。

l21、l22由導線在鐵氧體或環(huán)形微晶鐵氧體薄膜或其他磁性材料的磁芯上纏繞若干圈組成。

d、半導體開關(guān)ks的驅(qū)動電路

雙晶閘管同步驅(qū)動電路用于驅(qū)動開關(guān)ks，使整個電路系統(tǒng)開始工作，電路圖如圖7所示，可同步開通兩個晶閘管，也可只驅(qū)動一個晶閘管。單片機的脈沖信號驅(qū)動電流較小(ma量級)，不能直接驅(qū)動igbt，需要使用專用驅(qū)動芯片驅(qū)動igbt。tlp521為光偶器件，用于傳輸開關(guān)信號，隔離驅(qū)動電路與低壓控制電路；ir2110為igbt驅(qū)動芯片，其最大耐壓為500v，通流能力為2a，輸出驅(qū)動電壓為10～20v，開通時間、關(guān)斷時間和延時時間分別為120ns，94ns，10ns。在同一個環(huán)形鐵氧體磁芯上繞制一個原邊、兩個副邊線圈組成觸發(fā)變壓器t2(和升壓變壓器t是兩個不同類型及作用的變壓器)，可實現(xiàn)串聯(lián)晶閘管的同步導通。ir2110輸出的高電平輸入到igbt柵極，igbt導通，直流電源在脈沖變壓線圈原邊產(chǎn)生一個快速上升的電流脈沖，此電流脈沖在t2的副邊產(chǎn)生兩個快速上升的高幅值門極驅(qū)動電流，強觸發(fā)晶閘管，增強晶閘管的高di/dt電流通流能力。由于igbt關(guān)斷速度很快，所以在igbt關(guān)斷時，由于關(guān)斷電流的di/dt作用，而使t2原邊電感在igbt兩端的產(chǎn)生很大的電壓，從而擊穿igbt。因此igbt觸發(fā)電路中加入了由電容、電阻和二極管dos組成的緩沖電路，并且在igbt發(fā)射極和集電極上并聯(lián)了一個穩(wěn)壓二極管。igbt關(guān)斷時，t2原邊電流在電感的作用下逐漸減小，igbt集電極的電位升高，二極管dos導通，t2原邊線圈電感存儲的能量通過緩沖回路釋放，使igbt的集電結(jié)電位不會上升到擊穿電壓，從而實現(xiàn)igbt的關(guān)斷保護。

兩支晶閘管的同步觸發(fā)電路的觸發(fā)電流實驗結(jié)果如圖8所示，t＝2μs時，1#晶閘管和2#晶閘管的門極驅(qū)動電流分別為6.7a、5.9a，串聯(lián)晶閘管的同步觸發(fā)性較好，基本滿足要求。

上述部分專業(yè)代名詞做如下解釋：

1、igbt開關(guān)含義中文名；

絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，也是一種三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。

2、dld-兩端器件中文名稱；

deep-leveldynistors(dld。沒有標準的中文名稱，按照英文直接翻譯為深能級晶體管)

3、di/dt-中文含義；電流上升率

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。