本發(fā)明屬于高壓開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓固態(tài)開關(guān)。

背景技術(shù)：

高壓固態(tài)開關(guān)，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如：電力系統(tǒng)斷路器、高壓醫(yī)療電源、雷達(dá)發(fā)射器、污水處理等脈沖功率。目前一些應(yīng)用場(chǎng)合，需要高壓固態(tài)開關(guān)具有快速，損耗低等特點(diǎn)，并需要控制、調(diào)節(jié)高壓電源和高壓負(fù)載之間導(dǎo)通、關(guān)斷的開關(guān)頻率和時(shí)間。傳統(tǒng)的高壓固態(tài)開關(guān)由于復(fù)雜的保護(hù)電路、較差的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較低的導(dǎo)通損耗等問(wèn)題，導(dǎo)致輸出電壓壓降大、帶載能力低、故障響應(yīng)速度慢，從而制約了的高壓脈沖電源的整體輸出性能。

目前高壓固態(tài)開關(guān)方案還是沿用早期方案，一種是采用單體高耐壓等級(jí)的功率器件，實(shí)現(xiàn)控制主功率導(dǎo)通和關(guān)斷的目標(biāo)，但由于受到耐壓等級(jí)的限制，因此在可靠性和靈活性上存在缺陷，另外單體器件的體積較大。另一種采用多個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)，但開關(guān)速度慢、保護(hù)電路考慮不全面，而且導(dǎo)通損耗較大，因此對(duì)一些可靠性、體積和損耗有很嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，采用這兩種方案的高壓固態(tài)開關(guān)應(yīng)用受到限制。同時(shí)傳統(tǒng)的高壓開關(guān)也不具備較寬范圍頻率調(diào)節(jié)的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明采用小體積、低導(dǎo)通損耗的mosfet或sic-mosfet器件進(jìn)行串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓電源對(duì)負(fù)載導(dǎo)通、關(guān)斷的快速、可靠控制；另外高壓側(cè)增加了保護(hù)、箝位電路用于防止各串聯(lián)器件出現(xiàn)過(guò)壓。本發(fā)明提出的高壓、寬調(diào)節(jié)頻率的固態(tài)開關(guān)方案，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、模塊化、體積小、速度響應(yīng)快、可靠性高及導(dǎo)通損耗低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明具體通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明中采用低導(dǎo)通損耗的mosfet或sic-mosfet進(jìn)行串聯(lián)，每個(gè)串聯(lián)器件采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)變壓器和驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的電氣隔離。本發(fā)明中采用單匝導(dǎo)線穿過(guò)各驅(qū)動(dòng)變壓器，其中串芯導(dǎo)線作為所有驅(qū)動(dòng)變壓器的原邊繞組。當(dāng)原邊繞組給定控制信號(hào)后，通過(guò)電磁感應(yīng)將控制信號(hào)傳遞到副邊的各路驅(qū)動(dòng)電路中，由于原邊繞組屬于串聯(lián)連接，因此給定到副邊各驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)同步，保證了所有串聯(lián)開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷同步。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)每個(gè)開關(guān)器件的可靠開通、關(guān)斷，本發(fā)明設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，用于防止器件承受電壓超過(guò)自身承受電壓。

本發(fā)明中副邊串聯(lián)的開關(guān)器件各包括一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)副邊繞組為正向脈沖時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路可在對(duì)應(yīng)開關(guān)器件上產(chǎn)生高電平，保證串聯(lián)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)副邊繞組為負(fù)向脈沖時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)在對(duì)應(yīng)開關(guān)器件產(chǎn)生低電平，保證其處于關(guān)斷狀態(tài)。

本發(fā)明由于采用串芯繞線方式作為所有的隔離變壓器的原邊，因此具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，從而保證高壓開關(guān)具有快速的開關(guān)響應(yīng)，同時(shí)采用低導(dǎo)通損耗的sic-mosfet，導(dǎo)通情況下具有低導(dǎo)通損耗。另外，本發(fā)明提出的高壓固態(tài)開關(guān)方案可實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)開關(guān)頻率和時(shí)間的能力，因此該方案非常適用于高壓電源為負(fù)載提供脈沖功率場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的高壓固態(tài)開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是三個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)弱電側(cè)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)的電路；

圖3是弱電側(cè)調(diào)理電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖4是高壓側(cè)采用三極管驅(qū)動(dòng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖5是高壓側(cè)串聯(lián)器件均壓保護(hù)電路；

圖6是采用高壓固態(tài)開關(guān)為脈沖負(fù)載供電圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提出的快速、寬調(diào)節(jié)頻率的高壓固態(tài)開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如附圖1所示，高壓固態(tài)開關(guān)介于高壓電源與負(fù)載之間，其中高壓固態(tài)開關(guān)高壓側(cè)由多個(gè)串聯(lián)的開關(guān)器件(s1,s2,…,sn)組成，例如采用額定電壓為1200v的sic-mosfet器件，當(dāng)三個(gè)串聯(lián)時(shí)可以承受3600v的電壓，同時(shí)依據(jù)實(shí)際要求還可串聯(lián)多個(gè)器件來(lái)承受更高的電壓。而為了降低導(dǎo)通時(shí)的通態(tài)損耗，還可進(jìn)行開關(guān)器件的并聯(lián)。

在電路中，每個(gè)開關(guān)器件對(duì)應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路(vd1,vd2,…,vdn)和一個(gè)均壓保護(hù)電路(vl1,vl2,…,vln)，sic-mosfet具有通態(tài)損耗低，寄生電容小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快及耐高溫性能好，因此本發(fā)明采用了sic-mosfet(應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施采用sic-mosfet僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，本發(fā)明同時(shí)適用于mosfet及igbt)。本發(fā)明中，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)，其中所有驅(qū)動(dòng)繞組采用單匝導(dǎo)線進(jìn)行串芯連接，此單匝導(dǎo)線作為原邊繞組。每路驅(qū)動(dòng)電路是浮地狀態(tài)，彼此電氣隔離。原邊控制信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞到副邊，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有串聯(lián)器件同步導(dǎo)通、關(guān)斷控制的目標(biāo)。

附圖2所示為三個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)弱電側(cè)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)的電路，包括原邊邏輯調(diào)理電路，各路驅(qū)動(dòng)變壓器，變壓器副邊驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)采用高頻變壓器，為了將低頻控制信號(hào)傳遞到高壓側(cè)，先將控制指令經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)。

實(shí)例：可規(guī)定控制信號(hào)高電平代表閉合指令，低電平代表關(guān)斷指令。當(dāng)給定閉合高電平指令后，如附圖3所示，高頻載波與控制信號(hào)經(jīng)過(guò)與門1后，在開關(guān)器件5上建立與載波信號(hào)一致的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；相應(yīng)地，經(jīng)過(guò)非門2和與門3，開關(guān)器件4上驅(qū)動(dòng)信號(hào)為恒低電平。經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器6后，在開關(guān)管7和11的柵極產(chǎn)生與載波信號(hào)一致的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證7和11按照此驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)通、關(guān)斷，而開關(guān)管9和10的柵極為低電平，所以一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此過(guò)程在驅(qū)動(dòng)變壓器a、b兩端就建立了與載波一致的正向脈沖電壓和電流。同理，當(dāng)給定關(guān)斷指令低電平后，高頻載波與控制信號(hào)經(jīng)過(guò)與門1后，在開關(guān)器件5上建立低電平；相應(yīng)地，經(jīng)過(guò)非門2和與門3，開關(guān)器件4上建立與載波信號(hào)一致的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器6后，在開關(guān)管9和10的柵極產(chǎn)生與載波信號(hào)一致的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證9和10周期性導(dǎo)通、關(guān)斷，而開關(guān)管7和11的柵極為低電平、處于關(guān)斷狀態(tài)，此過(guò)程在驅(qū)動(dòng)變壓器a、b兩端建立了與載波一致的負(fù)向脈沖電壓和電流。上述正、負(fù)兩種脈沖信號(hào)分別代表了控制固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的指令，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器8傳遞到變壓器副邊的高壓側(cè)。

通過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器將代表導(dǎo)通或關(guān)斷的正向或負(fù)向脈沖信號(hào)傳遞到高壓側(cè)，再經(jīng)高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)回與低頻控制指令一致的信號(hào)。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路如附圖4所示。當(dāng)代表閉合指令的正向脈沖功率信號(hào)傳遞到各驅(qū)動(dòng)變壓器的副邊時(shí)，pnp三極管19導(dǎo)通，在保證三級(jí)管19工作在飽和區(qū)情況下，c點(diǎn)和d點(diǎn)的電壓相等，而c點(diǎn)的電壓與e點(diǎn)電壓相差0.7v的管壓降。忽略此壓降，d點(diǎn)的電壓約等于穩(wěn)壓管20的電壓，保證串聯(lián)sic-mosfet23導(dǎo)通，(例如：當(dāng)驅(qū)動(dòng)變壓器12的副邊電壓為15v到0v的正向脈沖電壓，穩(wěn)壓管20為13v穩(wěn)壓管，此時(shí)sic-mosfet23的柵極電壓約為13v)，以此類推，其他串聯(lián)主功率管也同時(shí)導(dǎo)通，整個(gè)固態(tài)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

同理，當(dāng)代表關(guān)斷指令的負(fù)向脈沖功率信號(hào)傳遞到各驅(qū)動(dòng)變壓器的副邊時(shí)，npn三極管17導(dǎo)通，在三極管17工作在飽和區(qū)情況下，f點(diǎn)和d點(diǎn)的電壓相等，而g點(diǎn)電壓與f點(diǎn)電壓相差0.7v的管壓降。忽略此壓降時(shí)，d點(diǎn)的電壓約等于g點(diǎn)電壓。合適的電阻21選擇，將保證電阻21上產(chǎn)生較小的壓降，從而23的柵極電壓等于負(fù)的穩(wěn)壓管18的電壓值。保證串聯(lián)sic-mosfet23關(guān)斷，(例如：當(dāng)驅(qū)動(dòng)變壓器12的副邊電壓為-15v到0v的負(fù)向脈沖電壓，穩(wěn)壓管20為5v穩(wěn)壓管，此時(shí)sic-mosfet23的柵極電壓也約為-5v)，以此類推，其他串聯(lián)主功率管也同時(shí)關(guān)斷，整個(gè)固態(tài)開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。

本發(fā)明中，高壓開關(guān)由多個(gè)sic-mosfet串聯(lián)，因此當(dāng)導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)下，可能會(huì)由于器件參數(shù)差異，導(dǎo)致某一路器件出現(xiàn)過(guò)壓，如果不添加控制，可能會(huì)出現(xiàn)整個(gè)高壓固態(tài)開關(guān)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此針對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況，可適當(dāng)添加均壓保護(hù)電路。本發(fā)明中給出兩種保護(hù)方案實(shí)例如附圖5所示，第一種為ra1和rb1電路，用于保證在關(guān)斷時(shí)，各串聯(lián)器件所承受電壓一致。在瞬態(tài)開關(guān)過(guò)程中，當(dāng)某一路器件承受電壓過(guò)高時(shí)，由第二種緩沖電路r’a1和ca1來(lái)吸收電壓尖峰。通過(guò)上述保護(hù)方案，可有效保護(hù)高壓固態(tài)開關(guān)的可靠運(yùn)行，當(dāng)然實(shí)際選用的保護(hù)方案依據(jù)實(shí)際情況而確定、組合。

當(dāng)高壓固態(tài)開關(guān)用于脈沖功率場(chǎng)合時(shí)，采用方案如附圖6所示，其中兩個(gè)高壓固態(tài)開關(guān)的時(shí)序?yàn)榛パa(bǔ)導(dǎo)通，(當(dāng)給脈沖負(fù)載供電時(shí)，高壓開關(guān)s1導(dǎo)通s2關(guān)斷，當(dāng)關(guān)斷時(shí)，s1關(guān)斷s2導(dǎo)通)。而添加s2的一個(gè)好處是為負(fù)載提供電流續(xù)流通路，維持高壓脈沖功率上升和下降沿的快速性。

綜上所述，本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)由邏輯調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)變壓器，驅(qū)動(dòng)電路及均壓保護(hù)電路組成。邏輯調(diào)理電路位于弱電側(cè)，用于將開關(guān)控制指令轉(zhuǎn)變成可傳遞到變壓器副邊的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)變壓器原邊繞組繞制采用串芯方式，即原邊單匝繞組穿過(guò)各驅(qū)動(dòng)變壓器，各驅(qū)動(dòng)變壓器副邊繞組再連接著對(duì)應(yīng)串聯(lián)功率器件的驅(qū)動(dòng)電路輸入兩端。驅(qū)動(dòng)電路位于高壓側(cè)，其作用是將傳遞到副邊的脈沖信號(hào)再轉(zhuǎn)回為與原邊側(cè)控制指令一致的信號(hào)，進(jìn)而完成對(duì)高壓固態(tài)開關(guān)裝置的控制。均壓保護(hù)電路同樣位于高壓側(cè)，用于保護(hù)串聯(lián)器件，防止導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)下出現(xiàn)過(guò)壓。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要包括：開關(guān)動(dòng)作快速、通態(tài)損耗低、體積小、重量輕、模塊可擴(kuò)容。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。