一種超高速驅(qū)動模塊電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種超高速驅(qū)動模塊電路，屬于中大功率電力電子器件的高速驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的應用范圍不斷擴大和新型大功率高速開關(guān)器件(如碳化硅高速場效應管等)的問世，使主回路斬波頻率高達8?1MHz以上的新產(chǎn)品開發(fā)成為可能，然而，在目前的市場產(chǎn)品中，能與之相配套的超高速驅(qū)動模塊產(chǎn)品卻沒有跟上，因此，研發(fā)能符合要求的超高速驅(qū)動模塊成為必然。
[0003]然而，理論分析和開發(fā)經(jīng)驗均告訴我們，此類超高速驅(qū)動模塊的傳輸延遲時間及脈沖沿的上升下降時間均在1ns以內(nèi)而瞬時傳輸功率又在100W左右，因此無論是電路原理設(shè)計還是元件布局和走線工藝的設(shè)計，均需采用線性高頻功率電子電路的設(shè)計方法和制作工藝才行，否則，成功的可能性很??！縱觀本實用新型的研發(fā)過程亦證明了這個觀點的正確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是提供一種超高速驅(qū)動模塊電路。以用于解決:從電路原理上確立一種既能保證所研發(fā)的驅(qū)動模塊具有2000V以上隔離電壓同時又具有小于5nS的脈沖上升下降沿及大于1K歐姆輸入阻抗的輸入電路方式。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案是:一種超高速驅(qū)動模塊電路，由輸入隔離電路1、脈沖放大電路A、輸出電路O、負偏壓電路N和三路輸出直流電源電路S共五個單元電路組成；其中輸入隔離電路I的輸入端Vi與驅(qū)動脈沖源相連，輸入隔離電路I的輸出端與脈沖放大電路A的輸入端相連，脈沖放大電路A的輸出端與輸出電路O的輸入端相連，負偏壓電路N的負壓輸出端與輸出電路的鉗位端相連接；電源電路S的+Vaa電壓輸出端接輸出電路的上管V3的集電極，電源電路S的+Vcc電壓輸出端為輸入隔離電路I和脈沖放大電路A的供電電源，電容C4、電容C5對+Vcc進行退耦濾波，其中電容C4電解電容主要是濾波作用，電容C5瓷片電容主要是退耦作用，在高頻時保證輸入隔離電路1、脈沖放大電路A的能量供給，電源電路S的-Vee電壓輸出端為負偏壓電路N的供電電源。
[0006]所述輸入隔離電路I由集成芯片Si8610、電阻R10、電容C8、穩(wěn)壓二極管DW2共同組成；其中電阻RlO的上端接+VCC電源，電阻RlO的下端與電容C8、穩(wěn)壓二極管DW2并聯(lián)后的上端及集成芯片Si8610的副邊電源端相連，電容CS、穩(wěn)壓二極管DW2并聯(lián)后的下端接地；集成芯片SI8610的輸入端Vi與輸入驅(qū)動脈沖源相連，集成芯片Si8610的輸出端接三極管Vl的基極。
[0007]所述脈沖放大電路A由三極管V1、三極管V2、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容Cl、電容C2共同組成；其中電阻R1、電阻R2串聯(lián)后的下端接到三極管Vl的集電極而上端接+VCC電源，中間點接三極管V2的基極；電阻R3、電容C2并聯(lián)后的上端接到三極管Vl的發(fā)射極而下端接地；電容Cl、電阻R4并聯(lián)后的下端接到三極管V2的發(fā)射極而上端接+VCC電源；電阻R5的上端與三極管V2的集電極以及三極管V3、三極管V4的基極相連接而下端接地。
[0008]所述輸出電路O由三極管V3、三極管V4、三極管V5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電容C3、二極管Dl、二極管D2共同組成；其中三極管V3、三極管V4的發(fā)射級相連并與三極管V5的集電極相連接，該連接點即為整個模塊的輸出端；三極管V3的集電極接+Vaa電源；三極管V4的集電極接電阻R6的上端后再接電容C3、電阻R7并聯(lián)后的左端，電阻R6的下端接地，電容C3、電阻R7并聯(lián)后的右端接二極管D1、二極管D2的陽極，二極管Dl的陰極接三極管V5的集電極，二極管D2的陰極接三極管V5的基極，三極管V5的發(fā)射極與電阻R9的左端、電阻R8、電容C6、電容C7的下端以及三極管V6的發(fā)射極相連，電阻R8的上端與二極管D2的陰極和三極管V5的基極同時相連。
[0009]所述負偏壓電路N由穩(wěn)壓二極管DW1、三極管V6、電容C6、電容C7、電阻R9共同組成；其中電容C6、電容C7的上端及三極管V6的集電極和穩(wěn)壓二極管DWl的陰極同時接地，穩(wěn)壓二極管DWl陽極與三極管V6的基極相連，電阻R9的右端接-Vee電源。
[0010]本實用新型的工作原理是:
[0011]在隔離電路I的輸入端Vi端輸入一個1MHz以內(nèi)，低電平為0V，高電平為+5V的脈沖信號，經(jīng)電氣隔離能力4000V以上的超高速數(shù)字隔離器后，使輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離(包括地的隔離)，提高了整個電路的抗干擾能力，減小了噪聲對后級電路的干擾，保護了后級電路的安全，并可以有效提高整個電路的輸入阻抗、降低電路延時問題，在其輸出端輸出一個經(jīng)過隔離的1MHz以內(nèi)，低電平為0V，高電平為+5V的信號給脈沖放大電路A的Vl三極管的基極。三路輸出直流電源電路S輸出的+Vcc為超高速數(shù)字隔離器提供了一個穩(wěn)定的+5.1V直流電壓保證其正常工作，其中R10、C8、DW2 (5.1V穩(wěn)壓管1N4733)起穩(wěn)壓退耦濾波作用；V1三極管的基極為OV時，V1、V2、V3截止，下管V4推挽導通，接著使V5導通，由于負偏壓電路N的DWl (4.3V穩(wěn)壓管1N4731)、V6、C6、C7、R9和三路輸出直流電源電路S提供的穩(wěn)壓源-Vee電路在V6的發(fā)射極鉗了一個_5V的點位，V5的導通就使輸出端輸出-5V的低電平；V1三極管的基極為+5V時，V1、V2導通并線性放大信號，上管V3推挽導通，V4、V5截止，使輸出端輸出略低于+Vaa (大小根據(jù)驅(qū)動器件決定，最大為+24V，由三路輸出直流電源電路S提供的穩(wěn)壓源)的高電平。按這種原理工作，電路實現(xiàn)了將低電平為OV和高電平為+5V的脈沖信號轉(zhuǎn)換成了低電平為-5V和高電平為略低于+Vaa的脈沖信號，最關(guān)鍵的是實現(xiàn)了低延時，傳輸延遲時間在8~9ns內(nèi)、脈沖上升下降沿時間7 ~ 9ns內(nèi)，觸發(fā)功率達45~55W的效果。
[0012]其中，①采用隔離能力4000V以上的超高速數(shù)字隔離器作為輸入電路，以有效解決信號輸入的高阻、高速、低延遲問題以及驅(qū)動信號輸入端與被驅(qū)動功率主開關(guān)器件的高電壓隔離問題采用可調(diào)阻尼特性的兩級共射直接耦合線性放大電路作為脈沖電壓放大，以大幅減小主放大級的傳輸延遲時間，同時有效解決PCB板的分布電感和分布電容形成的高幅值衰減振蕩問題輸出采用不對稱圖騰柱結(jié)構(gòu)，其中上管采用射極跟隨方式以確保輸出阻抗低于10歐姆和開關(guān)速度小于5nS，而下管采用帶加速電容及抗飽和功能的PNP復合管，以確保下管不會進入深度飽和并有小于SnS的關(guān)斷速度；④采用負偏壓電路以提升被驅(qū)動主功率開關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)時的抗干擾能力。
[0013]具體設(shè)計步驟如下:
[0014]St印1、按頻率0.4?0.6GHz、瞬時功率45~55W的高頻線性功率電路設(shè)計方法進行超尚速驅(qū)動t旲塊印制電路板的布局和走線；印制電路板按尚速?目號完整性和電源完整性的布局和布線方法布局和走線，有效解決了印制電路板上的分布電感和分布電容值，同時也就減小了它們形成的傳輸延時、高幅值衰減振蕩和高頻輻射干擾問題；
[0015]St印2、確保脈沖放大電路A中，各能流支路的阻尼系數(shù)為I?1.2之間。
[0016]所述阻尼系數(shù)的確定為:留出電阻R3、電阻R4的位置，將印制電路板其他全部元件安裝完成后，在電阻R3和電阻R4位置分別焊入微調(diào)電阻，同時在集成芯片Si8610的輸入端接入頻率2MHz占空比為0.5的輸入脈沖，超高速驅(qū)動模塊的輸出端接6000PF電容；然后用示波器觀察三極管Vl的集電極波形，若波形的上升下降沿緩慢OlOns)則將電阻R3位置的微調(diào)電阻的阻值調(diào)小，反之若波形的上升下降沿出現(xiàn)過沖且在波形平臺期出現(xiàn)衰減振蕩，則將電阻R3位置的微調(diào)電阻的阻值調(diào)大，調(diào)至波形的上升下降沿最佳，即上升下降沿時間<10ns且無過沖且波形平臺期無衰減振蕩時，焊下微調(diào)電阻并測其阻值，該阻值即為對應于該印制電路板結(jié)構(gòu)的電阻R3的最佳阻值；接著將示波器探頭改接到三極管V2的集電極，用同樣方法確定電阻R4的最佳阻值；待電阻R3、電阻R4的阻值確定后，相同印制電路板上的電阻R3、電阻R4阻值均不變，只有在采用了不同的排版方式或選用了不同材質(zhì)和厚度的印制電路板后，才需按上述方法重調(diào)電阻R3、電阻R4的阻值。
[0017]本實用新型所述構(gòu)成元件均為市售元件。
[0018]本實用新型的有益效果是:采用所設(shè)計制作完成的驅(qū)動模塊，在負載電容為6000PF時，最高脈沖頻率達10MHz，傳輸延遲時間8~9ns、脈沖上升下降沿時間7~9ns，輸出波形的最高電壓為24V，能很好滿足100A以下的各類功率場效應管的高速驅(qū)動要求。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的原理框圖；
[0020]圖2為本實用新型的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1:如圖1-2所示，一種超高速驅(qū)動模塊電路，由輸入隔離電路1、脈沖放大電路A、輸出電路0、負偏壓電路N和三路輸出直流電源電路S共五個單元電路組成；其中輸入隔離電路I的輸入端Vi與驅(qū)動脈沖源相連，輸入隔離電路I的輸出端與脈沖放大電路A的輸入端相連，脈沖放大電路A的輸出端與輸出電路O的輸入端相連，負偏壓電路N的負壓輸出端與輸出電路的鉗位端相連接；電源電路S的+Vaa電壓輸出端接輸出電路的上管V3的集電極，電源電路S的+Vcc電壓輸出端為輸入隔離電路I和脈沖放大電路A的供電電源，電源電路S的-Vee電壓輸出端為負偏壓電路N的供電電源。
[0022]所述輸入隔離電路I由集成芯片Si8610、電阻R10、電容C8、穩(wěn)壓二極管DW2共同組成；其中電阻RlO的上端接+VCC電源，電阻RlO的下端與電容C8、穩(wěn)壓二極管DW2并聯(lián)后的上端及集成芯片Si8610的副邊電源端相連，電容CS、穩(wěn)壓二極管DW2并聯(lián)后的下端接地；集成芯片SI8610的輸入端Vi與輸入驅(qū)動脈沖源相連，集成芯片Si8610的輸出端接三極管Vl的基極。
[0023]所述脈沖放大電路A由三極管V1、三極管V2、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容Cl、電容C2共同組成；其中電阻R1、電阻R2串聯(lián)后的下端接到三極管Vl的集電極而上端接+VCC電源，中間點接三極管V2的基極；電阻R3、電容C2并聯(lián)后的上端接到三極管Vl的發(fā)射極而下端接地；電容Cl、電阻R4并聯(lián)后的下端接到三極管V2的發(fā)射極而上端接+VCC電源；電阻R5的上端與三極管V2的集電極以及三極管V3、三極管V4的基極相連接而下端接地。
[0024]所述輸出電路O由三極管V3、三極管V4、三極管V5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電容C3、二極管Dl、二極管D2共同組成；其中三極管V3、三極管V4的發(fā)射級相連并與三極管V5的集電極相連接，該連接點即為整個模塊的輸出端；三極管V3的集電極接+Vaa電源；三極管V4的集電極接電阻R6的上端后再接電容C3、電阻R7并聯(lián)