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

背景技術(shù)：

高壓固態(tài)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率和時(shí)間。傳統(tǒng)的高壓固態(tài)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)器件串聯(lián)，但開(kāi)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?chē)?yán)格要求的領(lǐng)域，采用這兩種方案的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)應(yīng)用受到限制。同時(shí)傳統(tǒng)的高壓開(kāi)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sic-mosfet器件進(jìn)行串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)的主通、斷路徑，同時(shí)設(shè)計(jì)的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路能夠快速根據(jù)控制指令，完成對(duì)各路串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件的控制，另外增加了保護(hù)電路。本發(fā)明提出的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)方案，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、模塊化、體積小、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)明采用低導(dǎo)通損耗的sic型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)電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。本發(fā)明中各路串聯(lián)器件采用一個(gè)共同驅(qū)動(dòng)磁環(huán)，原邊一路繞組、副邊多路繞組，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，以實(shí)現(xiàn)所有串聯(lián)器件的同步導(dǎo)通和關(guān)斷。為保證每個(gè)串聯(lián)器件的可靠開(kāi)關(guān)，本發(fā)明又設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，用于防止串聯(lián)器件承受電壓超過(guò)自身額定電壓。

本發(fā)明中副邊串聯(lián)的開(kāi)關(guān)器件包括一個(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)器件上產(chǎn)生正向電壓，保證其處于導(dǎo)通；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)器件上產(chǎn)生負(fù)向電壓，使得其保持關(guān)斷狀態(tài)。

本發(fā)明提出的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)，采用半導(dǎo)體器件串聯(lián)，通過(guò)磁隔離及高頻載波方式，實(shí)現(xiàn)低壓控制指令對(duì)高壓電源導(dǎo)通、關(guān)斷控制。本發(fā)明的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)由弱電側(cè)邏輯調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，強(qiáng)電側(cè)驅(qū)動(dòng)電路和均壓保護(hù)電路組成。邏輯調(diào)理電路位于弱電側(cè)，用于將開(kāi)關(guān)控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛閷?dǎo)通、關(guān)斷的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中，代表導(dǎo)通指令的高電平在隔離變壓器原邊轉(zhuǎn)換正向脈沖信號(hào)；代表關(guān)斷指令的低電平在變壓器原邊轉(zhuǎn)換為負(fù)向脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路位于高壓側(cè)，用于將變壓器原邊的脈沖控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂浦鞴β实拈_(kāi)關(guān)信號(hào)，其中正向脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為正電壓用于導(dǎo)通各路串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件，負(fù)向脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓或零電壓用于使開(kāi)關(guān)器件保持關(guān)斷狀態(tài)。均壓保護(hù)電路也位于高壓側(cè)，用于保護(hù)串聯(lián)器件。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的快速、耐高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是3個(gè)mosfet串聯(lián)的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)電路圖；

圖3是高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖4是保護(hù)電路電壓箝位示意圖；

圖5是采用高壓固態(tài)開(kāi)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、耐高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如附圖1所示，高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)介于高壓電源與負(fù)載之間，其中高壓開(kāi)關(guān)的高壓側(cè)由多個(gè)串聯(lián)的開(kāi)關(guān)器件組成，例如采用額定電壓為1200v的器件，當(dāng)三個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(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)滿(mǎn)足更高電壓的工況。為了降低導(dǎo)通時(shí)的通態(tài)損耗，還可進(jìn)行開(kāi)關(guān)器件的并聯(lián)。

在電路中，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件對(duì)應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路(vd1,vd2,…,vdn)，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)明串聯(lián)器件采用了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)明的高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)中包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)，其中原邊為單路繞組，副邊為多路繞組連接各路對(duì)應(yīng)串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路上。每路驅(qū)動(dòng)電路是浮地狀態(tài)，原邊控制信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞到副邊，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制所有串聯(lián)器件導(dǎo)通、關(guān)斷的目的，即達(dá)到控制高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)的目的。

本發(fā)明中，高壓開(kāi)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(kāi)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(vl1,vl2,…,vln)。

附圖2所示為三個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，包括原邊邏輯調(diào)理電路，變壓器副邊驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)箝位電路。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)方式采用高頻變壓器，為了將低頻控制信號(hào)傳遞到高壓側(cè)，先將控制指令轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)，實(shí)例如：代表閉合指令的高電平5v，經(jīng)調(diào)理電路變換成0v到+12v的脈沖信號(hào)，代表關(guān)斷的低電平0v，經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成-12v到0v的脈沖信號(hào)。

通過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器將脈沖信號(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)回到低頻控制指令。

高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路如附圖3所示，包括第一mos管6、第二mos管8、第一電阻7、第二電阻9。其中，第一mos管6的源極與副邊線(xiàn)圈的同名端相連，第一mos管6的漏極分別與第一電阻7的一端、第二電阻9的一端以及第二mos管8的柵極相連，第一mos管6的柵極分別與副邊繞組的異名端、第二mos管8的源極相連，第二mos管8的漏極分別與第二電阻9的另一端、與所述驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件的源極相連，所述開(kāi)關(guān)器件的柵極與第一電阻7的另一端相連。

代表閉合指令的0v到12v脈沖，經(jīng)過(guò)匝比為1:1的變壓器后，副邊各繞組電壓也會(huì)建立0v到+12v脈沖。當(dāng)為+12v時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路3中mos管6反向寄生二極管導(dǎo)通，忽略二極管的導(dǎo)通壓降，mos管8的vgs8電壓也為+12v，主功率管1的柵源極電壓同樣為+12v，主功率管1導(dǎo)通，當(dāng)脈沖信號(hào)由+12v轉(zhuǎn)換為0v時(shí)，由于mos管8的vgs8電壓為0v，因此驅(qū)動(dòng)電路3為開(kāi)路狀態(tài)，柵源極之間寄生電容所維持的12v電壓沒(méi)有泄放通路，因此柵源極之間一直保持電壓+12v。但由于器件寄生電阻和泄放電阻9的存在，因此vgs1電壓不能長(zhǎng)時(shí)間維持。為保證vgs1一直維持在高電平，需要第二個(gè)脈沖繼續(xù)為柵極電容充電。通過(guò)這種持續(xù)脈沖向寄生電容充電的方式，會(huì)一直保證vgs1處于高電平，因此所有其他路串聯(lián)器件柵-源電壓也都處于高電平，進(jìn)而高壓開(kāi)關(guān)模塊處于導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)控制指令為0v時(shí)，原邊調(diào)理電路a、b兩點(diǎn)電壓為-12v到0v的脈沖信號(hào)，此時(shí)副邊各繞組的電壓也為-12v到0v，當(dāng)副邊為-12v時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路mos管8的寄生二極管導(dǎo)通，mos管6的vgs6電壓為12v，主開(kāi)關(guān)管vgs1電壓為-12v，此時(shí)主開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)為0v時(shí)由于驅(qū)動(dòng)電路不導(dǎo)通，因此主功率管一直維持在-12v。負(fù)脈沖信號(hào)可持續(xù)給定也可固定給定幾個(gè)，其目的都是為了將主功率管的柵極電荷泄放完畢，保證其一直維持關(guān)斷狀態(tài)。另外在柵-源極之間也可以添加雙向穩(wěn)壓管箝位，將兩極電壓箝位到開(kāi)關(guān)管柵極安全工作的電壓范圍。

本發(fā)明中，高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明中給出三種保護(hù)方案，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(kāi)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。第三種為箝位保護(hù)電路，當(dāng)電壓尖峰較大時(shí)，通過(guò)該電路來(lái)完成保護(hù)。該電路由多個(gè)tvs管反向串聯(lián)組成，其中電壓設(shè)定如附圖4所示，tvs反向擊穿電壓為v2，正常工作電壓為v1，每個(gè)串聯(lián)的器件的損壞電壓為v3。正常工作電壓為v1，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓超過(guò)v2時(shí)就會(huì)被箝位到v2，由于v2低于v3開(kāi)關(guān)器件一直處于安全電壓之內(nèi)。通過(guò)三種保護(hù)方案，可以有效保護(hù)高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)的可靠運(yùn)行，當(dāng)然實(shí)際選用的保護(hù)方案可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定。

當(dāng)高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)用于脈沖功率場(chǎng)合時(shí)，采用方案如附圖5所示，其中兩個(gè)高壓固態(tài)開(kāi)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(kāi)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。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要包括：開(kāi)關(guān)動(dòng)作快速、通態(tài)損耗低、體積小、重量輕、模塊化、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。