一種超高速驅(qū)動(dòng)模塊電路及其構(gòu)成方法、設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種超高速驅(qū)動(dòng)模塊電路及其構(gòu)成方法、設(shè)計(jì)方法，屬于中大功率電力電子器件的高速驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大和新型大功率高速開關(guān)器件(如碳化硅高速場(chǎng)效應(yīng)管等)的問世，使主回路斬波頻率高達(dá)8?1MHz以上的新產(chǎn)品開發(fā)成為可能，然而，在目前的市場(chǎng)產(chǎn)品中，能與之相配套的超高速驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊成為必然。
[0003]然而，理論分析和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)均告訴我們，此類超高速驅(qū)動(dòng)模塊的傳輸延遲時(shí)間及脈沖沿的上升下降時(shí)間均在1ns以內(nèi)而瞬時(shí)傳輸功率又在100W左右，因此無(wú)論是電路原理設(shè)計(jì)還是元件布局和走線工藝的設(shè)計(jì)，均需采用線性高頻功率電子電路的設(shè)計(jì)方法和制作工藝才行，否則，成功的可能性很?。】v觀本發(fā)明的研發(fā)過(guò)程亦證明了這個(gè)觀點(diǎn)的正確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種超高速驅(qū)動(dòng)模塊電路及其構(gòu)成方法、設(shè)計(jì)方法。以用于解決:①?gòu)碾娐吩砩洗_立一種既能保證所研發(fā)的驅(qū)動(dòng)模塊具有2000V以上隔離電壓同時(shí)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；②在確保具有足夠高的功率放大倍數(shù)條件下，確立一種能保證傳輸延遲時(shí)間和脈沖上升下降沿時(shí)間均小于1ns的脈沖放大電路和功率輸出電路的設(shè)計(jì)方法；③利用線性高頻功率電子電路的設(shè)計(jì)方法，尋找一種通過(guò)合理元件布局和可調(diào)方式，使之能全面消除分布電感和分布電容所形成的超高頻大幅值衰減振蕩的方法，以確保被驅(qū)動(dòng)主功率開關(guān)器件的安全正常工作。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超高速驅(qū)動(dòng)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(fù)偏壓電路N和三路輸出直流電源電路S共五個(gè)單元電路組成；其中輸入隔離電路I的輸入端Vi與驅(qū)動(dòng)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(fù)偏壓電路N的負(fù)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(duì)+Vcc進(jìn)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(shí)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(fù)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(dòng)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(diǎn)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(jí)相連并與三極管V5的集電極相連接，該連接點(diǎn)即為整個(gè)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(yáng)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(shí)相連。
[0009]所述負(fù)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(shí)接地，穩(wěn)壓二極管DWl陽(yáng)極與三極管V6的基極相連，電阻R9的右端接-Vee電源。
[0010]一種超高速驅(qū)動(dòng)模塊電路的構(gòu)成方法，由輸入隔離電路1、脈沖放大電路A、輸出電路O、負(fù)偏壓電路N和三路輸出直流電源電路S共五個(gè)單元電路組成超高速驅(qū)動(dòng)模塊電路。
[0011]所述輸入隔離電路I的輸入端Vi與驅(qū)動(dòng)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(fù)偏壓電路N的負(fù)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(fù)偏壓電路N的供電電源。
[0012]一種超高速驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)方法，所述方法的具體步驟如下:
Stepl、按頻率0.4?0.6GHz、瞬時(shí)功率45~55W的高頻線性功率電路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行超尚速驅(qū)動(dòng)t旲塊印制電路板的布局和走線；印制電路板按尚速?目號(hào)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(shí)也就減小了它們形成的傳輸延時(shí)、高幅值衰減振蕩和高頻輻射干擾問題；
Step2、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。
[0013]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(shí)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(dòng)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(guò)沖且在波形平臺(tái)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(shí)間<10ns且無(wú)過(guò)沖且波形平臺(tái)期無(wú)衰減振蕩時(shí)，焊下微調(diào)電阻并測(cè)其阻值，該阻值即為對(duì)應(yīng)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。
[0014]本發(fā)明的工作原理是:
在隔離電路I的輸入端Vi端輸入一個(gè)1MHz以內(nèi)，低電平為0V，高電平為+5V的脈沖信號(hào)，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(shí)現(xiàn)了電氣隔離(包括地的隔離)，提高了整個(gè)電路的抗干擾能力，減小了噪聲對(duì)后級(jí)電路的干擾，保護(hù)了后級(jí)電路的安全，并可以有效提高整個(gè)電路的輸入阻抗、降低電路延時(shí)問題，在其輸出端輸出一