一種基于rsd的脈沖電源模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于高功率高密度脈沖技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于RSD的脈 沖電源模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 高功率脈沖電源（兆瓦級電源）是將儲存的高密度能量進行快速的壓縮、轉(zhuǎn)換或 直接釋放給負載，在受控熱核聚變、高壓除塵，有機廢水處理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用；現(xiàn)有技術(shù) 中的脈沖功率電源技術(shù)利用電容儲能放電方式，大多數(shù)采用機械式火花隙或無觸點離子器 件如氫閘流管作為放電開關(guān)。在開關(guān)開通過程中，開關(guān)必須承受較大的通態(tài)電流上升率di/ dt。在國防、經(jīng)濟等領(lǐng)域的推動下，開關(guān)的通態(tài)電流上升率di/dt的增長將接近開關(guān)的工作 極限，開關(guān)的性能大大限制了該領(lǐng)域的進步。
[0003] 近年來，反向開關(guān)晶體管（RSD)、脈沖晶閘管、絕緣柵雙極性晶體管（IGBT)等半導(dǎo) 體開關(guān)逐漸進入脈沖功率領(lǐng)域；火花隙開關(guān)耐壓高，通流大，但使用壽命短；絕緣柵雙極性 晶體管可承受高速開關(guān)，耐壓高，通流強，是電力電子領(lǐng)域的重要半導(dǎo)體器件，但價格相對 較貴；晶閘管可耐高壓，耐大電流，但開關(guān)速度較慢。
[0004]RSD是新一代高功率脈沖器件，工作穩(wěn)定性和觸發(fā)分散性好，耐高壓大電流，使用 壽命長；但在現(xiàn)有技術(shù)中，是通過導(dǎo)線或銅排將分立器件連接組成脈沖系統(tǒng)，形成RSD開 關(guān)，電路雜散參數(shù)較大，RSD的通態(tài)電流上升率di/dt遠低于其通態(tài)電流上升率di/dt耐量 的極限（l〇〇kA/μs)。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基于RSD的脈沖電 源模塊；其目的在于采用銅箱環(huán)圍固定RSD的封裝方式，降低高功率脈沖電源的雜散電感， 進而提升高功率脈沖電源主電路的通態(tài)電流上升率di/dt。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種基于RSD的脈沖電源 模塊，包括主電容、磁開關(guān)、RSD、充電電源、開關(guān)管預(yù)充電容、預(yù)充電感和控制模塊；其中主 電容、磁開關(guān)、RSD與負載構(gòu)成主電路；預(yù)充電容、預(yù)充電感、開關(guān)管與RSD構(gòu)成預(yù)充電路； 其特點在于，主電容、磁開關(guān)、RSD、充電電源、開關(guān)管、預(yù)充電容和預(yù)充電感集成在一塊PCB 上，且RSD是采用環(huán)圍銅箱固定在PCB上；
[0007] 其中，磁開關(guān)的第一端連接主電容的陽極；RSD的陽極連接磁開關(guān)的第二端，同時 還與充電電源的輸出端連接；充電電源的輸入端連接控制模塊的第一輸出端，主電容陰極 通過負載接地；RSD陰極接地；開關(guān)管的門極連接控制模塊的第二輸出端，集電極與RSD的 陽極連接，預(yù)充電容的陽極連接開關(guān)管的集電極，預(yù)充電容的陰極接地；預(yù)充電感的一端接 地，另一端連接開關(guān)管的發(fā)射極；
[0008] 其中，主電容作為脈沖電源模塊的主要放電電容，該電源的輸出電流由主電容通 過RSD放電獲得；磁開關(guān)用于在預(yù)充電容為RSD預(yù)充時，阻斷主電容對RSD放電；充電電源 用于為主電容和預(yù)充電容充電；在充電電源對主電容及預(yù)充電容充電完畢后，脈沖電源放 電前，主電容的陽極、RSD的陽極、開關(guān)管的集電極等電位；開關(guān)管是整個高功率脈沖電源 的開關(guān)；預(yù)充電容與預(yù)充電感組成并聯(lián)諧振電路，為RSD預(yù)充；控制模塊用于控制充電電源 與開關(guān)管的時序；
[0009] 在PCB布局上，PCB上設(shè)有用于放置磁開關(guān)的開口；磁開關(guān)卡放在該開口內(nèi)；RSD 的陰極焊接在PCB的一面上，主電容設(shè)置在該面PCB的一端，預(yù)充電容設(shè)置在該面PCB的另 一端；環(huán)圍銅箱具有一個頂端面與至少兩個引腳，其頂端面覆蓋在RSD上，與RSD的陽極焊 接在一起；環(huán)圍銅箱的引腳焊接在該面PCB上；環(huán)圍銅箱起到連接RSD的陽極與PCB正面的 作用；磁開關(guān)與主電容和RSD之間通過銅條連通：主電容的陽極在PCB的另一面通過鋪銅 與銅條一端相連，銅條穿過磁開關(guān)，銅條另一端在該面PCB上通過鋪銅及過孔與環(huán)圍銅箱 的引腳相接；
[0010] 預(yù)充電容的陽極通過鋪銅連接開關(guān)管的集電極和RSD的陽極；在開關(guān)管的發(fā)射極 與RSD的陰極之間的PCB上環(huán)形鋪銅，形成預(yù)充電感，開關(guān)管的發(fā)射極通過該環(huán)形鋪銅連接RSD的陰極，預(yù)充電容的陰極通過鋪銅與RSD陰極相連；
[0011] 為滿足在PCB上通大電流的要求，在上述布局的基礎(chǔ)上對各網(wǎng)絡(luò)做覆銅處理，提 供PCB的安全性能。
[0012] 優(yōu)選的，環(huán)圍銅箱的頂端面直徑大于RSD的直徑，為保證確保RSD的陽極與陰極絕 緣。
[0013] 優(yōu)選的，環(huán)圍銅箱的各引腳的上端與環(huán)圍銅箱的頂端面垂直，下端與PCB垂直抵 接。
[0014] 優(yōu)選的，所述的開關(guān)芯片為硅基RSD或碳化硅基RSD。
[0015] 優(yōu)選的，RSD呈餅狀，厚度為14mm~27mm，直徑為41mm~110mm;環(huán)圍銅箱采用 0· 3mm~1mm厚度的銅制成，具有頂端面和4個引腳，其頂端面直徑為46mm~120mm，引腳 寬 15mm~40mm,高 14mm~27mm〇
[0016] 總體而言，通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下 列有益效果：
[0017] 1、本實用新型提供的基于RSD的脈沖電源模塊，其電源輸出功率可達兆瓦級（測 試電壓KV，電流KA，功率達MW)，將RSD功率開關(guān)與充電電源、電容器、磁開關(guān)等器件集成在 PCB上，使各元件協(xié)調(diào)工作，減小導(dǎo)線長度，從而降低了該脈沖電源本身的寄生電感等雜散 參數(shù)，提高RSD的通態(tài)電流上升率di/dt;相同條件下，這種方式的集成比現(xiàn)有技術(shù)中的回 路具有更高的通態(tài)電流上升率di/dt;
[0018] 2、本實用新型提供的基于RSD的脈沖電源模塊，首創(chuàng)地采用銅箱環(huán)圍的方式焊 接固定RSD;環(huán)圍銅箱如同具有至少有兩個引腳的蓋子，覆蓋在RSD上，連通RSD的陽極與 PCB；
[0019] -方面，環(huán)圍銅箱頂端面光滑平整，有利于貼散熱片，具有加速RSD散熱的作用， 其高效的散熱性能首次在脈沖功率電源模塊內(nèi)實現(xiàn)了重復(fù)頻率；
[0020] 另一方面，環(huán)圍銅箱的引腳與PCB上的鋪銅相連，增加了PCB上的電流通道，具有 平均分配電流走向的作用，實現(xiàn)了在PCB上通大電流的目的，提高了脈沖電源的通流能力；
[0021] 又一方面，保證了RSD的機械性能，使之緊固的置于PCB上，避免其脫落的風險；
[0022] 3、本實用新型提供的基于RSD的脈沖電源模塊，通過PCB的集成封裝，實現(xiàn)了脈沖 功率裝置的集成化、模塊化；與現(xiàn)有的技術(shù)相比，很大程度上減小了脈沖電源的體積，提高 了脈沖電源的輸出電流密度，將脈沖功率裝置推向了便捷化和小型化。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本實用新型實施例1提供的基于RSD的脈沖電源模塊的正視圖；
[0024]圖2是本實用新型實施例1提供的基于RSD的脈沖電源模塊的三維示意圖；
[0025]圖3是本實用新型實施例1提供的基于RSD的脈沖電源模塊的封裝結(jié)構(gòu)電路原理 圖；
[0026] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-PCB，2_主 電容，3-磁開關(guān)，4-環(huán)圍銅箱，5-開關(guān)芯片，6-充電電源，7-IGBT，8-預(yù)充電容。
【具體實施方式】
[0027] 為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所 涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0028] 實施例1提供的基于RSD的脈沖電源模塊，其封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示；包括PCB1以 及集成在PCB1上的主電容2,磁開關(guān)3,環(huán)圍銅箱4,RSD5,充電電源6,開關(guān)管7、預(yù)充電容 8預(yù)充電感和控制模塊；在實施例里1，開關(guān)管采用IGBT;
[0029] 圖2是實施例1提供的基于RSD的脈沖電源模塊的三維示意圖，從圖2可以看出， 主電容2設(shè)置在PCB1-端；磁開關(guān)3與主電容2和RSD5通過銅條連通：主電容2的陽極 在PCB1的背面通過鋪銅與銅條一端相連，銅條穿過磁開關(guān)3,銅條另一端在PCB1背面通 過鋪銅及過孔與固定在PCB1正面的環(huán)圍銅箱4的4個引腳相接，主電容2的陰極在PCB1 的正面通過鋪銅與RSD5的陰極相連；環(huán)圍銅箱4的頂端面覆蓋在RSD5的陽極上，RSD5 的陽極與環(huán)圍銅箱4的頂端面通過回流焊焊接；RSD5的陰極焊在PCB1正面上；
[0030] 預(yù)充電容8設(shè)置在PCB1的另一端，預(yù)充電容8的陽極通過鋪銅連接IGBT7的集 電極，預(yù)充電容8的陰極通過鋪銅與RSD5的陰極相連；IGBT7的發(fā)射極通過鋪銅連接RSD 5的陰極；預(yù)充電感通過在PCB1上環(huán)