CN103248338B - 一种反向开关晶体管的触发电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体开关领域，提供了一种反向开关晶体管的触发电路，包括预充电路、主电路、恒流充电电路和触发控制电路；主电路包括RSD开关和主电容C₀；预充电路用于为RSD开关的导通提供所需要的预充电流，恒流充电电路用于为主电路和预充电路充电，当充电电压达到预设的电压阈值时，通过触发控制电路发出信号给预充电路，预充电路发出预充电流给主电路中的RSD开关，RSD开关导通后主电路中的主电容C₀放电并将能量转移至负载Z₀。本发明在继承直接预充的高效放电的同时，使其能运用于重复频率脉冲电源更加便捷，不会对主电流造成影响，无周期振荡，预充时间更短，在相同预充电压下有更高的电流幅值和电流上升率。

Description

一种反向开关晶体管的触发电路

技术领域

本发明属于半导体开关领域，更具体地，涉及一种反向开关晶体管的触发电路。

背景技术

20世纪90年代俄罗斯物理科学院的阿·法物理技术研究室基于可控等离子层开通原理研制了一系列固体脉冲功率开关，大功率超高速半导体开关反向开关晶体管（ReverselySwitchedDynistor，RSD）为其中之一。RSD以其在芯片全面积均匀同步开通的原理上的优势，能同时获得几十kV高电压、几百kA大电流、几十至上百kA/μs电流上升率的优异开关性能。

RSD是p⁺-n-p-n⁺四层结构的晶闸管类型的半导体器件，但与晶闸管不同，它是没有控制极的二端器件。RSD结构中包含数万个相间排列的晶闸管单元和晶体管单元，各部分共有的集电结阻断外加正向电压。

其具体的工作原理可参考申请号为：200710051511.6，发明名称为“一种半导体脉冲功率开关及其制备方法”的专利申请文件，由预充电路和主回路两部分组成。当预充电路未接通（S断开）时，由于集电结（J₂结）反偏，RSD不会开通。当S合上接通预充电路，磁开关L未饱和，J₂加在RSD上为反向偏置。短时的n⁺p结反偏使J₂结附近形成一高浓度薄等离子体层。当磁开关L饱和后，晶闸管部分开始了开启过程。在J₁外电场作用下，J₂结n侧等离子层中的空穴进入到p区，同时J₃结的n⁺区电子也注入到p区。p⁺n结上空穴向n区注入，漂移场的作用使J₁结n侧等离子体层向J₂结移动，RSD开通。

基于可控等离子层原理开通的RSD，由于其特殊的开通机制，可实现芯片全面积均匀同步导通；而RSD在重复频率的脉冲功率应用中，特别是低压大电流场合，预充电压降低，而传统的谐振触发方式由于存在电感导致振荡的预充电流，不能形成有效的等离子层，很难让RSD全面积均匀的导通，而传统的直接预充方式效率高，但很难用于重频。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种反向开关晶体管的触发电路，旨在解决传统RSD的谐振预充方式中，在较低的预充电压的情况下，无法给予RSD充足的预充电流和直接预充方式难以运用于重频的问题。

本发明提供了一种反向开关晶体管的触发电路，包括预充电路，与所述预充电路串联的主电路，并联在所述主电路和所述预充电路之间的恒流充电电路以及并联在预充电路两端的触发控制电路；所述主电路包括RSD开关和主电容C₀；预充电路用于为所述RSD开关的导通提供所需要的预充电流，恒流充电电路用于为主电路和预充电路充电，当充电电压达到预设的电压阈值时，通过触发控制电路发出信号给预充电路，预充电路发出预充电流给主电路中的RSD开关，RSD开关导通后主电路中的主电容C₀放电并将能量转移至负载Z₀。

更进一步地，所述主电路还包括磁环L；磁环L的一端与所述主电容C₀连接，磁环L的另一端与所述RSD开关连接，所述RSD开关还与所述负载Z₀连接，所述主电容C₀用于为所述负载Z₀提供重复的高功率脉冲；所述磁环L用于为RSD开关的预充提供时间，并为所述主电路和所述预充电路电解耦；所述RSD开关用于对电脉冲进行控制与压缩。

更进一步地，预充电路包括预充电容C_C、预充电阻R_C、第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃和第四开关管T₄；第一开关管T₁与第四开关管T₄串联连接，第二开关管T₂和第三开关管T₃串联连接，预充电容C_C的一端连接至第一开关管T₁与第四开关管T₄的串联连接端，预充电容C_C的另一端连接至第二开关管T₂和第三开关管T₃的串联连接端，预充电阻R_C的一端连接至RSD开关与负载连接的连接端，预充电阻R_C的另一端连接至第四开关管T₄的非串联连接端和第三开关管T₃的非串联连接端。

更进一步地，所述第一开关管T₁、所述第二开关管T₂、所述第三开关管T₃和所述第四开关管T₄为晶闸管或IGBT管。

更进一步地，所述第一开关管T₁和所述第三开关管T₃为晶闸管或IGBT管，所述第二开关管T₂和所述第四开关管T₄为晶闸管。

更进一步地，所述第一开关管T₁、所述第二开关管T₂、所述第三开关管T₃或所述第四开关管T₄为快速晶闸管。

更进一步地，所述触发控制电路包括光电耦合器、MOS管Q、吸收电路、钳位电路和脉冲变压器；光电耦合器包括8个引脚，2、3引脚接外部单片机输出的脉冲信号，5引脚接电源，8引脚接地，1、4引脚悬空不接，6、7引脚连接至MOS管Q的栅极；MOS管Q的源极接地，栅极与源极间并入一个电阻R_s加速MOS管关断，MOS管Q的漏极串联接脉冲变压器TM后再串联接至15V电源，而漏源极两端并联接入钳位保护电路；脉冲变压器TM的两端分别接MOS管Q的漏极与15V电源后，再并联接入吸收电路。

更进一步地，所述触发控制电路还包括并接在所述MOS管Q的栅极与源极之间的电阻R_s，和连接在所述光电耦合器的第6引脚与所述MOS管Q的栅极之间的栅极电阻R_g。

更进一步地，所述吸收电路包括电阻R_VD和二极管VD，所述二极管VD的阴极通过电阻R_VD连接至电源，所述二极管VD的阳极与脉冲变压器连接。

更进一步地，所述钳位保护电路包括电阻R_ds、二极管VD_ds、电容C_ds与瞬态电压抑制器VS_ds，所述二极管VD_ds的阴极通过所述电容C_ds接地，所述二极管VD_ds的阳极连接至所述MOS管的漏极；所述电阻R_ds与所述二极管VD_ds并联连接;所述瞬态电压抑制器VS_ds并联接在电容C_ds两端。

本发明利用桥式换流有效解决了直接预充电路需要两个电源进行换流，在继承直接预充的高效放电的同时，使其能运用于重复频率脉冲电源更加便捷。另外，本发明原理上是用开关换流相对于谐振电路的电感换流，没有电感电流不会有振荡，不会对主电流造成影响，无周期振荡，预充时间更短，在相同预充电压下有更高的电流幅值和电流上升率，这就是本发明的高效、高速、简易的关键所在。

附图说明

图1是本发明实施例提供的反向开关晶体管的触发电路的模块结构原理框图；

图2是本发明实施例提供的反向开关晶体管的触发电路中恒流充电电路的具体电路图；

图3是本发明实施例提供的反向开关晶体管的触发电路中主电路和预充电路的具体电路图；

图4是本发明实施例提供的反向开关晶体管的触发电路中触发控制电路的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的反向开关晶体管的触发电路的模块结构原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

该反向开关晶体管的触发电路包括：恒流充电电路1、主电路2、预充电路3和触发控制电路4；主电路2与预充电路3串联连接；恒流充电电路1并联在主电路2、预充电路3两端；触发控制电路4并联在预充电路3两端。恒流充电电路3开始为主电路1、预充电路2充电充到预设的电压值，通过触发控制电路发出信号给预充电路3，然后预充电路3发出预充电流给主电路2中的RSD开关，RSD开关导通后主电路2中的电容器放电把能量转移到负载。

本发明提供的反向开关晶体管的触发电路中，RSD导通，需要一反向的预充电流为其建立有效等离子层提供电荷量并阻止主电容放电一个微秒左右；半导体开关组成的全桥电路一方面正向为预充电容充电满足重频应用要求，另一方面能使预充电容对RSD反向放电实现预充；克服了传统RSD的谐振预充方式中，在较低的预充电压的情况下，无法给予RSD充足的预充电流和直接预充方式难以运用于重频的问题，本电路拓扑结构简单有效。

在本发明实施例中，恒流充电电路1用于为主电容和预充电容充电使其同时达到预先设定的电压值。如图2所示，恒流充电电路1包括：依次连接的输入整流桥11、滤波电容C_i、逆变桥12、LCL谐振网络13和输出整流桥14；输入整流桥用于将220V，50HZ的交流电整为直流经过滤波电容C_i为逆变桥提供稳定的直流电压源，逆变桥将恒定的直流变换为高频的交流稳压源；谐振网络用于将稳定的交流电压源变换为恒定的交流电流源；输出整流桥用于将恒定的交流电流源变换为恒定的直流电流源。

输入整流桥11包括串联连接的二极管D_i1和二极管D_i4，串联连接的二极管D_i2和二极管D_i3；二极管D_i1和二极管D_i4的串联连接端和二极管D_i2和二极管D_i3的串联连接端连接220V，50HZ的交流输入，经过整流桥整流后变为直流输出。

逆变桥12包括：IGBT器件T₁₁、T₁₂、T₁₃、T₁₄，T₁₁与T₁₄串联连接，T₁₂与T₁₃串联连接，T₁₁与T₁₄的串联连接端和T₁₂与T₁₃的串联连接端与LCL谐振网络13连接，输入整流桥11的输出经滤波电容C_i为滤波后得到稳定的直流电压源，再经逆变桥12逆变处理后变换为高频的交流稳压源。

LCL谐振网络13包括：电感L1、L2和电容C1，其中电感L1的一端连接至T₁₂与T₁₃的串联连接端，电感L1的另一端通过电感L2连接至1：N变压器的初级绕组的一端，电容C1的一端连接至电感L1的另一端，电容C1的另一端连接至T₁₁与T₁₄的串联连接端和1：N变压器的初级绕组的另一端。电感L1和电感L2的电感值相等。

输出整流桥14包括：二极管D_o1、D_o2、D_o3、D_o4，，其中，二极管D_o1与二极管D_o4串联连接，二极管D_o2和二极管D_o3串联连接，二极管D_o1与二极管D_o4的串联连接端连接至1：N变压器的次级绕组的一端，二极管D_o2和二极管D_o3的串联连接端连接至1：N变压器的次级绕组的另一端。输出整流桥用于将恒定的交流电流源变换为恒定的直流电流源

恒流充电电路1的工作原理为：220V，50HZ的市电经过二极管组成的输入整流桥和滤波电容可以得到稳定的直流，将稳定的直流输入到由IGBT组成的逆变桥中通过适当的控制算法可以等到类高频正弦波，将高频正弦波输入到LCL谐振网络，再经过二极管组成的输出整流桥就可得到恒定的电流输出。

在本发明实施例中，主电路2用于给负载提供连续的高功率脉冲。如图3所示，主电路2包括串联连接的主电容C₀，磁环L，RSD开关和负载Z₀；恒流充电电路1为主电容C₀充电到预设电压，主电容C₀所起的作用是为负载提供重复的高功率脉冲；磁环L阻断主电容放电0.5-2.5μs，然后磁芯饱和放电，所以磁环L主要作用有两个方面，一方面为RSD开关预充提供时间，一方面为主电路和预充电路电解耦；RSD开关是主电路的主开关，在接受预充电路的预充电流后，RSD由阻断状态转为导通状态，然后主电容C₀以高功率电脉冲的形式把能量转移到负载Z₀。所以RSD开关在主电路中有主要作用是对电脉冲的控制与压缩。

在本发明实施例中，预充电路3用于为主开关RSD的导通提供所需要的预充电流。如图3所示，预充电路3包括预充电容C_C、预充电阻R_C、第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃和第四开关管T₄，第一开关管T₁与第四开关管T₄串联连接，第二开关管T₂和第三开关管T₃串联连接，预充电容C_C的一端连接至第一开关管T₁与第四开关管T₄的串联连接端，预充电容C_C的另一端连接至第二开关管T₂和第三开关管T₃的串联连接端，预充电阻R_C的一端连接至RSD开关与负载连接的连接端，预充电阻R_C的另一端连接至第四开关管T₄的非串联连接端和第三开关管T₃的非串联连接端。

从静态连接关系上看，预充电路3是并联接在RSD开关两端，其组成由：开关管组成的桥式电路，预充电阻R_c接在桥的端口，预充电容C_c接在桥的中心位置，三个部分串联组成。

工作原理如下：一开始导通第一开关管T₁、第三开关管T₃，此时恒流充电电源1经过第一开关管T₁、第三开关管T₃向预充电容C_c充电到预先设定的电压值，同时关断第一开关管T₁、第三开关管T₃，然后触发导通第二开关管T₂、第四开关管T₄，预充电容C_c经过第二开关管T₂、第四开关管T₄，限流电阻R_c对RSD反向放电预充，最后触发RSD开关导通。

作为本发明的一个实施例，第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃和第四开关管T₄可以为晶闸管、IGBT管或其它开关管。由于充电电流不大，第一开关管T₁、第三开关管T₃可以为晶闸管或IGBT管；但是预充电流相对较大，一般选用第二开关管T₂、第四开关管T₄为晶闸管。磁环L的材料可以选用非晶纳米合金磁芯、坡莫合金铁心。而本例中的开关管为快速晶闸管。

本发明利用开关桥进行换流相对于利用电感电压反转换流无电流振荡的问题，即开关桥所输出的预充电流有更高的电流幅值和更短的脉宽，这些强触发对于RSD的开通更有利，并能极大的缩短RSD的预充时间，有利于高重频，利用开关桥触发RSD可以使基于RSD的脉冲功率源重频做到1kHZ-10kHZ，而且相对于俄罗斯学者提出的电路简单可靠。

在本发明实施例中，触发控制电路4用于根据设置的延迟时间先后为主电路2和预充电路3中的半导体开关提供触发信号。如图4所示，触发控制电路4包括光电耦合器、MOS管Q、吸收电路41、钳位电路42和脉冲变压器TM，其中光电耦合器包括8个引脚，光电耦合器的2，3引脚接外部的单片机输出的脉冲信号，5引脚接15V电源，8引脚接地，1，4引脚悬空不接；6，7引脚连接经过栅极电阻R_g接入MOS管Q的栅极；MOS管Q的源极接地，栅极与源极间并入一个电阻R_s加速MOS管关断，MOS管Q的漏极串联接脉冲变压器TM后再串联接至15V电源，而漏源极两端并联接入钳位保护电路42；脉冲变压器TM的两端分别接MOS管Q的漏极与15V电源后，再并联接入吸收电路41。

电源VCC（15V）给光电耦合器TLP250-1提供工作所需的能量，给予光电耦合器周期性的脉冲控制信号，光电耦合器将周期性的控制MOS管导通与关断，此时在变压器的原边侧将感应出约等于电源VCC的电压通过变压器的磁耦合将信号传递到晶闸管的门极，触发晶闸管导通。由电阻R_VD与二极管VD组成的吸收电路起到在MOS管关断时吸收变压器的续流能量，由电阻R_ds、二极管VD_ds与电容C_ds组成的钳位电路是为了保护MOS管吸收过电压。

光电耦合器可以采用型号为TLP250-1的光电耦合器芯片。

吸收电路41包括电阻R_VD与二极管VD，二极管VD的阴极通过电阻R_VD连接至电源VCC，二极管VD的阳极与脉冲变压器连接。吸收电路41用于对脉冲一次侧的能量吸收和脉冲变压器磁芯消磁，即当MOS管关断时，脉冲变压器TM一次侧励磁电感会将能量传递给电容C_VD，并通过电容C_VD的电压对其去磁。电阻R_VD是为了消耗C_VD在去磁间隔内所增加的能量而添加的。

钳位保护电路42包括电阻R_ds、二极管VD_ds、电容C_ds与瞬态电压抑制器VS_ds，二极管VD_ds的阴极通过电容C_ds接地，二极管VD_ds的阳极连接至MOS管的漏极；电阻R_ds与二极管VD_ds并联连接;瞬态电压抑制器VS_ds并联接在电容C_ds两端。由于电路中存在着杂散电感，变压器的漏电感等；这些都会给MOS关断时带来过电压，钳位保护电路42的作用在于使MOS管关断时吸收其过电压抑制MOS上的电压尖峰；具体工作原理如下：当MOS管关断时，其上的过电压将对电容C_ds进行充电来降低MOS管两端的电压，当MOS管开通时电容上的能量通过电阻R_ds经MOS管释放；这也是业内的常规做法，仅仅采用这种方式在实际电路中往往不能消除MOS管的电压尖峰，在电容C_ds两端并联瞬态电压抑制器VS_ds其目的能有效消除电压尖峰。

本发明提供的全桥触发电路对于RSD在重复频率脉冲功率领域中低压大电流的应用具有重要意义。本发明根据RSD反向预充的工作方式，提出一种正向为预充电容充电，反向为RSD预充的全桥电路。在低压大电流重复频率的要求下优化设计了典型应用电路，充电采用恒电流预充方案，用C-52单片机实现晶闸管全桥可控延时触发，设计并搭建了检测平台，预充时间约为0.5μs-1μs，能使RSD全面积均匀开通。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种反向开关晶体管的触发电路，其特征在于，包括恒流充电电路(1)、主电路(2)、预充电路(3)和触发控制电路(4)；所述预充电路(3)的第一输入端连接所述触发控制电路(4)，所述预充电路(3)的第二输入端连接至所述恒流充电电路(1)的第一输出端；所述主电路(2)的第一输入端连接至所述预充电路(3)的输出端，所述主电路(2)的第二输入端连接至所述恒流充电电路(1)的第二输出端；所述主电路包括RSD开关和主电容C₀；

预充电路用于为所述RSD开关的导通提供所需要的预充电流，恒流充电电路用于为主电路和预充电路充电，当充电电压达到预设的电压阈值时，通过触发控制电路发出信号给预充电路，预充电路发出预充电流给主电路中的RSD开关，RSD开关导通后主电路中的主电容C₀放电并将能量转移至负载Z₀；

所述主电路还包括磁环L；磁环L的一端与所述主电容C₀的一端连接，磁环L的另一端与所述RSD开关的一端连接，所述主电容C₀的另一端通过所述负载Z₀与所述RSD开关的另一端连接；

所述主电容C₀用于为所述负载Z₀提供重复的高功率脉冲；

所述磁环L用于为RSD开关的预充提供时间，并为所述主电路和所述预充电路电解耦；

所述RSD开关用于对电脉冲进行控制与压缩；

预充电路包括预充电容C_C、预充电阻R_C、第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃和第四开关管T₄；

第一开关管T₁与第四开关管T₄串联连接，第二开关管T₂和第三开关管T₃串联连接，预充电容C_C的一端连接至第一开关管T₁与第四开关管T₄的串联连接端，预充电容C_C的另一端连接至第二开关管T₂和第三开关管T₃的串联连接端，预充电阻R_C的一端连接至RSD开关与负载连接的连接端，预充电阻R_C的另一端连接至第四开关管T₄的非串联连接端和第三开关管T₃的非串联连接端。

2.如权利要求1所述的触发电路，其特征在于，所述第一开关管T₁、所述第二开关管T₂、所述第三开关管T₃和所述第四开关管T₄为晶闸管或IGBT管。

3.如权利要求1所述的触发电路，其特征在于，所述第一开关管T₁和所述第三开关管T₃为晶闸管或IGBT管，所述第二开关管T₂和所述第四开关管T₄为晶闸管。

4.如权利要求1-3任一项所述的触发电路，其特征在于，所述第一开关管T₁、所述第二开关管T₂、所述第三开关管T₃或所述第四开关管T₄为快速晶闸管。

5.如权利要求1所述的触发电路，其特征在于，所述触发控制电路包括光电耦合器、MOS管Q、吸收电路、钳位电路和脉冲变压器；

光电耦合器包括8个引脚，2、3引脚接外部单片机输出的脉冲信号，5引脚接电源，8引脚接地，1、4引脚悬空不接，6、7引脚连接至MOS管Q的栅极；

MOS管Q的源极接地，栅极与源极间并入一个电阻R_s加速MOS管关断，MOS管Q的漏极串联接脉冲变压器TM后再串联接至电源，而漏源极两端并联接入钳位保护电路；脉冲变压器TM的两端分别接MOS管Q的漏极与电源后并联接入吸收电路。

6.如权利要求5所述的触发电路，其特征在于，所述触发控制电路还包括并接在所述MOS管Q的栅极与源极之间的电阻R_s，和连接在所述光电耦合器的第6引脚与所述MOS管Q的栅极之间的栅极电阻R_g。

7.如权利要求5所述的触发电路，其特征在于，所述吸收电路包括电阻R_VD和二极管VD，所述二极管VD的阴极通过电阻R_VD连接至电源，所述二极管VD的阳极与脉冲变压器连接。

8.如权利要求5所述的触发电路，其特征在于，所述钳位保护电路包括电阻R_ds、二极管VD_ds、电容C_ds与瞬态电压抑制器VS_ds，

所述二极管VD_ds的阴极通过所述电容C_ds接地，所述二极管VD_ds的阳极连接至所述MOS管的漏极；所述电阻R_ds与所述二极管VD_ds并联连接；所述瞬态电压抑制器VS_ds并联接在电容C_ds两端。