CN104682935B - 一种刚性固态调制开关模块及其组合电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚性固态调制开关模块及其组合电路。该开关模块包括具有至少两个次级绕组的触发变压器、至少两个开关器件组件。每个开关器件组件包括电子开关电路、固态开关器件、静态均压电路、动态均压电路。该电子开关电路的两个输入端分别与相应次级绕组的两端相连，该电子开关电路的两个输出端中的高压端与该固态开关器件的栅极连接，而低压端与该固态开关器件的源极连接。该静态均压电路与该动态均压电路均并联在该固态开关器件的源极与漏极之间。该电子开关电路用于将流经该触发变压器初级的正、负脉冲触发信号形成该固态开关器件的触发脉冲。本发明还公开由若干该模块串联、并联、或串联和并联同时兼有而成的组合电路。

Description

一种刚性固态调制开关模块及其组合电路

技术领域

本发明涉及脉冲雷达发射机、电子加速器等装置中脉冲调制器的脉冲调制开关，以及高压直流开关等，尤其涉及一种刚性固态调制开关模块及其组合电路。

背景技术

在金属氧化物场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGTBT)出现及其应用技术成熟以前，在雷达发射机和电子加速器等装置的脉冲调制器中几乎都是用充氢闸流管、真空电子三极管或类似的真空电子开关管作为脉冲调制开关。由于这些电子管不仅存在寿命问题，还需要提供灯丝电源和功率相对较大的触发信号，使得这些真空电子开关管式的脉冲调制开关及其脉冲调制器在使用中存在寿命短、可靠性低、效率低等问题；在应用中缺乏对真空电子开关管寿命的检测手段，通常只有在使用过程中等待闸流管等真空电子开关以“连通”、“不通”等各种故障形式表现出来才会更换，造成脉冲调制器频繁出现因开关管寿命终了带来的“故障”，为相关产品的正常使用带来极大的不便，并对调制器的可靠性产生较大的影响。

随着MOSFET和IGBT的出现，尤其是其组合应用技术的成熟，MOSFET和IGBT逐步替代各种真空电子开关管，成为脉冲调制器调制开关的主流，目前，除一些特殊装置仍然采用真空电子开关外，均采用以MOSFET、IGBT为代表的固态半导体构成的固态调制开关；虽然固态调制开关的应用越来越广，但是由于单个MOSFET、IGBT的工作电压、电流有限，在高压、大功率应用场合，需要采用多个器件进行串联、并联组合应用，而采用多个固态器件组合应用的调制开关，对每个器件的触发一致性、串联应用的均压措施、并联应用的均流措施等都有及其严格的要求，这些问题解决不好将对开关的应用、可靠性产生极大的影响，也是限制固态半导体开关广泛应用的瓶颈；而且工作电压越高、功率越大，组合器件的数量越多，难度越大，系统越复杂，设计的难度越高，可靠应用的可能性越小。

发明内容

为了克服目前固态开关器件在组合应用时所面临的设计及应用困难，缩短研制周期，提高固态开关的可靠性，灵活适应各种应用的需求，本发明提供一种刚性固态调制开关模块及其组合电路，刚性固态调制开关模块具有灵活适应工作电压需求、模块串联使用方便、寿命长、可靠性高等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种刚性固态调制开关模块，其包括具有至少两个次级绕组的触发变压器、与该至少两个次级绕组相对应的至少两个开关器件的组件；每个器件的组件包括电子开关电路、固态开关器件、静态均压电路、动态均压电路；该电子开关电路的两个输入端分别与相应次级绕组的两端相连，该电子开关电路的两个输出端中的高压端与该固态开关器件的栅极连接，该电子开关电路的两个输出端中的低压端与该固态开关器件的源极连接；该静态均压电路与该动态均压电路均并联在该固态开关器件的源极与漏极之间；该电子开关电路用于将流经该触发变压器初级的正、负脉冲触发信号形成该固态开关器件的触发脉冲，其中，正脉冲对应触发脉冲的前沿，负脉冲对应触发脉冲的后沿，触发脉冲的宽度由正、负脉冲触发信号的时延决定；所有开关器件组件各自形成一个扇型区域，安装在一个正方形电路板上；以该电路板的中心为基准圆心，把该电路板等分成N+1个扇区，N是该开关器件组件的个数，每个扇区放置一个该开关器件组件，多出的一个扇区为串联的固态开关器件头尾的绝缘隔离区域；该触发变压器采用圆环形铁芯，且安装于该电路板的中心并有N个次级绕组，N个次级绕组分别连接到N个开关器件组件的电子开关电路。

作为上述方案的进一步改进，该固态开关器件为MOSFET或IGBT。

作为上述方案的进一步改进，该静态均压电路包括电阻R2，电阻R2的两端并联在该固态开关器件的源极与漏极之间。

作为上述方案的进一步改进，该动态均压电路包括二极管D、电阻R1、电容C；电容C的一端经由电阻R1连接至该固态开关器件的漏极，电容C的另一端连接至该固态开关器件的源极，二极管D并联在电阻R1的两端。

作为上述方案的进一步改进，

该电路板的中心开设有一个圆孔，该圆孔与该触发变压器同心，该触发变压器的初级触发信号线在穿过该触发变压器的铁芯时还穿过该圆孔；该刚性固态调制开关模块还包括散热器，该散热器固定在该电路板上。

优选地，该散热器采用圆柱形散热器，该散热器上设置供该固态开关器件安装的平台，该平台形状与该固态开关器件的形状、大小相同，该平台高度为该电路板的厚度；该固态开关器件固定在平台上且引线焊接在该电路板上，该散热器上开设若干沟槽。

本发明还提供一种组合电路，其包括上述任意若干刚性固态调制开关模块，该若干刚性固态调制开关模块串联。

作为上述方案的进一步改进，每个刚性固态调制开关模块采用1个圆环形铁芯绕制触发变压器，初级为1匝或两匝；该组合电路由一根触发电缆穿过一个或多个模块的触发变压器中心，同时给各个模块馈送触发信号；在每个触发变压器的次级具有多组相同的隔离的绕组，分别给每个开关器件馈送触发信号，实现这些串联的固态开关器件的同步触发。

本发明的有益效果：

1.本发明的刚性固态调制开关模块与单个固态开关器件具有相同的工作电流，但工作电压却有数倍(与串联固态开关器件的数量成正比)的提高；

2.在模块内部，各个固态开关器件共用一个触发变压器，分别连接到触发变压器的不同次级绕组而具有相同的触发电路；对每个固态开关器件采用相同的动态均压电路和静态均压电路措施，确保工作时，模块内各个固态开关器件能够等分模块所承担的工作电压，并在固态开关器件所允许的额定工作电压范围内；

3.采用一根(可以是多芯的)高压电缆穿过触发变压器，构成触发变压器的初级，并提供足够的绝缘，将触发信号同时馈送到次级连接的各个固态开关器件，控制固态开关器件同步导通或关断，实现触发的一致性；触发信号由正、反向脉冲信号组成，正向控制固态开关器件导通，反向控制固态开关器件关断；当正向脉冲宽度较宽或固态开关器件连续导通(直流工作)时，每隔一段时间，会补充一个正向触发脉冲，保持正向触发信号的持续；

4.当应用在更高的电压和功率下，可以很方便地用多个模块进行串、并联组合，而不是单个固态开关器件的组合，此时，馈送触发信号的初级电缆同时穿过所有组合应用的开关模块，避免采用单个固态开关器件串联应用所面临的诸多困难，应用十分便利。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的刚性固态调制开关模块的电路结构示意图。

图2为图1中刚性固态调制开关模块的应用示意图。

图3为本发明刚性固态调制开关模块的第一种组合电路的结构示意图。

图4为本发明刚性固态调制开关模块的第二种组合电路的结构示意图。

图5为本发明刚性固态调制开关模块的第三种组合电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明的刚性固态调制开关模块包括具有至少两个次级绕组的触发变压器T、与该至少两个次级绕组相对应的至少两个开关器件的组件、散热器(图未示)。每个开关器件组件包括电子开关电路K、固态开关器件V、静态均压电路、动态均压电路。该电子开关电路K的两个输入端分别与相应次级绕组的两端相连，该电子开关电路K的两个输出端中的高压端与该固态开关器件V的栅极连接，该电子开关电路K的两个输出端中的低压端与该固态开关器件V的源极连接。该静态均压电路与该动态均压电路均并联在该固态开关器件V的源极与漏极之间。该电子开关电路K用于将流经该触发变压器T初级的正、负脉冲触发信号形成该固态开关器件V的触发脉冲，其中，正脉冲对应触发脉冲的前沿，负脉冲对应触发脉冲的后沿，触发脉冲的宽度由正、负脉冲触发信号的时延决定。实现上述功能的电子开关电路K有很多种，在此不再详细叙述。

该固态开关器件V可为MOSFET或IGBT。该静态均压电路包括电阻R2，电阻R2的两端并联在该固态开关器件V的源极与漏极之间。该动态均压电路包括二极管D、电阻R1、电容C；电容C的一端经由电阻R1连接至该固态开关器件V的漏极，电容C的另一端连接至该固态开关器件V的源极，二极管D并联在电阻R1的两端。

所有开关器件组件各自形成一个扇型区域，安装在一个正方形电路板上；以该电路板的中心为基准圆心，把该电路板等分成N+1个扇区，N是该模块包含的开关器件组件的个数，每个扇区放置一个该开关器件组件，多出的一个扇区是该模块中串联开关器件头尾组件的绝缘隔离区域。该触发变压器T采用圆环形铁芯，且安装于该电路板的中心并有N个次级绕组，N个次级绕组分别连接到N个开关器件组件的电子开关电路K。

该电路板的中心开设有一个圆孔，该圆孔与该触发变压器同心，该触发变压器T的初级触发信号线在穿过该触发变压器T的铁芯时还穿过该圆孔。

该散热器可固定在该电路板上。该散热器采用圆柱形散热器，该散热器上设置供该固态开关器件安装的平台，该平台形状与该固态开关器件的形状、大小相同，该平台高度为该电路板的厚度；该固态开关器件固定在平台上且引线焊接在该电路板上，该散热器上开设若干圆形沟槽。

若干刚性固态调制开关模块可以构成组合电路的主要部件，该若干刚性固态调制开关模块串联。每个刚性固态调制开关模块采用1个圆环形铁芯绕制触发变压器，初级为1匝或两匝；该组合电路由一根触发电缆穿过一个或多个模块的触发变压器中心，同时给各个模块馈送触发信号；在每个触发变压器的次级具有多组相同的隔离的绕组，分别给每个开关器件馈送触发信号，实现这些串联的固态开关器件的同步触发。

请结合图2是本发明的一个非常具体的实施方式的电路图，V1-1～V1-11是模块中串联的固态开关器件，可以是MOSFET、也可以IGBT，本发明采用11个BIOMOSFET串联构成开关模块。电阻R2(指R2-1～R2-11，为便于说明，简化为R2，在下面的表述中，对其它器件的表述也按此简化)构成静态均压电路，电阻R1、快恢复二极管D1和电容C1构成动态均压电路；流经触发变压器T初级的正、负脉冲触发信号，经与触发变压器T的次级绕组相连的电子开关电路，形成串联开关器件V1的触发脉冲，其中正脉冲对应触发脉冲的前沿，负脉冲对应触发脉冲的后沿。

模块可灌胶，散热器可分别与对应的开关管V1的漏极(或收集极、集电极)相连，将其热量传导出来散掉，其中上部呈椭圆形结构的散热器与最高端的开关管相连，也是模块的高压连接端，而与之相邻又间隔较大的散热器则是低压端，与电压最低的开关管的漏极相连，而低压连接端则位于模块的B面，也就是电压最低端开关管的源极(或发射极)。在模块的四个顶端有四个安装固定孔，用来固定模块。

在刚性固态调制开关模块的串联应用实例中，举例如下，采用两个模块串联。其中一个刚性固态调制开关模块，简称为模块1，另一个刚性固态调制开关模块，简称为模块2。

模块1连接到高压端，模块2连接到低压端，模块1的低压连接端与模块2的高压连接端用高压导线短接，触发信号通过两个模块中间触发馈送孔馈送。

在组装时用4根的绝缘(可以是尼龙或环氧材质)螺杆，分别穿过模块4顶端的安装孔，固定在两端的支架上；在安装固定模块时，在每根螺杆上的模块到支架之间、两个模块之间要套装绝缘套管，来控制相互之间的间距，并使模块得到紧固。

在用多个模块串联时，绝缘螺杆相应加长，绝缘套管的数量相应增多，每增加一个模块，需要增加4个套管；同时初级触发电路的电压和功率也要相应的增加，以保证每个开关管的触发信号的幅度不会因模块数量的增加而降低。

对每个模块采用绝缘导热硅胶灌注，以适应在空气环境中应用的绝缘和散热要求，当应用在油浸环境，可以不进行灌封。

本发明的单个开关模块的性能如下：

工作电压：10kV；脉冲宽度：1μs～DC；工作电流：40A；脉冲重复频率：0～5kHz。

两个模块串联的性能如下：

工作电压：20kV；工作电流：40A。

N个模块串联的性能如下：

脉冲宽度：1μs～DC；脉冲重复频率：0～5kHz；工作电压：N×10kV；工作电流：40A；脉冲宽度：1μs～DC；脉冲重复频率：0～5kHz。

综上所述，本发明所采用的技术方案是：用多个MOSFET或IGBT固态开关器件串联作为脉冲调制开关，所用的固态开关器件为TO-247型(或类似扁平)封装，串联时每个器件及其触发电路、均压电路等完全相同，各自形成一个扇型区域，安装在一个正方形印刷电路板(PCB)上；以方形印制板的圆心为基准，把PCB等分成N+1个扇区(N是模块内串联器件的个数)，每个扇区放置一个固态开关器件及其触发电路、均压电路，多出的一个扇区是串联器件头尾的绝缘隔离区域，模块内串联器件的数量越多，工作电压就越高，这个区域就越大，PCB就越大。触发变压器采用圆环形铁芯，安装于PCB的正中，有N个次级绕组，分别连接到N个器件的触发电路，在PCB的中心，开一个大小适当圆孔，与变压器形成同心结构，以便于触发信号线(变压器的初级)穿过铁芯，激励变压器。

固态开关器件工作时因损耗所产生的热量，由圆柱形散热器导出，在PCB的每个开关器件对应的位置开一个与器件散热面大小相同的长方形孔，在圆形散热器上设计相同大小的突台(比长方形开孔略小)，突台的高度略高于PCB的厚度，当散热器固定在PCB上时，正好适合开关器件固定在散热器上。

在模块的每个固态开关器件的两端并联由电阻R1构成的静态均压电路和由二极管D1、电阻R2、电容C1构成的动态均压电路，解决串联固态开关器件在使用过程中的静态(开关关断期间)和动态(调制开关导通和关断过程)的均压问题，使得串联的每个开关器件在工作时所承担的电压均衡，不会因过压而击穿。

每个开关器件的栅源极间都有一个相同的触发电路，连接到触发变压器相应的次级，接收来自变压器初级的触发信号，控制开关器件的导通与关断。在变压器的初级，触发信号是极窄的双向脉冲信号，在次级也会获得双向窄脉冲触发信号，经限流电路、电子开关电路，在开关器件的栅源极形成触发信号，其中触发信号的前沿由正向脉冲经电子开关产生，并维持到负向脉冲的到来，负向脉冲经电子开关在栅源极形成触发信号的后沿及负向电平，确保开关器件的关断；触发信号的宽度由正负脉冲的时延决定，当宽度较大或直流工作时，电子开关不能维持栅源极间电容的储能，触发脉冲的幅度会下降，直至影响开关器件的导通，这是不允许的，这时触发电路会定时加送正向脉冲，来维持触发信号幅度满足要求。根据对栅源极间电容充放电的时间来设定正、负脉冲的宽度。

最终对模块采取灌注或不灌注两种封装形式。不灌注的形式主要用于油缸环境，可以是单个模块应用，也可以是多个模块组合应用，完全取决于应用场合的需要；此时，油缸中灌满的油为模块提供绝缘及热传递的媒介。灌注时采用导热硅橡胶对模块进行灌注，硅橡胶凝固后提供模块的绝缘及热传递，开关器件所产生的热量主要散热器传导到空气中，此时往往需要采用强迫风对散热器进行风冷；灌注方式的开关模块主要用于空气环境，组合应用的数量不大，最高工作电压一般低于50kV。

开关模块在实体部件的制作上肯定需要包含印制电路板。其中印制电路板可采用正方形结构，以中心为原点被划分为N+1个扇区，其中N个扇区由完全相同的开关器件单元组成，第N+1个扇区是电压隔离区，不装任何器件。

在每个组件单元中包括：半导体开关器件、触发电路、均压电路、散热器等，其中均压电路由动态均压电路和静态均压电路组成；触发变压器共有N个次级绕组，每个绕组对应连接到一个开关器件的栅极触发电路，经其电子开关电路检出触发脉冲信号，控制开关器件的导通与关断。

在电路板上每个开关器件对应的位置，开一个长方形的孔，便于散热器通过该孔穿过电路板，组装时先将散热器与电路板固定，再将开关器件固定在散热器上，这样，可将开关器件工作时所产生的热量很快通过散热器导出。

通常选用同一种型号的半导体固态开关器件进行串联，在均压良好的情况下，使每个固态开关器件的工作电压约为其额定电压的50％～60％的范围内，留有足够的电压安全裕量；流过固态开关器件的有效电流不超过其额定平均电流的80％，频率越高，脉宽越窄，电流的安全裕量应该留得越大。按照上述原则，在工作电压超过单个模块的工作电压时，确定采用模块串联的数量；对于单个模块电流能力不够的情况，可采用多个模块并联工作。

综上所述，刚性固态调制开关模块可以多个串联(如图3所示，图中1号、2号模块串联)、并联(如图4所示，图中1号、2号模块并联)或串联与并联(如图5所示，先并联后串联，图中1号、2号模块并联，3号、4号模块并联，然后再串联)的组合，实现组合电路。请参阅图3，每个刚性固态调制开关模块采用1个圆环形铁芯绕制触发变压器，初级为1匝或两匝；该组合电路由一根触发电缆穿过一个或多个模块的触发变压器中心(即触发变压器的触发孔)，同时给各个模块馈送触发信号；在每个触发变压器的次级具有多组相同的隔离的绕组，分别给每个开关器件馈送触发信号，实现这些串联的固态开关器件的同步触发。

本发明采用长寿命的半导体开关器件，合理解决了串联使用的均压、同步触发等技术难题，形成工作电压更高的开关模块，克服了单个固态半导体开关器件工作电压低的问题，其有益效果是：

1.寿命长，可靠性高；使用该发明的高压脉冲调制器可靠性成数量级的提高，一方面确保了雷达整机的使用性能，另一方面，相对真空电子管而言，不需要大量地更换“寿命终了”的器材，因而可以节省大量的使用维护费用；

2.可以根据需要很方便地用串联好的模块进行组合应用，以适应不同脉冲调制器的工作电压、电流要求，实用性广，应用便利；

3.串、并联应用的基本单元是模块，而不是开关器件，避免了由开关器件组合应用所带来的繁琐的设计工作，所面临的均压、触发等难题，在模块研制中已经得到很好地解决，工作效率得到显著提高，开关的可靠性得到加强。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种刚性固态调制开关模块，其特征是：其包括具有至少两个次级绕组的触发变压器、与该至少两个次级绕组相对应的至少两个开关器件组件；每个开关器件组件包括电子开关电路、固态开关器件、静态均压电路、动态均压电路；该电子开关电路的两个输入端分别与相应次级绕组的两端相连，该电子开关电路的两个输出端中的高压端与该固态开关器件的栅极连接，该电子开关电路的两个输出端中的低压端与该固态开关器件的源极连接；该静态均压电路与该动态均压电路均并联在该固态开关器件的源极与漏极之间；该电子开关电路用于将流经该触发变压器初级的正、负脉冲触发信号形成该固态开关器件的触发脉冲，其中，正脉冲对应触发脉冲的前沿，负脉冲对应触发脉冲的后沿，触发脉冲的宽度由正、负脉冲触发信号的时延决定；

所有开关器件组件各自形成一个扇型区域，安装在一个正方形电路板上；以该电路板的中心为基准圆心，把该电路板等分成N+1个扇区，N是该开关器件组件的个数，每个扇区放置一个该开关器件组件，多出的一个扇区为串联的固态开关器件头尾的绝缘隔离区域；该触发变压器采用圆环形铁芯，且安装于该电路板的中心并有N个次级绕组，N个次级绕组分别连接到N个开关器件组件的电子开关电路。

2.根据权利要求1所述的刚性固态调制开关模块，其特征是：该固态开关器件为MOSFET或IGBT。

3.根据权利要求1所述的刚性固态调制开关模块，其特征是：该静态均压电路包括电阻R2，电阻R2的两端并联在该固态开关器件的源极与漏极之间。

4.根据权利要求1所述的刚性固态调制开关模块，其特征是：该动态均压电路包括二极管D、电阻R1、电容C；电容C的一端经由电阻R1连接至该固态开关器件的漏极，电容C的另一端连接至该固态开关器件的源极，二极管D并联在电阻R1的两端。

5.根据权利要求1所述的刚性固态调制开关模块，其特征是：

该电路板的中心开设有一个圆孔，该圆孔与该触发变压器同心，该触发变压器的初级触发信号线在穿过该触发变压器的铁芯时还穿过该圆孔。

6.根据权利要求1所述的刚性固态调制开关模块，其特征是：该刚性固态调制开关模块还包括散热器，该散热器固定在该电路板上。

7.根据权利要求6所述的刚性固态调制开关模块，其特征是：该散热器采用圆柱形散热器，该散热器上设置供该固态开关器件安装的平台，该平台形状与该固态开关器件的形状、大小相同，该平台高度为该电路板的厚度；该固态开关器件固定在平台上且引线焊接在该电路板上，该散热器上开设若干圆形沟槽。

8.一种组合电路，其包括根据权利要求1至6中任意一项所述的若干刚性固态调制开关模块，其特征是：该若干刚性固态调制开关模块串联、并联或串联与并联的组合。

9.根据权利要求8所述的组合电路，其特征是：每个刚性固态调制开关模块采用1个圆环形铁芯绕制触发变压器；该组合电路由一根触发电缆穿过一个或多个模块的触发变压器中心，同时给各个模块馈送触发信号；在每个触发变压器的次级具有多组相同的隔离的绕组，分别给每个开关器件馈送触发信号，实现这些串联的固态开关器件的同步触发。