CN105141293B

CN105141293B - 一种基于rsd的脉冲电源模块

Info

Publication number: CN105141293B
Application number: CN201510607957.7A
Authority: CN
Inventors: 梁琳; 王石磊; 陈材
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: CN105141293A

Abstract

本发明公开了一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特点在于，主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD是采用环围铜箔固定在PCB上的；本发明通过将RSD功率开关与充电电源、电容器和磁开关集成在PCB上，使各元件协调工作，减小导线长度，从而降低电源本身的寄生电感等杂散参数，提高RSD的通态电流上升率di/dt；另外，采用环围铜箔焊接固定RSD，一方面有利于加速RSD散热，另一方面增加了PCB上的电流通道，具有平均分配电流走向的作用，提高了脉冲电源模块的通流能力。

Description

一种基于RSD的脉冲电源模块

技术领域

本发明属于高功率高密度脉冲技术领域，更具体地，涉及一种基于RSD的脉冲电源模块。

背景技术

高功率脉冲电源(兆瓦级电源)是将储存的高密度能量进行快速的压缩、转换或直接释放给负载，在受控热核聚变、高压除尘，有机废水处理等领域有广泛应用；现有技术中的脉冲功率电源技术利用电容储能放电方式，大多数采用机械式火花隙或无触点离子器件如氢闸流管作为放电开关。在开关开通过程中，开关必须承受较大的通态电流上升率di/dt。在国防、经济等领域的推动下，开关的通态电流上升率di/dt的增长将接近开关的工作极限，开关的性能大大限制了该领域的进步。

近年来，反向开关晶体管(RSD)、脉冲晶闸管、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等半导体开关逐渐进入脉冲功率领域；火花隙开关耐压高，通流大，但使用寿命短；绝缘栅双极性晶体管可承受高速开关，耐压高，通流强，是电力电子领域的重要半导体器件，但价格相对较贵；晶闸管可耐高压，耐大电流，但开关速度较慢。

RSD是新一代高功率脉冲器件，工作稳定性和触发分散性好，耐高压大电流，使用寿命长；但在现有技术中，是通过导线或铜排将分立器件连接组成脉冲系统，形成RSD开关，电路杂散参数较大，RSD的通态电流上升率di/dt远低于其通态电流上升率di/dt耐量的极限(100kA/μs)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于RSD的脉冲电源模块；其目的在于采用铜箔环围固定RSD的封装方式，降低高功率脉冲电源的杂散电感，进而提升高功率脉冲电源主电路的通态电流上升率di/dt。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管预充电容、预充电感和控制模块；其中主电容、磁开关、RSD与负载构成主电路；预充电容、预充电感、开关管与RSD构成预充电路；其特点在于，主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD是采用环围铜箔固定在PCB上；

其中，磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端，主电容阴极通过负载接地；RSD阴极接地；开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接地，另一端连接开关管的发射极；

其中，主电容作为脉冲电源模块的主要放电电容，该电源的输出电流由主电容通过RSD放电获得；磁开关用于在预充电容为RSD预充时，阻断主电容对RSD放电；充电电源用于为主电容和预充电容充电；在充电电源对主电容及预充电容充电完毕后，脉冲电源放电前，主电容的阳极、RSD的阳极、开关管的集电极等电位；开关管是整个高功率脉冲电源的开关；预充电容与预充电感组成并联谐振电路，为RSD预充；控制模块用于控制充电电源与开关管的时序；

在PCB布局上，PCB上设有用于放置磁开关的开口；磁开关卡放在该开口内；RSD的阴极焊接在PCB的一面上，主电容设置在该面PCB的一端，预充电容设置在该面PCB的另一端；环围铜箔具有一个顶端面与至少两个引脚，其顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊接在一起；环围铜箔的引脚焊接在该面PCB上；环围铜箔起到连接RSD的阳极与PCB正面的作用；磁开关与主电容和RSD之间通过铜条连通：主电容的阳极在PCB的另一面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关，铜条另一端在该面PCB上通过铺铜及过孔与环围铜箔的引脚相接；

预充电容的阳极通过铺铜连接开关管的集电极和RSD的阳极；在开关管的发射极与RSD的阴极之间的PCB上环形铺铜，形成预充电感，开关管的发射极通过该环形铺铜连接RSD的阴极，预充电容的阴极通过铺铜与RSD阴极相连；

为满足在PCB上通大电流的要求，在上述布局的基础上对各网络做覆铜处理，提供PCB的安全性能。

优选的，环围铜箔的顶端面直径大于RSD的直径，为保证确保RSD的阳极与阴极绝缘。

优选的，环围铜箔的各引脚的上端与环围铜箔的顶端面垂直，下端与PCB垂直抵接。

优选的，所述的开关芯片为硅基RSD或碳化硅基RSD。

优选的，RSD呈饼状，厚度为14mm～27mm，直径为41mm～110mm；环围铜箔采用0.3mm～1mm厚度的铜制成，具有顶端面和4个引脚，其顶端面直径为46mm～120mm，引脚宽15mm～40mm，高14mm～27mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的基于RSD的脉冲电源模块，其电源输出功率可达兆瓦级(测试电压KV，电流KA，功率达MW)，将RSD功率开关与充电电源、电容器、磁开关等器件集成在PCB上，使各元件协调工作，减小导线长度，从而降低了该脉冲电源本身的寄生电感等杂散参数，提高RSD的通态电流上升率di/dt；相同条件下，这种方式的集成比现有技术中的回路具有更高的通态电流上升率di/dt；

2、本发明提供的基于RSD的脉冲电源模块，首创地采用铜箔环围的方式焊接固定RSD；环围铜箔如同具有至少有两个引脚的盖子，覆盖在RSD上，连通RSD的阳极与PCB；

一方面，环围铜箔顶端面光滑平整，有利于贴散热片，具有加速RSD散热的作用，其高效的散热性能首次在脉冲功率电源模块内实现了重复频率；

另一方面，环围铜箔的引脚与PCB上的铺铜相连，增加了PCB上的电流通道，具有平均分配电流走向的作用，实现了在PCB上通大电流的目的，提高了脉冲电源的通流能力；

又一方面，保证了RSD的机械性能，使之紧固的置于PCB上，避免其脱落的风险；

3、本发明提供的基于RSD的脉冲电源模块，通过PCB的集成封装，实现了脉冲功率装置的集成化、模块化；与现有的技术相比，很大程度上减小了脉冲电源的体积，提高了脉冲电源的输出电流密度，将脉冲功率装置推向了便捷化和小型化。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的正视图；

图2是本发明实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的三维示意图；

图3是本发明实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的封装结构电路原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-PCB，2-主电容，3-磁开关，4-环围铜箔，5-开关芯片，6-充电电源，7-IGBT，8-预充电容。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块，其封装结构如图1所示；包括PCB 1以及集成在PCB1上的主电容2，磁开关3，环围铜箔4，RSD 5，充电电源6，开关管7、预充电容8预充电感和控制模块；在实施例里1，开关管采用IGBT；

图2是实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的三维示意图，从图2可以看出，主电容2设置在PCB 1一端；磁开关3与主电容2和RSD5通过铜条连通：主电容2的阳极在PCB 1的背面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关3，铜条另一端在PCB 1背面通过铺铜及过孔与固定在PCB1正面的环围铜箔4的4个引脚相接，主电容2的阴极在PCB 1的正面通过铺铜与RSD 5的阴极相连；环围铜箔4的顶端面覆盖在RSD 5的阳极上，RSD 5的阳极与环围铜箔4的顶端面通过回流焊焊接；RSD 5的阴极焊在PCB 1正面上；

预充电容8设置在PCB 1的另一端，预充电容8的阳极通过铺铜连接IGBT 7的集电极，预充电容8的阴极通过铺铜与RSD 5的阴极相连；IGBT7的发射极通过铺铜连接RSD 5的阴极；预充电感通过在PCB 1上环形铺铜获得，设置在IGBT 7的发射极与RSD 5之间；环围铜箔如同具有4个引脚的盖子，连通RSD 5的阳极与PCB 1；

主电容2为脉冲电源的主要放电电容，输出电流由该电容通过RSD 5放电获得；磁开关3套在主电路中，用于在预充电容8为RSD 5预充时，阻断主电容2对RSD 5放电；环围铜箔4用来连接RSD 5的阳极与PCB 1的正面，同时起固定RSD 5的作用；充电电源6同时为主电容2和预充电容8充电；IGBT 7为整个脉冲电源的开关；预充电容8与预充电感组成并联谐振电路，为RSD 5预充；

在充电电源6对主电容2及预充电容8充电完毕后，脉冲电源放电前，主电容2的阳极，RSD 5的阳极，IGBT 7的集电极等电位；磁开关3套在主电容2的阳极与RSD5阳极的连接线上；RSD 5的阴极与预充电容8的阴极与地相连，主电容2的阴极通过负载与地相连，IGBT7的发射极通过预充电感与地相连；

该脉冲电源模块工作时，控制模块开通充电电源6，充电电源6同时为主电容2与预充电容8充电；充电完成后，控制模块关闭充电电源6，开通IGBT 7，预充电容8与预充电感组成的谐振电路反向为RSD 5提供预充电流，由于磁开关的未饱和之前的阻断作用，预充时主电容2无法对RSD 5放电；预充完毕后，磁开关3饱和，主电容2完成对RSD 5的放电。

实施例1中，为避免主电路大电流对控制模块的干扰，控制模块单独成板，由通用IGBT驱动电路以及TMS320X28系列DSP构成，DSP输出两路互补的PWM波，分别送往预充电源6和IGBT 7的驱动电路，当预充电源6收到高电平信号时，IGBT7收到与之互补的低电平信号；充电时IGBT断开，充电完毕IGBT导通，脉冲电源开始工作，通过时序的控制充电电源6和IGBT7的通断，实现脉冲电源的重频工作；

实施例1中，RSD 5与环围铜箔4和PCB 1的焊接采用回流焊接工艺，焊锡采用含铅类焊料，材质软，有利于减少热应力；其中，RSD 5呈饼状，厚度为14mm，直径为41mm；环围铜箔4所用的铜厚0.3mm，为保证RSD5的阳极与阴极绝缘，环围铜箔4的顶端面直径大于RSD 5的直径，并在保证安全绝缘距离的情况下使得直径最小；

实施例1中，依据国际电子工业连接协会制定的安全标准IPC-9592，在实验等级电压1000V下，环围铜箔4的顶端面直径取46mm；根据IPC-D-275，在实验电流等级脉宽1μs、峰值2.8KA下，环围铜箔4的4个引脚均宽15mm、高14mm；为保证电气、机械可靠性，环围铜箔4的各个引脚的上端与环围铜箔4的顶端面垂直，其下端与PCB 1垂直抵接。

实施例1中，主电容2与预充电容8容值均为1μF，耐受电压均为1200V，预充电感的感值为400nH；RSD为Si基RSD。

实施例1提供的高功率脉冲电源的电路原理图如图3所示，主电路中，开关芯片RSD的阳极连接磁开关MS的一端，磁开关MS的另一端连接主电容C₁的一端，电容C₁的另一端与RSD 5的阴极外接负载Z；预充电路采用谐振预充方式；电源在控制模块的控制下为主电容C₁，预充电容C₂充电，充电完毕后电源断开，触发导通IGBT，完成RSD的放电过程。

对于RSD器件而言，其预充电流与流过的di/dt存在如下关系：

其中，I_c为预充电流，Q_c为预充电荷，t_c为预充时间，A是RSD器件的结构参数，为0.5×10^-12～1.5×10^-12s²，di/dt为流过RSD的电流上升率即主回路电流上升率。

对于预充触发电路而言，通常是通过良好的预充来增大主回路di/dt；对于本发明而言，则是通过减小主回路的电感来增大主回路di/dt，通过有限元电感仿真软件可获知实际电路中导线的杂散电感，导线的电感主要由其长度和宽度决定，厚度对其的影响不大；在实施例1中，在PCB上对不同的网络分别覆铜，合理规划PCB面积，使得电流通道宽而短，大大减小了主回路中的杂散电感，起到提升主回路的di/dt的作用。

磁开关用于在预充触发电路给RSD预充电流时，阻断主回路电流，其阻断时间t_s满足如下关系：

其中，ΔB为磁开关线圈磁通变化量，N_k为线圈匝数，A_k为磁芯面积，V_k为磁开关电压。

本发明提供的基于RSD的脉冲电源的参数根据RSD开通时所需的临界预充电荷以及磁开关的阻断时间与磁开关体积确定；以下是实施例2与实施例3里RSD以及环围铜箔的参数列表；

实施例2～实施例3参数列表

实施例2、实施例3与实施例1的区别在于脉冲电源采用的RSD的管芯参数不同，实施例1采用的RSD的管芯为1英寸，而实施例2采用的RSD的管芯为2英寸，实施例3采用的RSD的管芯为3英寸，RSD管芯的尺寸越大，相应的RSD封装外形越大，RSD的耐压等相关参数越高，脉冲电源的输出电流以及重复频率越高；由于RSD的尺寸的变化，覆盖RSD的环围铜箔的参数随之相应变化。

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

1.一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特征在于，所述主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD采用环围铜箔固定在PCB上；

所述磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端；主电容阴极通过负载接地；RSD阴极接地；所述开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接地，另一端连接开关管的发射极；

PCB上设有用于放置磁开关的开口；所述磁开关卡放在该开口内；RSD的阴极焊接在PCB的一面上；所述主电容和预充电容分别设置在该面PCB的左右两侧；所述环围铜箔具有一个顶端面与至少两个引脚，所述顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊接在一起；环围铜箔的引脚焊接在该面PCB上；

所述磁开关与主电容和RSD之间通过铜条连通：主电容的阳极在PCB的另一面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关，铜条另一端通过铺铜及过孔与环围铜箔的引脚相接；

预充电容的阳极通过铺铜连接开关管的集电极和RSD的阳极，预充电容的阴极通过铺铜与RSD阴极相连；预充电感通过在开关管发射极与RSD的阴极之间的PCB上环形铺铜形成。

2.如权利要求1所述的脉冲电源模块，其特征在于，所述环围铜箔的顶端面直径大于RSD的直径。

3.如权利要求1所述的脉冲电源模块，其特征在于，所述环围铜箔的各引脚的上端与环围铜箔的顶端面垂直，下端与PCB垂直抵接。

4.如权利要求1所述的脉冲电源模块，其特征在于，所述RSD为硅基RSD或碳化硅基RSD。

5.如权利要求1所述的脉冲电源模块，其特征在于，所述RSD呈饼状，厚度为14mm～27mm，直径为41mm～110mm；所述环围铜箔采用0.3mm～1mm厚度的铜制成，具有顶端面和4个引脚，其顶端面直径为46mm～120mm，引脚宽15mm～40mm，高14mm～27mm。