CN105958989A - 高压纳秒级上升沿mosfet电子开关 - Google Patents

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陈鹏
于辉
黄学军
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/691—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling

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Abstract

本发明公开一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，包括：方波发生器、推挽电路、高压MOS管、加速网络单元、耦合变压器和功率管阵列，所述方波发生器与推挽电路的输入端连接，所述高压MOS管的栅极连接到推挽电路的输出端，所述高压MOS管的源极和漏极位于接地和加速网络单元之间，所述功率管阵列的正、负输出端用于连接外接负载；所述耦合变压器初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，所述加速网络单元与耦合变压器的初级线圈连接，耦合变压器的每个次级线圈均与对应的功率管支路连接。本发明获得令人满意的dvGS/dt性能，满足上升沿要求，而且驱动电压也被限制在器件手册允许的范围之内，从而大大提高了电子开关的长期使用寿命和可靠性。

Description

高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关
技术领域
本发明属于电力电子器件应用技术领域，尤其涉及一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关。
背景技术
电子开关是指利用电子电路以及电力电子器件实现电路通断的运行单元。现有电子开关多采用“过驱动技术”，也就是说驱动电压远远高于器件规定的耐受水平（高达5倍以上）。对于纳秒级电子开关应用，传统上多采用“过驱动”技术产生快速上升前沿。但是，这种电路会造成MOSFET器件栅极过压损伤，容易带来可靠性问题。这种设计方法带来的直接后果就是电子开关的使用寿命急剧下降。原因是电子开关栅极寿命是随着驱动电压升高而指数下降的。
发明内容
本发明目的是提供一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，该高压高频电子开关获得令人满意的dvGS/dt性能，满足上升沿要求，而且驱动电压也被限制在器件手册允许的范围之内，从而大大提高了电子开关的长期使用寿命和可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，包括：方波发生器、推挽电路、高压MOS管、加速网络单元、耦合变压器和功率管阵列，所述方波发生器与推挽电路的输入端连接，所述高压MOS管的栅极连接到推挽电路的输出端，所述高压MOS管的源极和漏极位于接地和加速网络单元之间，所述功率管阵列的正、负输出端用于连接外接负载；
所述推挽电路包括第一功率MOS管、第二功率MOS管和第三功率MOS管，第二功率MOS管与第三功率MOS管并联，第一功率MOS管与第二功率MOS管和第三功率MOS管串联；所述加速网络单元由并联的Rk电阻和Ck电容并联组成；
所述耦合变压器初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，所述功率管阵列由至少2路功率管支路并联组成，此功率管支路由至少2个功率管串联组成，所述加速网络单元与耦合变压器的初级线圈连接，耦合变压器的每个次级线圈均与对应的功率管支路连接。
上述技术方案中进一步改进方案如下：
1. 上述方案中，所述耦合变压器中初级线圈与加速网络单元相背的一端连接由高压电源，此高压力电源的电压为200~500伏。
2. 上述方案中，所述次级线圈和功率管支路的数目均为4个，每个所述功率管支路由4个功率管串联连接。
3. 上述方案中，所述耦合变压器的每个次级线圈的高电位输出端均与每个功率管支路中对应的功率管的栅极连接，耦合变压器的每个次级线圈的低电位输出端均与每个功率管支路中对应的功率管的源极连接，并联的功率管支路中漏极和源极分别用于连接所述外接负载。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，其由并联的Rk电阻和Ck电容并联组成的加速网络单元位于和推挽电路和耦合变压器之间，且加速网络单元与推挽电路通过高压MOS管连接，不仅可以获得令人满意的dvGS/dt性能，满足上升沿要求，而且驱动电压也被限制在器件手册允许的范围之内，从而大大提高了电子开关的长期使用寿命和可靠性，经过RC网络加速后，高压驱动信号通过耦合变压器施加到MOSFET阵列开关，可以满足任意电压、任意功率等级电子开关应用，且不仅简化了电路结构，而且还增加了电子开关可靠性；其次，其栅极高电位隔离技术。耦合变压器的低压侧电位钳制在功率管源极，采用变压器浮地技术，实现了驱动电路与高压回路的绝缘问题。
附图说明
附图1为本发明MOSFET电子开关局部结构示意图一；
附图2为本发明MOSFET电子开关局部结构示意图二。
以上附图中：1、方波发生器；2、推挽电路；3、高压MOS管；4、加速网络单元；5、耦合变压器；6、功率管阵列；61、功率管支路；611、功率管；7、高压电源。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，如附图所示，包括：方波发生器1、推挽电路2、高压MOS管3、加速网络单元4、耦合变压器5和功率管阵列6，所述方波发生器1与推挽电路2的输入端连接，所述高压MOS管3的栅极连接到推挽电路2的输出端，所述高压MOS管3的源极和漏极位于接地和加速网络单元4之间，所述功率管阵列6的正、负输出端用于连接外接负载；
所述推挽电路2包括第一功率MOS管21、第二功率MOS管22和第三功率MOS管23，第二功率MOS管22与第三功率MOS管23并联，第一功率MOS管21与第二功率MOS管22和第三功率MOS管23串联；所述加速网络单元4由并联的Rk电阻和Ck电容并联组成；
所述耦合变压器4初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，所述功率管阵列6由至少2路功率管支路61并联组成，此功率管支路61由至少2个功率管611串联组成，所述加速网络单元4与耦合变压器4的初级线圈连接，耦合变压器4的每个次级线圈均与对应的功率管支路61连接。
上述耦合变压器4中初级线圈与加速网络单元4相背的一端连接由高压电源7，此高压力电源7的电压为400伏。
所述耦合变压器4的每个次级线圈的高电位输出端均与每个功率管支路61中对应的功率管611的栅极连接，耦合变压器4的每个次级线圈的低电位输出端均与每个功率管支路61中对应的功率管611的源极连接，并联的功率管支路61中漏极和源极分别用于连接所述外接负载。
实施例2：一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，包括：方波发生器1、推挽电路2、高压MOS管3、加速网络单元4、耦合变压器5和功率管阵列6，所述方波发生器1与推挽电路2的输入端连接，所述高压MOS管3的栅极连接到推挽电路2的输出端，所述高压MOS管3的源极和漏极位于接地和加速网络单元4之间，所述功率管阵列6的正、负输出端用于连接外接负载；
所述推挽电路2包括第一功率MOS管21、第二功率MOS管22和第三功率MOS管23，第二功率MOS管22与第三功率MOS管23并联，第一功率MOS管21与第二功率MOS管22和第三功率MOS管23串联；所述加速网络单元4由并联的Rk电阻和Ck电容并联组成；
所述耦合变压器4初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，所述功率管阵列6由至少2路功率管支路61并联组成，此功率管支路61由至少2个功率管611串联组成，所述加速网络单元4与耦合变压器4的初级线圈连接，耦合变压器4的每个次级线圈均与对应的功率管支路61连接。
上述耦合变压器4中初级线圈与加速网络单元4相背的一端连接由高压电源7，此高压力电源7的电压为300伏。
上述次级线圈和功率管支路61的数目均为4个，每个所述功率管支路61由4个功率管611串联连接。
采用上述高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关时，其由并联的Rk电阻和Ck电容并联组成的加速网络单元位于和推挽电路和耦合变压器之间，且加速网络单元与推挽电路通过高压MOS管连接，不仅可以获得令人满意的dvGS/dt性能，满足上升沿要求，而且驱动电压也被限制在器件手册允许的范围之内，从而大大提高了电子开关的长期使用寿命和可靠性，经过RC网络加速后，高压驱动信号通过耦合变压器施加到MOSFET阵列开关，可以满足任意电压、任意功率等级电子开关应用，且不仅简化了电路结构，而且还增加了电子开关可靠性；其次，其栅极高电位隔离技术。耦合变压器的低压侧电位钳制在功率管源极，采用变压器浮地技术，实现了驱动电路与高压回路的绝缘问题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，其特征在于：包括：方波发生器（1）、推挽电路（2）、高压MOS管（3）、加速网络单元（4）、耦合变压器（5）和功率管阵列（6），所述方波发生器（1）与推挽电路（2）的输入端连接，所述高压MOS管（3）的栅极连接到推挽电路（2）的输出端，所述高压MOS管（3）的源极和漏极位于接地和加速网络单元（4）之间，所述功率管阵列（6）的正、负输出端用于连接外接负载；
所述推挽电路（2）包括第一功率MOS管（21）、第二功率MOS管（22）和第三功率MOS管（23），第二功率MOS管（22）与第三功率MOS管（23）并联，第一功率MOS管（21）与第二功率MOS管（22）和第三功率MOS管（23）串联；所述加速网络单元（4）由并联的Rk电阻和Ck电容并联组成；
所述耦合变压器（4）初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，所述功率管阵列（6）由至少2路功率管支路（61）并联组成，此功率管支路（61）由至少2个功率管（611）串联组成，所述加速网络单元（4）与耦合变压器（4）的初级线圈连接，耦合变压器（4）的每个次级线圈均与对应的功率管支路（61）连接。
2. 根据权利要求1所述的高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，其特征在于：所述耦合变压器（4）中初级线圈与加速网络单元（4）相背的一端连接由高压电源（7），此高压力电源（7）的电压为200~500伏。
3. 根据权利要求1所述的高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，其特征在于：所述次级线圈和功率管支路（61）的数目均为4个，每个所述功率管支路（61）由4个功率管（611）串联连接。
4. 根据权利要求1所述的高压纳秒级上升沿MOSFET电子开关，其特征在于：所述耦合变压器（4）的每个次级线圈的高电位输出端均与每个功率管支路（61）中对应的功率管（611）的栅极连接，耦合变压器（4）的每个次级线圈的低电位输出端均与每个功率管支路（61）中对应的功率管（611）的源极连接，并联的功率管支路（61）中漏极和源极分别用于连接所述外接负载。
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