CN106936416A - 一种反向开关晶体管触发电路 - Google Patents

一种反向开关晶体管触发电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种反向开关晶体管触发电路，属于半导体开关技术领域。它解决了现有半导体开关结构复杂等技术问题。一种反向开关晶体管触发电路包括充电电路、放电主电路和RSD触发电路；充电电路与放电主电路并联，放电主电路与RSD触发电路并联，充电电路包括充电电源。本发明具有结构简单等优点。

Description

一种反向开关晶体管触发电路
技术领域
本发明属于半导体开关技术领域，涉及一种反向开关晶体管触发电路。
背景技术
20世纪80年代，前苏联院士I.V.Grekhov发明的反向开关晶体管(ReverselySwitched Dynistor,RSD)可以实现高di/dt大电流微秒开通。基于RSD的重复频率脉冲功率电源在环境保护、食品保鲜、军事、工业加工等领域有着广泛的应用前景。RSD器件是一种由数万个晶闸管与晶体管元胞相间并联排列的器件，没有普通晶闸管的控制极，采用可控等离子体层触发方式，反向注入触发电流，在整个芯片面积上实现了同步均匀导通，从器件原理上消除了普通晶闸管器件存在的开通局部化现象，可以实现高di/dt微秒开通，同时在短时间内通过很大的电流。
基于RSD的高功率脉冲放电系统的总体框图如图1所示，分为充电电路、主电路(主回路)、RSD触发电路及控制电路等四部分。充电电路、主电路(主回路)和RSD触发电路依次串联连接。
主电路的主要功能是向负载释放脉冲大电流，是系统的核心，其主要元器件包括放电电容、磁开关(可饱和电感)、半导体功率开关-RSD及负载。
充电电路的主要功能是将主电路的放电电容和RSD触发电路中的触发电容充电至工作电压，充电电路的两个输出端连接在主电路的放电电容的正极和负极。可采用的主流充电方案有恒压直流充电、LC谐振充电、LRC谐振充电、串联谐振恒流充电等方式，也可采用其他方式充电。
导通控制电路的主要功能是输出控制信号，实现充电电路及RSD触发电路中的半导体开关的导通及关断，并接受后两个电路反馈的电压、电流信号，用以调整控制信号的参数，从而实现重复频率放电。导通控制电路和RSD触发电路分别并联连接。
RSD触发电路的主要功能是实现开通RSD的功能，也是本发明要阐述的内容。
RSD开关的典型触发(预充)电路有直接预充、谐振预充、变压器升压预充等三种。单个RSD器件的预充方式有直接预充、谐振预充两种，采用直接预充开通方式开通效率高，损耗小，充电电路结构较复杂，多应用于单次脉冲放电。谐振预充的能量损耗较大，但较直接预充更易于实现控制，更适用于重复频率脉冲放电。多只RSD器件串并联组成的RSD开关的预充可以采用直接预充、谐振预充和变压器升压预充等方式。根据不同实际应用的需要，采用不同的RSD预充电路。
发明专利《一种反向开关晶体管的触发电路》(专利号为CN201310109983.8)采用H桥式触发电路用于低压大电流RSD器件的触发，预充电容的充电和放电分别由H桥的两组对角线晶闸管开关或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)开关控制，与传统预充电路相比，该电路结合了直接触发和谐振触发电路的优点，提高了RSD的预充效率。但是，与传统预充电路相比，该电路增加了三个半导体预充开关，预充电路的控制系统更复杂，显著增加了预充开关的成本，而且只适用于低压RSD开关的触发，降低了改进型电路的实用性。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种反向开关晶体管触发电路，本发明所要解决的技术问题是简化结构、提高RSD的预充效率。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述触发电路包括充电电路、放电主电路和RSD触发电路；所述充电电路与放电主电路并联，所述放电主电路与所述RSD触发电路并联，所述充电电路包括充电电源。
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述放电主电路包括第一放电电容C0、第一磁开关L、RSD开关、负载Z0；所述第一放电电容C0、第一磁开关L、RSD开关、负载Z0依次串联；所述充电电源的输出正极连接第一放电电容C0的正极，充电电源的输出负极连接第一放电电容C0的负极。
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述RSD触发电路包括第一深能级晶体管(Deep level dynistor，DLD)的开关K21、第二深能级晶体管的开关K22、第二磁开关L21、第三磁开关L22、第二放电电容CC和脉冲电源；所述第二磁开关L21和第三磁开关L22连接，第三磁开关L22和第一深能级晶体管的开关K21串联，第二磁开关L21和第二深能级晶体管的开关K22的连接公共点与第二放电电容CC的正极连接，第三磁开关L22和第一深能级晶体管的开关K21的连接公共点与第二放电电容CC的负极连接，第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的导通电路—脉冲电源的输出正极连接第一深能级晶体管的开关K21的正极和第二磁开关L21的另一端，第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的导通电路—脉冲电源的输出负极连接第二深能级晶体管的开关K22的负极和第三磁开关L22的另一端。
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述RSD触发电路的输出正极连接放电主电路的正极，RSD触发电路的输出负极连接放电主电路的负极；其中，所述连接放电主电路的正极和负极是指连接放电主电路中的RSD开关的正极和负极。
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述第二磁开关L21和第三磁开关L22包括导线和磁性材料，所述第二磁开关L21和第三磁开关L22均由所述导线在所述磁性材料的磁芯上缠绕若干圈组成。
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述磁性材料为铁氧体或环形微晶铁氧体薄膜。
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述脉冲电源的开关为半导体功率开关，
在上述的一种反向开关晶体管触发电路中，所述脉冲电源的开关为晶闸管或IGBT。
本发明基于脉冲电压导通原理的反向开关晶体管触发电路，具有以下有益效果：本发明针对现有RSD触发电路的不足，提出基于磁开关和DLD的H桥触发电路，同时具有直接预充和谐振预充的优势，并避免了这两种触发电路的缺点，减少了放电延时元件-磁开关L的磁芯体积和成本，降低了L的损耗及饱和电感，有利于提高电路的di/dt，同时。本发明同时适用于KV电压量级及10KV电压量级的RSD触发电路。
附图说明
图1为现有技术中基于RSD的高功率脉冲放电系统的总体框图；
图2为本发明基于RSD的触发电路的电路原理图；
图3为本发明中第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的触发导通示意图；
图4为本发明中RSD的触发导通示意图；
图5为本发明中第一放电电容C0正向放电示意图；
图6为本发明中基于RSD和磁开关的RSD触发电路具体应用示意图；
图7为本发明中双晶闸管同步驱动电路应用示意图；
图8为本发明中晶闸管的触发电流波形示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
参见图2至图8，本发明为反向开关晶体管触发电路，触发电路包括充电电路、放电主电路和RSD触发电路；充电电路与放电主电路并联，放电主电路与RSD触发电路并联，充电电路包括充电电源。
放电主电路包括第一放电电容C0、第一磁开关L、RSD开关、负载Z0；第一放电电容C0、第一磁开关L、RSD开关、负载Z0依次串联；充电电源的输出正极连接第一放电电容C0的正极，充电电源的输出负极连接第一放电电容C0的负极。
RSD触发电路包括第一深能级晶体管的开关K21、第二深能级晶体管的开关K22、第二磁开关L21、第三磁开关L22、第二放电电容CC和脉冲电源；第二磁开关L21和第三磁开关L22连接，第三磁开关L22和第一深能级晶体管的开关K21串联，第二磁开关L21和第二深能级晶体管的开关K22的连接公共点与第二放电电容CC的正极连接，第三磁开关L22和第一深能级晶体管的开关K21 的连接公共点与第二放电电容CC的负极连接，第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的导通电路—脉冲电源的输出正极连接第一深能级晶体管的开关K21的正极和第二磁开关L21的另一端，第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的导通电路—脉冲电源的输出负极连接第二深能级晶体管的开关K22的负极和第三磁开关L22的另一端。
RSD触发电路的输出正极连接放电主电路的正极，RSD触发电路的输出负极连接放电主电路的负极。
连接放电主电路的正极和负极是指连接放电主电路中的RSD开关的正极和负极。
第二磁开关L21和第三磁开关L22分别由导线在铁氧体或环形微晶铁氧体薄膜或其他磁性材料的磁芯上缠绕若干圈组成。
脉冲电源的开关可以采用晶闸管、IGBT或其他半导体功率开关。
deep-level dynistors(DLD。没有标准的中文名称，按照英文直接翻译为深能级晶体管)是一种两端器件，基本结构是(正极)p+-N-p-n+(负极)。当在正极施加一个冲击电压(>1KV/ns)时，DLD延迟1-2ns正向导通。本发明的基本方案为基于DLD和磁开关的H桥触发电路，其原理叙述如下。
A、基于DLD和磁开关的H桥触发电路
原理图如图2所示。K21、K22为DLD开关；电路的工作电压为V0，充电电路将C0和CC充电至工作电压V0；L21和L22采用环形微晶铁氧体薄膜卷绕组成的磁芯，在磁芯上缠绕若干圈线圈，以确保足够长的延迟时间；充电过程中，L21、L22的饱和状态和非饱和状态对充电过程基本没有影响，对两个电容的最终充电电压没有影响。
充电电源的输出正极连接放电主电路的放电电容的正极，充电电源的输出负极连接放电电容的负极。
放电主电路：放电电容C0(存储电能，向负载Z0放电)和L(延迟导通，确保RSD正常导通)、RSD开关、负载Z0依次串联。
RSD触发电路的输出正极连接RSD开关的正极，输出负极连接高阶RSD开关的负极。RSD触发电路中，L21和K22串联，L22和K21串联，L21和K22的连接公共点与CC的正极连接，L22和K21的连接公共点与CC的负极连接，K21、K22的导通电路—脉冲电源的输出正极连接K21的正极及L21的另一端，K21、K22的导通电路—脉冲电源的输出负极连接K22的负极及及L22的另一端。
B、电路的工作过程分为三个阶段：
1、K21、K22的触发导通：脉冲电源输出一个冲击电压(>1KV/ns)，施加在K21、K22上，两个开关延迟1-2ns正向导通，并形成脉冲电流i1；磁开关L21和L22始终为非饱和状态。
2、RSD的触发导通：当脉冲电源输出的电压小于CC的电压时，C0和CC开始放电。C0放电时，由于磁开关L未饱和，L的阻抗很大，因此C0的放电电流很小；CC的放电路径为CC-K22-RSD-K21-CC，电流走向如图4所示；CC的电压施加在RSD上，形成RSD的反向预充电流i2，磁开关L21和L22始终为非饱和状态。
3、C0正向放电：L饱和后，C0通过RSD放电，在负载Z0上形成所需的脉冲电流，电流走向如图5所示。当L21和L22饱和后，CC的放电路径为CC-K21-L21-CC，以及CC-K22-L22-CC。RSD流过的电流只有C0的正向脉冲电流i3。
C、基于DLD和磁开关的触发电路的实例电路
实例电路图如图6所示，对脉冲电源的基本要求是输出高dv/dt的脉冲电压，脉冲电压的一般是C0电压的1.5-2倍，具体数值根据实际应用而确定。
脉冲电源的电路拓扑可以是任何满足电路要求的各种类型重复频率脉冲电源，脉冲电源的开关可以采用晶闸管、IGBT或其他半导体功率开关。本发明采用基于晶闸管的脉冲电源。本脉冲电源分为充电电路和放电电路两部分。充电电源如前所述。脉冲电源包括放电电容CS、磁开关LS、升压变压器T、二极管类两端器件DOS(diode opening switches二极管断路开关)、半导体功率开关KS。KS也可以是IGBT、MOSFET或其他三端半导体功率器件。脉冲电源的工作过程简述如下：驱动电路导通KS，LS延时饱和后，CS通过LS、KS及变压器T放电，T高压侧通过DOS向CS1充电，T饱和后，CS1放电，DOS承受反向电压关断，其关断时间为ns量级，CS1的电压快速施加在K21、K22上，形成冲击电压，导通K21、K22。
L21、L22由导线在铁氧体或环形微晶铁氧体薄膜或其他磁性材料的磁芯上缠绕若干圈组成。
D、半导体开关Ks的驱动电路
双晶闸管同步驱动电路用于驱动开关Ks，使整个电路系统开始工作，电路图如图7所示，可同步开通两个晶闸管，也可只驱动一个晶闸管。单片机的脉冲信号驱动电流较小(mA量级)，不能直接驱动IGBT，需要使用专用驱动芯片驱动IGBT。TLP521为光偶器件，用于传输开关信号，隔离驱动电路与低压控制电路；IR2110为IGBT驱动芯片，其最大耐压为500V，通流能力为2A，输出驱动电压为10～20V，开通时间、关断时间和延时时间分别为120ns，94ns，10ns。在同一个环形铁氧体磁芯上绕制一个原边、两个副边线圈组成触发变压器T2(和升压变压器T是两个不同类型及作用的变压器)，可实现串联晶闸管的同步导通。IR2110输出的高电平输入到IGBT栅极，IGBT导通，直流电源在脉冲变压线圈原边产生一个快速上升的电流脉冲，此电流脉冲在T2的副边产生两个快速上升的高幅值门极驱动电流，强触发晶闸管，增强晶闸管的高di/dt电流通流能力。由于IGBT关断速度很快，所以在IGBT关断时，由于关断电流的di/dt作用，而使T2原边电感在IGBT两端的产生很大的电压，从而击穿IGBT。因此IGBT触发电路中加入了由电容、电阻和二极管DOS组成的缓冲电路，并且在IGBT发射极和集电极上并联了一个稳压二极管。IGBT关断时，T2原边电流在电感的作用下逐渐减小，IGBT集电极的电位升高，二极管DOS导通，T2原边线圈电感存储的能量通过缓冲回路释放，使IGBT的集电结电位不会上升到击穿电压，从而实现IGBT的关断保护。
两支晶闸管的同步触发电路的触发电流实验结果如图8所示，t＝2μs时，1#晶闸管和2#晶闸管的门极驱动电流分别为6.7A、5.9A，串联晶闸管的同步触发性较好，基本满足要求。
上述部分专业代名词做如下解释：
1、IGBT开关含义中文名；
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，也是一种三端器件：栅极，集电极和发射极。
2、DLD-两端器件中文名称；
deep-level dynistors(DLD。没有标准的中文名称，按照英文直接翻译为深能级晶体管)
3、di/dt-中文含义；电流上升率
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述触发电路包括充电电路、放电主电路和RSD触发电路；所述充电电路与放电主电路并联，所述放电主电路与所述RSD触发电路并联，所述充电电路包括充电电源。
2.根据权利要求1所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述放电主电路包括第一放电电容C0、第一磁开关L、RSD开关、负载Z0；所述第一放电电容C0、第一磁开关L、RSD开关、负载Z0依次串联；所述充电电源的输出正极连接第一放电电容C0的正极，充电电源的输出负极连接第一放电电容C0的负极。
3.根据权利要求2所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述RSD触发电路包括第一深能级晶体管(Deep level dynistor，DLD)的开关K21、第二深能级晶体管的开关K22、第二磁开关L21、第三磁开关L22、第二放电电容CC和脉冲电源；所述第二磁开关L21和第三磁开关L22连接，第三磁开关L22和第一深能级晶体管的开关K21串联，第二磁开关L21和第二深能级晶体管的开关K22的连接公共点与第二放电电容CC的正极连接，第三磁开关L22和第一深能级晶体管的开关K21的连接公共点与第二放电电容CC的负极连接，第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的导通电路—脉冲电源的输出正极连接第一深能级晶体管的开关K21的正极和第二磁开关L21的另一端，第一深能级晶体管的开关K21和第二深能级晶体管的开关K22的导通电路—脉冲电源的输出负极连接第二深能级晶体管的开关K22的负极和第三磁开关L22的另一端。
4.根据权利要求3所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述RSD触发电路的输出正极连接放电主电路的正极，RSD触发电路的输出负极连接放电主电路的负极；其中，所述连接放电主电路的正极和负极是指连接放电主电路中的RSD开关的正极和负极。
5.根据权利要求4所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述第二磁开关L21和第三磁开关L22包括导线和磁性材料，所述第二磁开关L21和第三磁开关L22均由所述导线在所述磁性材料的磁芯上缠绕若干圈组成。
6.根据权利要求5所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述磁性材料为铁氧体或环形微晶铁氧体薄膜。
7.根据权利要求4所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述脉冲电源的开关为半导体功率开关。
8.根据权利要求7所述一种反向开关晶体管触发电路，其特征在于，所述脉冲电源的开关为晶闸管或IGBT。
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