CN107124090B - 应用于高压固态开关中的快速驱动电路、高压固态开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于高压固态开关的快速驱动电路，驱动变压器副边采用双绕组的绕线方式，实现对对应开关器件的导通、关断控制，驱动变压器包括原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组，所述驱动电路位于高压侧，其作用是在原边给定闭合指令后，能够快速为每路开关器件的栅极充电，从而保证高压固态开关迅速导通；而当给定关断指令后，驱动电路能够迅速将栅极电荷泄放掉，从而保证高压固态开关迅速关断。控制指令周期性地给定导通、关断信号，那么高压开关也会周期性地开关，从而可以为负载提供脉冲功率形式的功率。本发明提出的应用于高压固态开关中的驱动电路的优点主要包括：开关动作快速、可靠、体积小。

Description

应用于高压固态开关中的快速驱动电路、高压固态开关

技术领域

本发明属于高压开关技术领域，具体涉及一种高压固态开关的驱动电路及高压开关。

背景技术

高压固态开关，可应用于多种领域，如：电力系统断路器、高压医疗电源、雷达发射器、污水处理等脉冲功率。目前一些应用场合，需要高压固态开关具有快速，损耗低等特点，并需要控制、调节高压电源和高压负载之间导通、关断的开关频率和时间。传统的高压固态开关由于复杂的保护电路、较差的动态响应和较低的导通损耗等问题，导致输出电压压降大、带载能力低、故障响应速度慢，从而制约了的高压脉冲电源的整体输出性能。

传统的高压固态开关，一种是采用光耦方式实现控制信号从弱电侧传递到强电侧，但由于光耦在温度恶劣情况下，工作不稳定，不能应用于温度变化范围较宽的场合，同时该方案的安全隔离电压也会受到光耦自身规格的限制。另一种是采用隔离变压器进行信号传递，但控制信号开关频率调节能力差，而且导通、关断慢，所形成的脉冲功率速率低。综上这两种方案的高压固态开关应用受到了很大约束。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高压侧驱动电路，可依据弱电侧控制信号，迅速完成对各串联开关器件的充、放电，从而达到快速驱动高压固态开关的目标。采用该驱动方案的高压固态开关具有导通、关断可靠，响应速度快及开关频率调节范围宽等优点。

本发明具体通过如下技术方案实现：

每个驱动变压器副边采用双绕组的绕线方式，实现对相应串联器件的导通、关断控制。驱动变压器包括原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组，驱动电路包括第一二极管、第二二极管、第一三极管、第一电阻、第二电阻。第一副边绕组的同名端分别与第一二极管的正极、第一电阻的一端相连，第一副边绕组的异名端与第一电阻的另一端相连，第一二极管的负极与该驱动电路所对应的主功率开关管的栅极相连。第二副边绕组的异名端与第二二极管的正极相连，第二副边绕组的同名端与第一三极管的发射极相连，第二二极管的负极与第一三极管的基极相连，第一三极管的集电极通过第二电阻与主功率开关管的栅极相连，第一三极管的发射极还与主功率管的漏极相连。

针对实现快速控制高压固态开关，本发明中每个串联开关器件采用独立的驱动变压器和驱动电路。本发明中采用单匝导线穿过各驱动变压器，串芯导线作为所有驱动变压器的原边绕组。每个驱动变压器副边有两个绕组，一个绕组连接对应的驱动电路，当原边给定闭合指令后负责为对应串联器件充电、控制其导通。由于所有驱动变压器的原边给定的信号同步，因此各串联器件同时导通，即整体高压固态开关导通。变压器副边的另一绕组连接着另一个驱动电路，当原边给定关断指令后，该电路用于提供放电通路，控制其关断，即整体高压固态开关关断。

本发明由于采用串芯绕线方式作为所有隔离驱动变压器的原边，因此具有很强的驱动能力；本发明采用的高压侧驱动电路，可以快速实现对各串联器件的充、放电，因此高压开关具有快速的开关响应；本发明采用低导通损耗的MOSFET，导通情况下具有较低的导通损耗；本发明提出的驱动电路还可以实现每个串联功率器件的并联，从而进一步降低导通损耗；本发明提出的高压固态开关方案可实现宽范围调节开关频率和时间的能力。因此本发明方案中提及的高压侧驱动电路非常适用于高压电源为负载提供脉冲功率场合。

附图说明

图1是本发明的高压固态开关的电路结构示意图；

图2是三个开MOSFET串联的高压开关电路结构示意图；

图3是弱电侧调理电路拓扑结构；

图4是高压侧快速驱动电路拓扑结构。

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。

本发明的快速、宽调节频率的高压固态开关的电路结构如附图1所示，高压固态开关介于高压电源与负载之间，其中高压固态开关高压侧由多个串联的开关器件(S₁,S₂,…,S_n)组成，例如采用额定电压为1200V的SiC-MOSFET器件，当三个串联时可以承受3600V的电压，同时依据实际要求还可串联多个器件来承受更高的电压，而为了降低导通时的通态损耗，还可进行开关器件的并联。

本发明中，每个驱动电路(VD₁,VD₂,…,VD_n)对应一个驱动磁环，其中所有驱动绕组采用单匝导线进行串芯连接，此单匝导线作为原边绕组。每路驱动电路是浮地状态，彼此电气隔离。原边控制信号通过电磁感应传递到副边，实现控制所有串联器件同时导通、关断的目标。而每个驱动变压器副边采用双绕组的绕线方式，实现对相应串联器件的导通、关断控制。本发明中，高压开关由多个SiC-MOSFET串联，因此当导通或关断状态下，可能会由于器件参数差异，导致某一路器件出现过压，如果不添加控制，可能会出现整个高压固态开关损坏的风险。因此针对实际应用情况，可适当添加均压保护电路(VL₁,VL₂,…,VL_n)。

附图2所示为三个开关器件串联弱电侧将控制信号转变为脉冲信号的电路，包括原边逻辑调理电路，各路驱动变压器，变压器副边驱动电路以及保护电路，同时串联器件又采用了并联方式实现导通损耗的降低。本发明驱动采用高频变压器，为了将低频控制信号传递到高压侧，先将控制指令经调理电路转变成脉冲信号。

附图3所示为原边控制调理电路的一个实例，当控制高压固态开关闭合时，在C点给定脉冲信号1，传递到开关器件5上后经过驱动变压器6，在开关管7和11的栅极产生与脉冲信号1一致的驱动信号，保证7和11按照此驱动信号进行导通、关断。相应在D点给定恒低电平，因此开关管9和10的栅极为低电平，处于关断状态，此过程在驱动变压器A、B两端就建立了与脉冲信号1一致的正向脉冲电压和电流。

同理，当控制高压固态开关关断时，在C点给定恒低电平，因此开关管5不导通，致使开关管7和11的栅极为低电平，处于关断状态；相应地，在D点给定控制信号2，此时开关器件4上建立与信号2一致的驱动信号。经过驱动变压器66后，在开关管9和10的栅极产生与信号2一致的驱动信号，从而9和10导通、关断1次。由于开关管7和11的栅极为低电平、处于关断状态，此过程在驱动变压器A、B两端建立了与2一致的负向脉冲电压和电流。两种信号经驱动变压器8传递到变压器副边的高压侧驱动电路中。

通过驱动变压器将代表导通或关断的正向或负向脉冲信号传递到高压侧，再经本发明提出的高压侧驱动电路，将脉冲信号转回与控制指令一致的信号。

高压侧驱动电路如附图4所示，实例：所述驱动变压器包括原边绕组12、第一副边绕组13、第二副边绕组15，所述驱动电路包括第一二极管25、第二二极管14、第一三极管18、第一电阻16、第二电阻26。第一副边绕组13的同名端分别与第一二极管25的正极、第一电阻16的一端相连，第一副边绕组13的异名端与第一电阻16的另一端相连，第一二极管25的负极与该驱动电路所对应的主功率开关管23的栅极相连。第二副边绕组15的异名端与第二二极管14的正极相连，第二副边绕组15的同名端与第一三极管18的发射极相连，第二二极管14的负极与第一三极管18的基极相连，第一三极管的集电极通过第二电阻26与主功率开关管23的栅极相连，第一三极管18的发射极还与主功率管23的漏极相连。

当代表闭合指令与脉冲信号1一致的正向脉冲传递到各驱动变压器的副边时，副边绕组13电压为上正下负，二极管25导通，因此驱动电路快速为串联器件23的栅极寄生电容充电，从而保证23迅速导通。而副边绕组15电压为下正上负，由于有二极管14的存在，因此对应绕组15的放电回路不导通。同时，在本发明电路中又添加了电阻16，用于实现磁复位，避免驱动变压器饱和。以此类推，其他串联主功率管也同时导通，整个固态开关处于导通状态。

同理，当代表关断指令的负向脉冲功率信号传递到各驱动变压器的副边时，二极管14导通，三极管18的基极为高电平，因此18的集电极和发射极导通，串联器件23的栅极电荷通过电阻26迅速放电，被箝位到低电平，串联器件23关断。以此类推，其他串联主功率管也同时关断，整个固态开关处于关断状态。由于串联器件23和24等栅源极存在寄生电阻，因此会存在漏电现象，为了保证高压固态开关一直维持导通状态，因此需要持续为绕组13给定正向脉冲，即附图3中的信号1需要周期性的脉冲信号。而控制关断时，附图3中的信号2则不需要连续脉冲给定，固定几个脉冲信号就可以完成串联器件栅极的放电过程，保证高压固态开关关断。

综上所述，本发明提出一种用于高压固态开关的快速驱动电路，适用于高压系统及高压、脉冲功率电源领域。本发明所涉及的高压固态开关，采用半导体开关器件串联，通过磁隔离方式实现弱电与强电之间隔离，弱电侧控制信号完成对强电侧串联器件的导通、关断控制。在高电压应用领域，需要串联多个功率开关器件，为了保证整体固态开关的可靠性，就需要各路串联开关器件的驱动电路具有很强的驱动能力，从而能够控制每路串联器件的快速导通和关断。

本发明中的高压固态开关采用小体积MOSFET进行串联，每个串联的MOSFET对应一个驱动变压器和一个驱动电路。其中，驱动变压器原边绕组绕制采用串芯方式，即原边单匝绕组穿过各驱动变压器。同时每个驱动变压器副边包括两个副边绕组，分别用于对每路器件导通和关断进行控制。驱动电路位于高压侧，其作用是在原边给定闭合指令后，能够快速为每路开关器件的栅极充电，从而保证高压固态开关迅速导通；而当给定关断指令后，驱动电路能够迅速将栅极电荷泄放掉，从而保证高压固态开关迅速关断。控制指令周期性地给定导通、关断信号，那么高压开关也会周期性地开关，从而可以为负载提供脉冲功率形式的功率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于高压场合、宽调节频率的高压固态开关，所述高压固态开关包括逻辑调理电路、隔离变压器、若干个开关器件以及副边驱动电路，其特征在于：a)每个开关器件对应一个副边驱动电路；b)所述驱动电路为快速驱动电路；c)所述若干个开关器件串联，通过隔离变压器来传递控制信号；d)所述隔离变压器副边两个绕组，一个用于控制对应串联器件的导通，另一个用于控制该器件的关断动作；e)采用串芯方式将所有驱动隔离变压器串芯连接，即串芯导线作为所有驱动变压器的原边绕组；f)两个并联的开关器件对应一个副边驱动电路，以实现导通损耗的降低；

其中，所述快速驱动电路，驱动变压器副边采用双绕组的绕线方式，实现对对应开关器件的导通、关断控制，驱动变压器包括原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组，其特征在于：所述驱动电路包括第一二极管、第二二极管、第一三极管、第一电阻、第二电阻；第一副边绕组的同名端分别与第一二极管的正极、第一电阻的一端相连，第一副边绕组的异名端与第一电阻的另一端相连，第一二极管的负极与该驱动电路所对应的主功率开关管的栅极相连；第二副边绕组的异名端与第二二极管的正极相连，第二副边绕组的同名端与第一三极管的发射极相连，第二二极管的负极与第一三极管的基极相连，第一三极管的集电极通过第二电阻与主功率开关管的栅极相连，第一三极管的发射极还与主功率管的漏极相连；当代表闭合指令与脉冲信号一致的正向脉冲传递到驱动变压器的副边时，第一副边绕组的电压为上正下负，第一二极管导通，因此驱动电路快速为该驱动电路所对应的主功率开关管的栅极寄生电容充电，从而保证所述主功率开关管迅速导通；而第二副边绕组的电压为下正上负，由于有第二二极管的存在，因此对应第二副边绕组的放电回路不导通。

2.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：当代表关断指令的负向脉冲功率信号传递到驱动变压器的副边时，第二二极管导通，第一三极管的基极为高电平，因此第一三极管的集电极和发射极导通，该驱动电路所对应的主功率开关管的栅极电荷通过第二电阻迅速放电，被箝位到低电平，所述主功率开关管关断。

3.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：所述开关器件是SiC-MOSFET。

4.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：控制信号经过弱电侧的逻辑调理电路变换为脉冲信号传递到高压侧，所述脉冲信号经高压侧驱动电路转变回可驱动各路串联的开关器件的开关信号；高压侧所有串联的开关器件的开通、关断频率、时间与弱电侧控制信号一致。

5.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：要完成所述开关器件的导通、关断，副边驱动电路前两个脉冲信号至少包括一个正脉冲信号。

6.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：要完成所述开关器件的导通、关断，副边驱动电路前两个脉冲信号至少包括一个负脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：所述隔离变压器形状为环状磁环。

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