CN107294518A - 一种用于高压场合、宽调节频率的高压固态开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于高压场合、宽调节频率的高压固态开关，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隔离变压器和一个驱动电路；b)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；c)采用串芯方式将所有的隔离变压器串芯连接，即串芯导线作为所有隔离变压器的原边绕组；d）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；e）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。本发明的优点主要包括：开关动作快速、通态损耗低、体积小、重量轻、模块可扩容。

Description

一种用于高压场合、宽调节频率的高压固态开关
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。
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。
目前高压固态开关方案还是沿用早期方案，一种是采用单体高耐压等级的功率器件，实现控制主功率导通和关断的目标，但由于受到耐压等级的限制，因此在可靠性和灵活性上存在缺陷，另外单体器件的体积较大。另一种采用多个开关器件串联，但开关速度慢、保护电路考虑不全面，而且导通损耗较大，因此对一些可靠性、体积和损耗有很严格要求的领域，采用这两种方案的高压固态开关应用受到限制。同时传统的高压开关也不具备较宽范围频率调节的能力。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明采用小体积、低导通损耗的MOSFET或SiC-MOSFET器件进行串联实现高压电源对负载导通、关断的快速、可靠控制；另外高压侧增加了保护、箝位电路用于防止各串联器件出现过压。本发明提出的高压、宽调节频率的固态开关方案，具有电路设计简单、模块化、体积小、速度响应快、可靠性高及导通损耗低等优点。
本发明具体通过如下技术方案实现：
本发明中采用低导通损耗的MOSFET或SiC-MOSFET进行串联，每个串联器件采用独立的驱动变压器和驱动电路，实现独立的电气隔离。本发明中采用单匝导线穿过各驱动变压器，其中串芯导线作为所有驱动变压器的原边绕组。当原边绕组给定控制信号后，通过电磁感应将控制信号传递到副边的各路驱动电路中，由于原边绕组属于串联连接，因此给定到副边各驱动电路的信号同步，保证了所有串联开关器件的导通、关断同步。同时，为实现每个开关器件的可靠开通、关断，本发明设计了保护电路，用于防止器件承受电压超过自身承受电压。
本发明中副边串联的开关器件各包括一个独立的驱动电路，当副边绕组为正向脉冲时，驱动电路可在对应开关器件上产生高电平，保证串联器件处于导通状态；当副边绕组为负向脉冲时，驱动电路会在对应开关器件产生低电平，保证其处于关断状态。
本发明由于采用串芯绕线方式作为所有的隔离变压器的原边，因此具有很强的驱动能力，从而保证高压开关具有快速的开关响应，同时采用低导通损耗的SiC-MOSFET，导通情况下具有低导通损耗。另外，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，因此该方案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是三个开关器件串联弱电侧将控制信号转变为脉冲信号的电路；
图3是弱电侧调理电路拓扑结构；
图4是高压侧采用三极管驱动的电路拓扑结构；
图5是高压侧串联器件均压保护电路；
图6是采用高压固态开关为脉冲负载供电图。
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。
本发明提出的快速、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,…,Sn)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。
在电路中，每个开关器件对应一个驱动电路(VD1,VD2,…,VDn)和一个均压保护电路(VL1,VL2,…,VLn)，SiC-MOSFET具有通态损耗低，寄生电容小，动态响应快及耐高温性能好，因此本发明采用了SiC-MOSFET(应当理解，此处所描述的具体实施采用SiC-MOSFET仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本发明同时适用于MOSFET及IGBT)。本发明中，每个驱动电路对应一个驱动磁环，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，实现对所有串联器件同步导通、关断控制的目标。
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。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。
实例：可规定控制信号高电平代表闭合指令，低电平代表关断指令。当给定闭合高电平指令后，如附图3所示，高频载波与控制信号经过与门1后，在开关器件5上建立与载波信号一致的驱动信号；相应地，经过非门2和与门3，开关器件4上驱动信号为恒低电平。经过驱动变压器6后，在开关管7和11的栅极产生与载波信号一致的驱动信号，保证7和11按照此驱动信号进行导通、关断，而开关管9和10的栅极为低电平，所以一直处于关断状态，此过程在驱动变压器A、B两端就建立了与载波一致的正向脉冲电压和电流。同理，当给定关断指令低电平后，高频载波与控制信号经过与门1后，在开关器件5上建立低电平；相应地，经过非门2和与门3，开关器件4上建立与载波信号一致的驱动信号。经过驱动变压器6后，在开关管9和10的栅极产生与载波信号一致的驱动信号，保证9和10周期性导通、关断，而开关管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两端建立了与载波一致的负向脉冲电压和电流。上述正、负两种脉冲信号分别代表了控制固态开关导通和关断的指令，并经驱动变压器8传递到变压器副边的高压侧。
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，再经高压侧驱动电路，将脉冲信号转回与低频控制指令一致的信号。高压侧驱动电路如附图4所示。当代表闭合指令的正向脉冲功率信号传递到各驱动变压器的副边时，PNP三极管19导通，在保证三级管19工作在饱和区情况下，C点和D点的电压相等，而C点的电压与E点电压相差0.7V的管压降。忽略此压降，D点的电压约等于稳压管20的电压，保证串联SiC-MOSFET 23导通，(例如：当驱动变压器12的副边电压为15V到0V的正向脉冲电压，稳压管20为13V稳压管，此时SiC-MOSFET 23的栅极电压约为13V)，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，NPN三极管17导通，在三极管17工作在饱和区情况下，F点和D点的电压相等，而G点电压与F点电压相差0.7V的管压降。忽略此压降时，D点的电压约等于G点电压。合适的电阻21选择，将保证电阻21上产生较小的压降，从而23的栅极电压等于负的稳压管18的电压值。保证串联SiC-MOSFET 23关断，(例如：当驱动变压器12的副边电压为-15V到0V的负向脉冲电压，稳压管20为5V稳压管，此时SiC-MOSFET 23的栅极电压也约为-5V)，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。
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。本发明中给出两种保护方案实例如附图5所示，第一种为Ra1和Rb1电路，用于保证在关断时，各串联器件所承受电压一致。在瞬态开关过程中，当某一路器件承受电压过高时，由第二种缓冲电路R’a1和Ca1来吸收电压尖峰。通过上述保护方案，可有效保护高压固态开关的可靠运行，当然实际选用的保护方案依据实际情况而确定、组合。
当高压固态开关用于脉冲功率场合时，采用方案如附图6所示，其中两个高压固态开关的时序为互补导通，(当给脉冲负载供电时，高压开关S1导通S2关断，当关断时，S1关断S2导通)。而添加S2的一个好处是为负载提供电流续流通路，维持高压脉冲功率上升和下降沿的快速性。
综上所述，本发明的固态开关由逻辑调理电路，驱动变压器，驱动电路及均压保护电路组成。逻辑调理电路位于弱电侧，用于将开关控制指令转变成可传递到变压器副边的脉冲信号。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，各驱动变压器副边绕组再连接着对应串联功率器件的驱动电路输入两端。驱动电路位于高压侧，其作用是将传递到副边的脉冲信号再转回为与原边侧控制指令一致的信号，进而完成对高压固态开关装置的控制。均压保护电路同样位于高压侧，用于保护串联器件，防止导通、关断状态下出现过压。本发明的优点主要包括：开关动作快速、通态损耗低、体积小、重量轻、模块可扩容。
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隔离变压器和一个驱动电路；b)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；c)采用串芯方式将所有的隔离变压器串芯连接，即串芯导线作为所有隔离变压器的原边绕组；d)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；e)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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.根据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：为保证所述高压固态开关运行的可靠性，所述高压固态开关还包括均压保护电路。
6.据权利要求1所述的高压固态开关，其特征在于：串联的开关器件采用低导通损耗的MOSFET或SiC-MOSFET。
7.一种高压供电系统，所述系统包括高压电源、脉冲负载、以及两个根据权利要求1-6任一项所述的高压固态开关，其特征在于，所述第一高压固态开关串联连接于所述高压电源与脉冲负载之间，所述第二高压固态开关与所述脉冲负载并联。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101834588A (zh) * 2010-01-15 2010-09-15 合肥容恩电子科技有限公司 晶体管串联高速高压固态开关
CN103281004A (zh) * 2013-06-05 2013-09-04 中山市昊源电器设备有限公司 一种新型高功率高压脉冲电源电路

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101834588A (zh) * 2010-01-15 2010-09-15 合肥容恩电子科技有限公司 晶体管串联高速高压固态开关
CN103281004A (zh) * 2013-06-05 2013-09-04 中山市昊源电器设备有限公司 一种新型高功率高压脉冲电源电路

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