CN108683355A - 一种高压高重频脉冲调制器20kv单元模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其包含：脉冲前后沿形成电路，用于形成正负脉冲信号；双级变压器电路，用于双级单列磁驱动传输；栅极驱动波形调整电路，用于调整栅极驱动波形；开关管及均压网络；该单元模块具体工作原理是：当前后沿脉冲信号通过高压母线时，通过双级变压器电路传输到栅极驱动波形调整电路形成脉冲，达到对开关管的同步开关，同时通过均压网络保护开关管工作。本发明绝缘与变压功能分离，由1个主绝缘变压器带n个驱动变压器实现，驱动变压器的耐压等级要求低，具有体积小、重量轻的优点，主绝缘变压器穿过高压母线，牢固可靠，也易拆卸，相应的动态均压处理难度低，释放的EMI能量较少，还具有很强的扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，特别是一种高压高重频脉冲调制器20KV单元模块。
背景技术
现有的20KV开关单元模块串联组合，如图1所示，是针对前后沿定宽方式。其中前后沿定宽磁驱动的20KV开关单元模块如图1虚线框的内部所示。该20KV开关单元模块的构成图2所示，是单级双列磁驱动开关单元模块，其驱动形成时序如图3所示。图2中，前后沿形成电路发送定时信号，两路分别产生10us以内脉宽的电压，通过1列变压器TK向固态开关的栅极分别提供开启能量，通过另1列变压器TQ对开关管进行切尾关断，构成单级双列磁驱动，在高压侧设计均压网络以保障开关管安全。
上述方案中的变压器TK和TQ由非晶磁环和初次级构成，起到耐压隔离和驱动传输两种作用，每个开关管均需要两组磁环控制。磁环内壁与高压母线之间需要留出较多缝隙，以便高压变压器油流动，减少电晕及发热，双列40个磁环均需要达到以上要求。
经过实施，上述方案中的单级双列磁驱动开关单元模块主要存在以下缺点：
1）40个磁环无法焊装在印制板上，只能使用结构件固定，振动易脱落，可靠性差；
2）串联组合多个单元模块时，图3中磁环初级硬质高压线也需要弯折，给印制板带来较大应力，拆装困难；
3）1:n磁环初级（地电位）与次级（脉冲高压电位）分布电容较大，造成的开关管动态关断瞬间动态均压过高，调试难度高。
4）磁环次级高压电位瞬态变化会通过Cp引起初级母线骚扰电流，主要产生两点危害：一是在高压脉冲加起时，TQ驱动的切尾电路被骚扰电流误触发，使高压关断，导致调制器无法正常工作；二是初级母线固定于系统地，向系统地释放大量的骚扰信号。
5）在设计更高电压指标的调制器时，由于上述1）、2）、3）问题的影响，仅增加模块数量不能达到目的，还需要扩大所有磁环的尺寸，调整动态均压处理方案。
发明内容
针对上述传统结构存在的技术问题，本发明提供了一种高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，采用双级单列磁驱动电路结构设计的20KV单元模块，开启、切尾信号通过主绝缘变压器、驱动变压器两级变压器传输，主绝缘变压器和驱动变压器均只需1列，因此相对传统技术，本发明明显磁环体积小，可采用焊装等方式固定在印制板上，初次级之间仅需10KV耐压；而且主绝缘变压器中间穿过硅橡胶高压线，柔软易装配，高压变压器油由间隔流过，可满足更高重频，共使用一个主绝缘变压器。
本发明的技术方案如下：
一种高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其特征在于包含：
脉冲前后沿形成电路，用于形成正负脉冲信号；
双级变压器电路，用于双级单列磁驱动传输；
栅极驱动波形调整电路，用于调整栅极驱动波形；
开关管及均压网络，通过均压网络保护开关管的工作；
具体工作原理是：当脉冲前后沿形成电路形成的前后沿脉冲信号通过高压母线时，通过双级变压器电路传输到开关管的栅极驱动波形调整电路形成脉冲，达到对开关管得同步开关，同时通过配置的均压网络，保护开关管工作。
所述双级变压器电路，包括一个主绝缘变压器和若干个串联形成的驱动变压器组合，主绝缘变压器通过高压母线与串联的驱动变压器组合级联；所述双级变压器电路使用双级单列磁驱动拓扑传输驱动能量，将驱动变压和高压绝缘功能分离，其中主绝缘变压器承担主要高压绝缘功能，降低第二级磁环的耐压等级到较低等级，尺寸和重量大幅缩小。
所述若干个驱动变压器初级固定在其所驱动的对应若干级开关管的中间电位，初次级之间仅需10KV耐压。
所述栅极驱动波形调整电路由一个所述的驱动变压器、通过二极管相互隔离的RC展宽电路和切尾电路构成，RC展宽电路和切尾电路的前端连接所述的驱动变压器，RC展宽电路和切尾电路的后端连接开关管及均压网络。
所述栅极驱动波形调整电路的工作原理是：所述驱动变压器驱动，接收前沿正脉冲信号，RC展宽电路保持在15V电平，开启开关管；接收后沿负脉冲信号，触发切尾电路，释放栅极电荷，关断开关管；由此形成调制器开关动作。
本发明的有益效果如下：
本发明中绝缘与变压功能分离，绝缘压力由主绝缘变压器承担，驱动变压由n个驱动变压器承担。因此主绝缘变压器带n个驱动变压器，同时驱动变压器的耐压等级要求约10KV以内，可小体积甚至平面化实现。串联的驱动变压器组合共需1个主绝缘变压器，因此具有体积小、重量轻的优点。
本发明单独使用或者多组串联时，主绝缘变压器中间穿过硅橡胶高压线，较为柔软，易弯曲，对磁环几乎无应力；驱动变压器由于体积小，重量轻，可采用焊装或者平面变压器工艺安装在印制板上。印制板在运输过程或振动测试中可靠性提高，同时拆卸维修方便。
本发明的高压开关与地电位之间的分布电容由主绝缘变压器的初次级产生，1：1磁环的分布电容是1:n磁环的1/n，则单列磁环驱动的Cp是双列磁环驱动的Cp的1/（2n），动态均压处理难度很低。
由于母线骚扰电流大小与分布电容Cp成正比，因此本发明的骚扰电流远小于原方案单元模块，因此通过高压母线对系统地释放的EMI能量较少。
设计电压、重频指标更高的调制器时，本发明可以适当扩大主绝缘变压器磁环的尺寸，增加20KV开关单元模块的数量，动态均压是否需要处理可根据测量结果判断，具有很强的扩展性。
附图说明
图1为现有的20KV开关单元模块串联组合示意图。
图2为现有的单级双列磁驱动开关单元模块构成示意图。
图3为图2所示开关单元模块的脉冲时序图。
图4为本发明的双级单列磁驱动开关单元模块构成示意图。
图5为图4所示开关单元模块的脉冲时序图。
具体实施方式
如图4所示，一种高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，包含：
脉冲前后沿形成电路，用于形成正负脉冲信号；
双级变压器电路，用于双级单列磁驱动传输；
栅极驱动波形调整电路，用于调整栅极驱动波形；
开关管及均压网络，通过均压网络保护开关管的工作；
具体工作原理是：当脉冲前后沿形成电路形成的前后沿脉冲信号通过高压母线时，通过双级变压器电路传输到开关管的栅极驱动波形调整电路形成脉冲，达到对开关管的同步开关，同时通过配置的均压网络，保护开关管工作。如图5所示，是上述20KV单元模块工作时的脉冲时序图。
图4中，所述双级变压器电路包括了一个1:1主绝缘变压器TM和20个串联的1：n驱动变压器T1-T20，主绝缘变压器TM通过高压母线与串联的驱动变压器T1-T20并联；所述双级变压器电路使用双级单列磁驱动拓扑传输驱动能量，将驱动变压和高压绝缘功能分离，其中主绝缘变压器承担主要高压绝缘功能，降低第二级磁环的耐压等级到较低等级，尺寸和重量大幅缩小。
所述20个1：n驱动变压器T1-T20初级固定在其所驱动的对应若干级开关管的中间电位，初次级之间仅需10KV耐压。
所述栅极驱动波形调整电路由一个所述的1：n驱动变压器、通过二极管相互隔离的RC展宽电路和切尾电路构成，RC展宽电路和切尾电路的前端连接所述的驱动变压器，RC展宽电路和切尾电路的后端连接开关管及均压网络。所述RC展宽电路用于将正脉冲开通信号电压放大并使开关管栅极充电，所述切尾电路用于将负脉冲关断信号电压放大并使开关管的栅极电荷释放。本发明与现有方案的另一个区别点在于：如图2所示，在现有方案中，两个电路需要两个隔离变压器驱动；如图4所示，本发明的方案中，RC展宽电路和切尾电路共用一个驱动变压器，为防止两个电路出现耦合，采用二极管隔离。
所述栅极驱动波形调整电路的工作原理是：所述驱动变压器驱动，接收前沿正脉冲信号，RC展宽电路保持在15V电平，开启开关管；接收后沿负脉冲信号，触发切尾电路，释放栅极电荷，关断开关管；由此形成调制器开关动作。
上述开关模块中，绝缘与变压功能分离，绝缘压力由主绝缘变压器TM承担，驱动变压由驱动变压器T1-T20承担。因此TM次级带20个驱动变压器，同时T1-T20的耐压等级要求约10KV以内，可小体积甚至平面化实现。因此20组串联共需1个TM，20个驱动变压器，数量接近单级双列磁驱动的1/2，重量约1/4。
本发明单独使用或者多组串联时，主绝缘变压器TM中间穿过硅橡胶高压线，较为柔软，易弯曲，对磁环几乎无应力；驱动变压器T1-T20由于体积小，重量轻，可采用焊装或者平面变压器工艺安装在印制板上。
高压开关与地电位之间的分布电容由主绝缘变压器的初次级产生，1：1磁环的分布电容是1:n磁环的1/n，则单列磁环驱动的Cp是双列磁环驱动的Cp的1/（2n），动态均压处理难度很低。
Claims (5)
1.一种高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其特征在于包含：
脉冲前后沿形成电路，用于形成正负脉冲信号；
双级变压器电路，用于双级单列磁驱动传输；
栅极驱动波形调整电路，用于调整栅极驱动波形；
开关管及均压网络，通过均压网络保护开关管的工作；
具体工作原理是：当脉冲前后沿形成电路形成的前后沿脉冲信号通过高压母线时，通过双级变压器电路传输到开关管的栅极驱动波形调整电路形成脉冲，达到对开关管的同步开关，同时通过配置的均压网络，保护开关管工作。
2.根据权利要求1所述的高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其特征在于：所述双级变压器电路，包括一个主绝缘变压器和若干个串联形成的驱动变压器组合，主绝缘变压器通过高压母线与串联的驱动变压器组合级联。
3.根据权利要求2所述的高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其特征在于：所述若干个驱动变压器初级固定在其所驱动的对应若干级开关管的中间电位，初次级之间仅需10KV耐压。
4.根据权利要求1所述的高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其特征在于：所述栅极驱动波形调整电路由一个所述的驱动变压器、通过二极管相互隔离的RC展宽电路和切尾电路构成，RC展宽电路和切尾电路的前端连接所述的驱动变压器，RC展宽电路和切尾电路的后端连接开关管及均压网络。
5.根据权利要求4所述的高压高重频脉冲调制器20KV单元模块，其特征在于：所述栅极驱动波形调整电路的工作原理是：所述驱动变压器驱动，接收前沿正脉冲信号，RC展宽电路保持在15V电平，开启开关管；接收后沿负脉冲信号，触发切尾电路，释放栅极电荷，关断开关管；由此形成调制器开关动作。
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