CN109995224A - 一种单外部驱动的mosfet管串联高压模块 - Google Patents

一种单外部驱动的mosfet管串联高压模块 Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
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    • H02M11/00Power conversion systems not covered by the preceding groups

Abstract

本公开揭示了一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块,包括:依次串联的MOSFET管M1~Mn、栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1、储能电容C1、栅极触发电容C2~Cn、漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2、外部驱动电路及负载。本公开还揭示了一种基于单外部驱动的MOSFET管串联高压模块的marx发生器。本公开一方面能较好解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题,实现模块小型化;另一方面通过栅极触发电容交错连接,能够较好改善较多器件串联应用时器件导通的乱序问题。

Description

一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块
技术领域
本公开属于电力电子及纳秒脉冲功率源技术领域,具体涉及一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块。
背景技术
纳秒脉冲等离子体由于具有电子能量高、等离子体活性产物丰富、放电瞬态能量高、放电不易转化为电弧等显著优点,在国防、工业及民用等多个领域具有广泛的应用前景。但是在诸如等离子体流动控制、等离子体点火助燃等应用领域,不仅要求产生重复频率的高压纳秒脉冲,更为关键的是对纳秒脉冲电源的体积和重量有着严格的限制,因此,对纳秒脉冲的产生技术提出了更高的要求。
产生重复频率高压纳秒脉冲的关键是开关单元,且综合考虑器件容量、开通速度以及可控性等多种因素,MOSFET是较为理想的选择。但受制于器件耐压水平,在高压纳秒脉冲产生的过程中,仍然需要大量器件串联实现。一方面,传统的半导体器件串联应用中每个器件都需要单独的外部驱动电路,各外部驱动电路之间的电源隔离依靠磁隔离或光隔离,整体电路结构复杂,不利于小型化;另一方面,现有的采用单外部驱动的半导体串联模块仍然存在可串联器件个数少、顶端栅极触发电容耐压要求高、容易出现导通乱序或者需要额外的门极辅助电源等缺点。
发明内容
有鉴于此,本公开的目的在于提供一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块,能够克服现有技术中的不足,实现电路的简化和开关模块的快速导通。
为实现以上目的,本公开提供如下技术方案:
一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块,包括:依次串联的MOSFET管M1~Mn、栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1、储能电容C1、栅极触发电容C2~Cn、漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2、外部驱动电路及负载;其中,
所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn的栅极和源极的两端;
所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn的漏极和源极的两端;
所述储能电容C1的一端连接于所述负载,另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极;
所述栅极触发电容C2~Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn-1的源极和所述MOSFET管M2~Mn的栅极;
所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连,用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制;
所述负载的一端连接于所述储能电容C1,另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。
优选的,所述MOSFET管M1的额定耐压等级高于所述MOSFET管M2~Mn
优选的,所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1的电阻值为1kΩ~20kΩ。
优选的,所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1为金属膜电阻。
优选的,所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2的电阻值为100kΩ~1MΩ。
优选的,所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2为高压玻璃釉电阻。
优选的,所述栅极触发电容C2~Cn由PCB板上下层覆铜层的寄生电容构成,且电容值为10pF~100pF。
优选的,所述外部驱动电路采用任意符合所述MOSFET管M1驱动需求的驱动芯片。
优选的,所述MOSFET管串联高压模块能够产生重复频率的方波脉冲,且所述方波脉冲的幅值等于储能电容C1的充电电压。
本公开还提供一种marx发生器,包括:MOSFET管串联高压模块S1-Sm、储能电容C1-Cm、二极管D11-Dm1、二级管D12-Dm2、限流充电电阻R、直流充电电源DC和负载LOAD;其中,
所述储能电容C1-Cm依次并联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm
所述二极管D11-Dm1依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管Mn的漏极;
所述二极管D12-Dm2依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管M1的源极;
所述直流充电电源DC通过限流充电电阻R串入所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm
所述负载LOAD与所述二极管D12-Dm2并联。
与现有技术相比,本公开带来的有益技术效果为:
1、采用单外部驱动,能够较好的解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题,实现模块小型化;
2、通过采用电容交错连接,能够改善较多器件串联应用时器件导通的乱序问题。
附图说明
图1是本公开的一种单外部驱动MOSFET管串联高压模块的结构示意图;
图2(a)至图2(b)是本公开的一种单外部驱动MOSFET管串联高压模块在1kΩ负载上放电产生的脉冲波形图;其中,图2(a)是负载电压波形图,图2(b)是负载电流波形图;
图3是本公开一个实施例中基于单外部驱动MOSFET管串联高压模块搭建的固态marx发生器的结构示意图;
图4(a)至图4(b)是图3所示marx发生器在1kΩ负载上放电产生的脉冲波形图;其中,图4(a)是负载电压波形图,图4(b)是负载电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图1至图4(b)和实施例对本公开的技术方案进行详细描述。
一个实施例中,参见图1,一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块,包括:依次串联的MOSFET管M1~Mn、栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1、储能电容C1、栅极触发电容C2~Cn、漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2、外部驱动电路及负载;其中,
所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn的栅极和源极的两端;
所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn的漏极和源极的两端;
所述储能电容C1的一端连接于所述负载,另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极;
所述栅极触发电容C2~Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn-1的源极和所述MOSFET管M2~Mn的栅极;
所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连,用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制;
所述负载的一端连接于所述储能电容C1,另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。
相较于现有技术,上述实施例能够较好的解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题,通过单外部驱动实现多MOSFET管的串联,能够实现模块的小型化;同时,通过印制电路板构建寄生电容作为触发电容,能够减小各级开关触发回路寄生电感,实现开关模块的快速导通;再者,通过采用栅极触发电容交错连接的方式,能够改善较多器件在串联应用时器件导通的乱序问题。
作为一个优选的实施方案,所述MOSFET管M1的额定耐压等级高于所述MOSFET管M2~Mn
该实施例中,MOSFET管M1在关断阶段需要承受较高的关断过电压,为了避免M1承受过电压导致击穿,因此,M1宜选用耐压等级高于M2~Mn的MOSFET管。
另外需要说明的是,MOSFET管M1之所以承受关断过电压,其原因在于:M1是由外部驱动直接控制,因此M1是所有MOSFET管中最早导通也是最早关断的,根据串联MOSFET管关断阶段的电压分配规律,关断较早的MOSFET管将承受关断过电压。
作为一个优选的实施方案,所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1的电阻值为1kΩ~20kΩ。
作为一个优选的实施方案,所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2的电阻值为100kΩ~1MΩ。
作为一个优选的实施方案,所述栅极触发电容C2~Cn由PCB板上下层覆铜层的寄生电容构成,且电容值为10pF~100pF。
作为一个优选的实施方案,所述外部驱动电路采用任意符合所述MOSFET管M1驱动需求的驱动芯片。
该实施方案中,外部驱动电路可采用任意驱动芯片产生驱动信号,只要该驱动信号能够正常驱动MOSFET管M1导通即可,而不需要特殊的驱动电路,基于此,本技术方案具有较为广泛的适用性。
在一个具体的实施例中,单外部驱动的MOSFET管串联高压模块包括:MOSFET管M1~M10、栅源极并联均压电阻R1,1~R10,1、漏源极并联均压电阻R1,2~R10,2、储能电容C1、栅极触发电容C2~C10和负载。
其中,
MOSFET管M1所采用型号为C2M0080170P,额定耐压为1700V;
MOSFET管M2~M10所采用型号为C3M0075120K,额定耐压为1200V;
栅源极并联均压电阻R1,1~R10,1优选额定功率为0.25W、阻值为10kΩ的金属膜电阻;
漏源极并联均压电阻R1,2~R10,2优选额定功率为5W的高压玻璃釉电阻;
储能电容C1优选耐压为15V、电容值为1uF的油浸式薄膜电容;
栅极触发电容C2~C10优选PCB板上下层覆铜层的寄生电容,电容值为20pF;
负载优选耐压为50KV、阻值为1kΩ的高压玻璃釉电阻。
该实施例中,通过10kV的高压直流电源对储能电容C1和栅极触发电容C2~C10进行充电,通过外部驱动电路产生重复频率的驱动方波信号,用以触发MOSFET串联高压模块,从而在负载上产生幅值为10kV的重复频率负脉冲方波,并得到10A的负载电流。
需要说明的是,在驱动方波信号的驱动下,串联的MOSFET管是逐级导通的,具体过程描述为:外部驱动输出由负电平上升为正电平,M1首先开通,其漏源电压快速下跌,也即M2的源极电位快速下跌。泄放电阻在纳秒级的快速暂态变化中起到隔离电位的作用,因此M1的导通会使栅极触发电容C2对M2的门极电容CGS2进行快速充电。当CGS2的电压到达M2的导通阈值后,M2也会开通,其漏源电压也快速下跌。同理,M2的导通又会导致栅极触发电容C3对M3的门极电容CGS3进行充电,以此类推,最后所有的MOSFET管都进入导通过程。
进一步需要说明的是,通过改变栅极触发电容C2~Cn的连接位置能够克服现有技术中的导通乱序现象,只有当前级MOSFET管导通后,下一级MOSFET管才会导通,这也就保证了整个MOSFET管串联结构中的各级严格按顺序导通。
上述实施例中的负载电压和负载电流的波形分别如图2(a)和图2(b)所示,脉冲持续时间以及重复频率由外部驱动电路所产生信号的脉宽和重复频率来控制。
在另一个具体的实施例中,如图3所示,由m个MOSFET串联高压模块(记为S1、S2……Sm)构建组成一个marx发生器,包括:MOSFET管串联高压模块S1-Sm、储能电容C1-Cm、二极管D11-Dm1、二级管D12-Dm2、限流充电电阻R、充电电源DC和负载LOAD;其中,
所述储能电容C1-Cm依次并联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm
所述二极管D11-Dm1依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管Mn的漏极;
所述二极管D12-Dm2依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管M1的源极;
所述直流充电电源DC通过限流充电电阻R串入所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm
所述负载LOAD与所述二极管D12-Dm2并联。
其中,储能电容C1~Cm优选耐压为15kV、容值为1uF的油浸式薄膜电容;二极管D11~Dm1以及D12~Dm2优选反向耐压为15kV的高压快恢复二极管;DC为直流充电电源;限流充电电阻R优选阻值为50kΩ的高压线绕电阻;LOAD优选耐压为50kV、阻值为1kΩ的高压玻璃釉电阻。MOSFET串联高压模块S1~Sm的驱动信号由同一个外部驱动电路产生,采用脉冲变压器隔离的方式同步传输到S1~Sm的最下级MOSFET管M1。当储能电容C1~Cm的充电电压为10kV时,在负载上产生幅值为30kV的重复频率负脉冲方波,并得到30A的负载电流。
其中,负载电压和负载电流的波形如分别如图4(a)和图4(b)所示。从图中可以看出,单外部驱动MOSFET串联高压模块,可以用于产生高压纳秒脉冲,而且波形质量好,并且驱动和控制电路大大简化,利于脉冲源的小型化。
尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述,但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域,上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的,而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下,还可以做出很多种的形式,这些均属于本公开保护之列。

Claims (10)

1.一种单外部驱动的MOSFET管串联高压模块,包括:依次串联的MOSFET管M1~Mn、栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1、储能电容C1、栅极触发电容C2~Cn、漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2、外部驱动电路及负载;其中,
所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn的栅极和源极的两端;
所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn的漏极和源极的两端;
所述储能电容C1的一端连接于所述负载,另一端连接于所述MOSFET管Mn的漏极;
所述栅极触发电容C2~Cn依次并联连接于所述MOSFET管M1~Mn-1的源极和所述MOSFET管M2~Mn的栅极;
所述外部驱动电路与所述MOSFET管M1的栅极和源极相连,用于对所述MOSFET管串联高压模块驱动控制;
所述负载的一端连接于所述储能电容C1,另一端连接于所述MOSFET管M1的源极。
2.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,优选的,所述MOSFET管M1的额定耐压等级高于所述MOSFET管M2~Mn
3.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1的电阻值为1kΩ~20kΩ。
4.根据权利要求3所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述栅源极并联均压电阻R1,1~Rn,1为金属膜电阻。
5.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2的电阻值为100kΩ~1MΩ。
6.根据权利要求5所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述漏源极并联均压电阻R1,2~Rn,2为高压玻璃釉电阻。
7.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述栅极触发电容C2~Cn由PCB板上下层覆铜层的寄生电容构成,且电容值为10pF~100pF。
8.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述外部驱动电路采用任意符合所述MOSFET管M1驱动需求的驱动芯片。
9.根据权利要求1所述的MOSFET管串联高压模块,其特征在于,所述MOSFET管串联高压模块能够产生重复频率的方波脉冲,且所述方波脉冲的幅值等于储能电容C1的充电电压。
10.一种marx发生器,包括:MOSFET管串联高压模块S1-Sm、储能电容C1-Cm、二极管D11-Dm1、二级管D12-Dm2、限流充电电阻R、直流充电电源DC和负载LOAD;其中,
所述储能电容C1-Cm依次并联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm
所述二极管D11-Dml依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管Mn的漏极;
所述二极管D12-Dm2依次串联连接于所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm中MOSFET管M1的源极;
所述直流充电电源DC通过限流充电电阻R串入所述MOSFET管串联高压模块S1-Sm
所述负载LOAD与所述二极管D12-Dm2并联。
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