CN111614258A - 基于mos管串联放电的高压发生器 - Google Patents

基于mos管串联放电的高压发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MOS管串联放电的高压发生器，属于电子和高压测量技术领域，要解决的技术问题为如何克服传统电阻降压的弊端。包括：MOS管串联放电电路，其包括N个均压电阻和N个串联的MOS管，每个MOS管的栅极和源极之间并联有电容器C，每个MOS管的源极和漏极之间并联有限压保护元件MOV；升压器的第一端与TN的源极电连接并连接输出A，第二端与T1的栅极电连接；限流电阻R的第一端与T1的漏极电连接，第二端连接输出B；稳压元件W的第一端与T1的栅极电连接；抗干扰电容C1的第一端与T1的栅极电连接，第二端与稳压元件W的第二端电连接并连接输出B。

Description

基于MOS管串联放电的高压发生器
技术领域
本发明涉及电子和高压测量技术领域，具体地说是一种基于MOS管串联放电的高压发生器。
背景技术
高压测量需要各种直流或交流高压发生器，许多被测对象都具有很大的电容量，例如高压电缆或者电容器等等。采用直流测量时，测量结束后需要人工对被测对象进行放电。但是在进行超低频交流高压测量时，就一直存在着被测电容的充放电过程。目前的电子开关升压技术是成熟的，但是碰到的最大问题是升压器只能升压，不能降压。因此目前直流高压发生器不考虑电容负载降压问题，而在超低频交流高压发生器上普遍采用电阻方式实现负载电容降压。
电阻降压带来两个严重问题：一个是在升压阶段，电阻成为升压器的负载，不仅增加额外发热，还减小了升压器的输出能力；另一个是在降压阶段，负载电容只能通过电阻放电降压，电压越低放电越慢，造成了波形的失真。而实际要求的特性恰恰相反，即升压阶段不要消耗电流，降压阶段要随着升压器的电压降低而快速同步降低负载电容的电压。
基于上述问题，克服传统电阻降压的弊端是需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上不足，提供一种基于MOS管串联放电的高压发生器，来克服传统电阻降压的弊端。
本发明提供一种基于MOS管串联放电的高压发生器，包括：
MOS管串联放电电路，所述MOS管串联放电电路包括N个均压电阻和N个串联的MOS管，所述N个MOS管分别为T1、T2、……、TN，所述N个均压电阻分别为R1、R2、……、RN，上述N个MOS个管中，Ti的源极与Ti+1的漏极电连接，Ti的栅极与Ri的第一端电连接，Ri的第二端与Ti+1的栅极电连接，TN的栅极与RN的第一端电连接，RN的第二端与TN的源极电连接，每个MOS管的栅极和源极之间并联有电容器C，每个MOS管的源极和漏极之间并联有限压保护元件MOV；上述MOS管T2、……、TN中，每个MOS管的栅极与漏极之间并联有限压保护元件TVS；其中，1≤i≤N-1，Ti表示第i个MOS管，Ri表示第i个均压电阻；
升压器，所述升压器的第一端与TN的源极电连接并连接输出A，升压器的第二端与T1的栅极电连接；
限流电阻R，所述限流电阻R的第一端与T1的漏极电连接，限流电阻R的第二端连接输出B；
稳压元件W，所述稳压元件W的第一端与T1的栅极电连接；
抗干扰电容C1，所述抗干扰电容C1的第一端与T1的栅极电连接，抗干扰电容C1的第二端与稳压元件W的第二端电连接并连接输出B；
当升压器升压时，T1的栅极与漏极之间为截止电压，上述N个MOS管均关断，升压器通过稳压元件W对外供电；
当升压器降压时，T1的栅极与漏极之间为导通电压，上述N个MOS管均导通并对负载放电，放电时，稳压元件W与限流电阻R配合限制最大电流。
作为优选，所述高压发生器共一个，用于实现单极性输出；所述高压发生器共两个并反向串接，用于实现双极性输出。
作为优选，所述MOS管均为P沟道MOS管，所述升压器的负极与TN的源极电连接，输出A为负，所述升压器的正极与T1的栅极电连接，输出B为正，稳压元件W的正极与T1的栅极电连接，稳压元件W的负极与输出B电连接。
作为优选，所述MOS管均为N沟道MOS管，所述升压器的正极与TN的源极电连接，输出A为正，所述升压器的负极与T1的栅极电连接，输出B为负，稳压元件W的负极与T1的栅极电连接，稳压元件W的正极与输出B电连接。
作为优选，所述N个MOS管分为多组，每组MOS装配在一个电路板上，所述多个电路板堆叠达到需要的电压；上述堆叠的电路板之间的间隙用于强制风冷；
或者，用于装配所述高压发生器的电路板采用高密度元件安装，并采用绝缘油冷却。
作为优选，所述N个均压电阻的阻值相同，且均压电阻的阻值能够满足如下条件：不会明显增加升压器负载并产生额外发热，且能够吸收表面漏电并避免降低电路响应速度。
作为优选，所述限压保护元件TVS能够使得MOS管充分导通，且能够保护MOS管的栅极不被击穿。
作为优选，所述电容器C的电容量能够满足以下条件：能够消除振荡，且不会明显降低电路响应速度，且电容器C的耐压满足MOS管最高工作电压要求。
作为优选，所述限压保护元件MOV的击穿电压低于MOS管的最高工作电压，所述限压保护元件MOV包括但不限于压敏电阻。
作为优选，所述稳压元件W为单向稳压，当所述升压器的输出电压高于负载电压时，稳压元件W呈二极管导通特性，以避免消耗升压器的电压；当升压器的输出电压低于负载电压时，稳压元件W用于稳压，并配合T1漏极的限流电阻R防止MOS管导通电流过大。
本发明的基于MOS管串联放电的高压发生器具有以下优点：
1、以N沟道MOS管和单极性输出为例，升压器正极接MOS管源极和负载电容CL的高压端，升压器负极接MOS管栅极，MOS管漏极通过限流电阻R接负载电容CL的低压端或者地，MOS管栅极接稳压管负极，稳压管正极接负载电容CL的低压端或者地，当升压器的输出电压高于负载电容CL的电压时，MOS管栅极和漏极之间的稳压管正向导通，升压器通过正向导通的稳压管向负载电容CL供电，同时MOS管反向偏置而截止；当升压器电压低于负载电容CL的电压时，MOS管栅极和漏极之间的稳压管反向击穿，其击穿电压使得MOS管正向偏置并导通，负载电容CL通过MOS管和限流电阻R放电，升压器升压时MOS管不消耗电流，升压器降压时MOS管能迅速放电，传统的电阻降压的弊端被全部克服；
2、将N个MOS管分组，每组MOS管安装在一块电路板上，然后堆叠电路板达到需要的电压，同时利用电路板之间的间隙做强制风冷，或者，电路板采用高密度元件安装，并采用绝缘油冷却，从而在MOS管放电阶段，提供合理的散热；
3、串联在相邻MOS管栅极之间的均压电阻的阻值均相同，且取值合理，不会因为阻值过小而增加升压器负载并产生额外发热，也不会因为阻值过大而不能吸收表面漏电并降低电路响应速度；
4、并联在每个MOS管的栅极和源极之间的电容器C，其电容量要能消除振荡又不会明显降低电路响应速度，其耐压应满足MOS管最高工作电压要求；
5、稳压元件W为单向稳压的，即升压器输出电压高于负载电压时，稳压元件W是二极管导通特性，这样不会消耗升压器的电压；当升压器电压低于负载电压时，W起到稳压作用，并配合MOS管漏极的限流电阻R防止MOS管导通电流过大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为实施例基于MOS管串联放电的高压发生器的电路原理图；
图2为实施例基于MOS管串联放电的高压发生器中MOS管串联放电电路的电路原理图；
其中，图1(a)为单极性正电压输出框图，
图1(b)为双极性电压输出框图；
U为升压器，T为等效的N沟道MOS管、由多个N沟道MOS管串联组成，
CL为负载电容；
图2(a)为等效的单只MOS管，图2(b)为实际等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
需要理解的是，在本发明实施例中的“多个”，是指两个或两个以上。
本发明实施例提供基于MOS管串联放电的高压发生器，用于克服传统电阻降压的弊端。
实施例：
基于MOS管串联放电的高压发生器，如图1所示，包括MOS管串联放电电路T、升压器U、限流电阻R、稳压元件W以及抗干扰电容C1，如图2(b)所示，MOS管串联放电电路T包括N个均压电阻和N个串联的MOS管，N个MOS管分别为T1、T2、……、TN，N个均压电阻共分别为R1、R2、……、RN，上述N个MOS管中，Ti的源极与Ti+1的漏极电连接，Ti的栅极与Ri的第一端电连接，Ri的第二端与Ti+1的栅极电连接，TN的栅极与RN的第一端电连接，RN的第二端与TN的源极电连接，每个MOS管的栅极和源极之间并联有电容器C，每个MOS管的源极和漏极之间并联有限压保护元件MOV；上述MOS管T2、……、TN中，每个MOS管的栅极与漏极之间并联有限压保护元件TVS；其中，1≤i≤N-1，Ti表示第i个MOS管，Ri表示第i个均压电阻；升压器U的第一端与TN的源极电连接并连接输出A，升压器U的第二端与T1的栅极电连接，限流电阻R的第一端与T1的漏极电连接，限流电阻R的第二端连接输出B，稳压元件W的第一端与T1的栅极电连接，抗干扰电容C1的第一端与T1的栅极电连接，抗干扰电容C1的第二端与稳压元件W的第二端电连接并连接输出B。当升压器升压时，T1的栅极与漏极之间为截止电压，上述N个MOS管均关断，升压器通过稳压元件W对外供电；当升压器降压时，T1的栅极与漏极之间为导通电压，上述N个MOS管均导通并对负载放电，放电时，稳压元件W与限流电阻R配合限制最大电流。
其中，上述N个均压电阻的阻值相同，且均压电阻的阻值能够满足如下条件：不会明显增加升压器负载并产生额外发热，又能够吸收表面漏电并避免降低电路响应速度。
限压保护元件TVS能够使得MOS管充分导通，且能够保护MOS管的栅极不被击穿。
电容器C的电容量能够满足以下条件：能够消除振荡，且不会明显降低电路响应速度，且电容器C的耐压满足MOS管最高工作电压要求。
限压保护元件MOV的击穿电压低于MOS管的最高工作电压，所述限压保护元件MOV包括但不限于压敏电阻。
稳压元件W为单向稳压，当所述升压器的输出电压高于负载电压时，稳压元件W呈二极管导通特性，以避免消耗升压器的电压；当升压器的输出电压低于负载电压时，稳压元件W用于稳压，并配合T1漏极的限流电阻R防止MOS管导通电流过大。
MOS管实际上工作在线性状态，必须有合理的散热设计。本实施例中，可以将N个MOS管分为多组，每组MOS装配在一个电路板上，多个电路板堆叠达到需要的电压，堆叠的电路板之间的间隙用于强制风冷；或者，用于装配所述高压发生器的电路板采用高密度元件安装，并采用绝缘油冷却。
MOS管均为P沟道MOS管时，升压器的负极与TN的源极电连接，输出A为负，升压器的正极与T1的栅极电连接，输出B为正，稳压元件W的正极与T1的栅极电连接，稳压元件W的负极与输出B电连接。
MOS管均为N沟道MOS管时，升压器的正极与TN的源极电连接，输出A为正，升压器的负极与T1的栅极电连接，输出B为负，稳压元件W的负极与T1的栅极电连接，稳压元件W的正极与输出B电连接。
上述基于MOS管串联放电的高压发生器，共一个时，用于实现单极性输出，可用于2.5kV兆欧表的直流高压电源，能实现测量结束后的快速电容负载放电，按照图(1)(a)所示的结构，等效MOS管采用附图(2)(b)的电路，采用8个MOS管串联组成，其中T1～T8为T0252封装的1N60C，限压保护元件TVS为0805封装的5V的ESD3Z5.0CMT1G双向瞬态抑制二极管，限压保护元件MOV为1812封装的直流击穿电压为340V的压敏电阻，电容器C为1812封装2200pF/1000V瓷片电容，R为2510封装的910KΩ电阻，稳压元件W为DO-214AC封装的单向24V瞬态抑制二极管，限流电阻R为2512封装的1kΩ电阻，抗干扰电容C1为1206封装的1uF/50V瓷片电容，整个电路安装在一块50mm×50mm的电路板上，可以实现18mA的放电电流，能将2uF/2500V负载电容的电压在0.3秒内泄放到5V以下。
上述基于MOS管串联放电的高压发生器，共两个并反向连接时用于实现双极性输出，可用于30kV/20mA/0.1Hz超低频测试仪的高压电源，按照图(1)(b)所示的两个半波发生器反向串联的双极性结构，等效MOS管采用附图(2)(b)的电路，每个等效MOS管采用152个MOS管串联组成，其中T1～T152为T0252封装的1N60C，限压保护元件TVS为0805封装的5V的ESD3Z5.0CMT1G双向瞬态抑制二极管，限压保护元件MOV为1812封装的直流击穿电压为248V的压敏电阻，电容器C为1812封装2200pF/1000V瓷片电容，均压电阻R1～R152为2510封装的120KΩ电阻，稳压元件W为DO-214AC封装的单向24V瞬态抑制二极管，限流电阻R为2512封装的680Ω电阻，抗干扰电容C1为1206封装的1uF/50V瓷片电容；每19只1N60C及其附属元件安装在一块150mm×144mm电路板上，8块电路板堆叠安装，电路板之间通过触针连接。
两个等效MOS管共有16块电路板堆叠安装，一个散热风扇在50mm距离外对准电路板缝隙进行强制风冷。该电路最大放电电流约25mA，能将0.5uF/30kV负载电容的电压在1秒内泄放到100V以下；该电路提供的一个额外的好处是，每个升压器的输出电流必须经过对方的MOS管串联电路才能输出，由于MOS管串联电路的限流作用，即便负载短路，也不会使升压器过流。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对基于MOS管串联放电的高压发生器的具体限定。在本发明的另一些实施例中，基于MOS管串联放电的高压发生器可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。
通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的几种具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

Claims (10)

1.基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于包括：
MOS管串联放电电路，所述MOS管串联放电电路包括N个均压电阻和N个串联的MOS管，所述N个MOS管分别为T1、T2、……、TN，所述N个均压电阻分别为R1、R2、……、RN，上述N个MOS个管中，Ti的源极与Ti+1的漏极电连接，Ti的栅极与Ri的第一端电连接，Ri的第二端与Ti+1的栅极电连接，TN的栅极与RN的第一端电连接，RN的第二端与TN的源极电连接，每个MOS管的栅极和源极之间并联有电容器C，每个MOS管的源极和漏极之间并联有限压保护元件MOV；上述MOS管T2、……、TN中，每个MOS管的栅极与漏极之间并联有限压保护元件TVS；其中，1≤i≤N-1，Ti表示第i个MOS管，Ri表示第i个均压电阻；
升压器，所述升压器的第一端与TN的源极电连接并连接输出A，升压器的第二端与T1的栅极电连接；
限流电阻R，所述限流电阻R的第一端与T1的漏极电连接，限流电阻R的第二端连接输出B；
稳压元件W，所述稳压元件W的第一端与T1的栅极电连接；
抗干扰电容C1，所述抗干扰电容C1的第一端与T1的栅极电连接，抗干扰电容C1的第二端与稳压元件W的第二端电连接并连接输出B；
当升压器升压时，T1的栅极与漏极之间为截止电压，上述N个MOS管均关断，升压器通过稳压元件W对外供电；
当升压器降压时，T1的栅极与漏极之间为导通电压，上述N个MOS管均导通并对负载放电，放电时，稳压元件W与限流电阻R配合限制最大电流。
2.根据权利要求1所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述高压发生器共一个，用于实现单极性输出；所述高压发生器共两个并反向串接，用于实现双极性输出。
3.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述MOS管均为P沟道MOS管，所述升压器的负极与TN的源极电连接，输出A为负，所述升压器的正极与T1的栅极电连接，输出B为正，稳压元件W的正极与T1的栅极电连接，稳压元件W的负极与输出B电连接。
4.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述MOS管均为N沟道MOS管，所述升压器的正极与TN的源极电连接，输出A为正，所述升压器的负极与T1的栅极电连接，输出B为负，稳压元件W的负极与T1的栅极电连接，稳压元件W的正极与输出B电连接。
5.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述N个MOS管分为多组，每组MOS装配在一个电路板上，所述多个电路板堆叠达到需要的电压；上述堆叠的电路板之间的间隙用于强制风冷；
或者，用于装配所述高压发生器的电路板采用高密度元件安装，并采用绝缘油冷却。
6.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述N个均压电阻的阻值相同，且均压电阻的阻值能够满足如下条件：不会明显增加升压器负载并产生额外发热，且能够吸收表面漏电并避免降低电路响应速度。
7.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述限压保护元件TVS能够使得MOS管充分导通，且能够保护MOS管的栅极不被击穿。
8.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述电容器C的电容量能够满足以下条件：能够消除振荡，且不会明显降低电路响应速度，且电容器C的耐压满足MOS管最高工作电压要求。
9.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述限压保护元件MOV的击穿电压低于MOS管的最高工作电压，所述限压保护元件MOV包括但不限于压敏电阻。
10.根据权利要求1或2所述的基于MOS管串联放电的高压发生器，其特征在于所述稳压元件W为单向稳压，当所述升压器的输出电压高于负载电压时，稳压元件W呈二极管导通特性，以避免消耗升压器的电压；当升压器的输出电压低于负载电压时，稳压元件W用于稳压，并配合T1漏极的限流电阻R防止MOS管导通电流过大。
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