CN116346109A - 一种无源高压隔离半导体开关驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，属于脉冲功率技术领域。本发明利用窄脉冲信号控制半导体开关导通，在无脉冲信号输入时，使半导体开关的结电容仅能通过自身极大的泄漏电阻进行电荷泄放，从而延长驱动电压保持时间，实现窄脉冲信号控制半导体开关器件的长时间导通，可以有效避免磁芯饱和并减小磁芯体积。利用负脉冲实现半导体开关器件的可靠关断，能够有效驱动多类半导体开关器件。本发明装置采用模块化与小型化设计，可集成于PCB板并进行塑封，能够有效缩小器件体积，方便拓展应用。

Description

一种无源高压隔离半导体开关驱动装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种无源高压隔离半导体开关驱动装置。

背景技术

近年来，脉冲功率技术在国防科研、高新技术研究和民用工业领域得到了越来越广泛的应用，但它的发展也存在诸多限制因素，如开关技术，在常规脉冲功率技术中，气体开关与液体开关等介质填充开关存在明显缺点，如寿命短、损耗大、稳定性差、重复频率低。半导体开关在开关速度、功率容量方面的改善，使得其应用于脉冲功率技术领域，出现了全固态脉冲功率技术，为脉冲功率技术发展开辟了新的道路。

在脉冲功率技术的应用中，半导体开关工作于高压大电流工况，为满足高压大电流的要求，半导体开关常串并使用，如何保证半导体开关在高电位悬浮工况下的同步驱动导通，并实现信号产生回路与脉冲功率回路的隔离，对于脉冲功率技术中的半导体开关应用具有极大的挑战性。在脉冲功率技术的应用中，开关往往会工作在高电位。目前常见的MOSFET(或者IGBT)开关均是三端结构，用于驱动的栅源极与用于功率通流的漏源极共用了引脚，这是其物理结构决定的。因而，在具体使用这些器件时，必须考虑驱动信号和功率回路的隔离问题。现有半导体开关驱动方式分为有源驱动与无源驱动方式，有源驱动方式利用光纤实现强弱电隔离，但需要利用隔离电源模块为光电信号转换供电，但现有隔离电源模块隔离电压较低，一般不超过6kV，限制了其在高电压(10KV以上)场合的应用；另一种方式采用变压器供电，其系统设计非常复杂，既要设计低边的全桥逆变电路，又要兼顾高边的绝缘、整流。而现有无源驱动常采用磁隔离方式，但受磁芯伏秒积限制，输入脉宽过长时磁芯会饱和，故而导致驱动脉宽和磁芯体积难以兼顾，限制半导体开关的驱动时间，继而限制脉冲电源装置输出电压的脉冲宽度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其目的在于解决现有磁隔离无源驱动方式驱动脉宽和磁芯体积难以兼顾，限制半导体开关的驱动时间的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，包括：驱动信号磁隔离变压器，以及连接于驱动信号磁隔离变压器副边的第一驱动回路和第二驱动回路；

所述驱动信号磁隔离变压器，用于隔离待导通半导体开关所处的高压环境并输入窄脉冲信号；

所述第一驱动回路，用于在输入正脉冲信号时导通，为被驱动的半导体开关栅极电容充电，达到驱动电平后，导通半导体开关；

所述第二驱动回路，用于在输入负脉冲信号时导通，使得所述半导体开关的结电容存储电荷释放，并为结电容反向充电，形成负极性驱动电压，实现半导体开关关断；

所述第一驱动回路和第二驱动回路，在无脉冲信号输入时断开，被驱动的半导体开关的栅源极结电容中存储的电荷，仅能通过自身泄漏电阻进行电荷泄放，维持半导体开关结电容驱动电压保持时间。

进一步地，所述第一驱动回路包括驱动信号磁隔离变压器同名端、第一二极管、半导体开关结电容、第四二极管、第二MOSFET开关管和驱动信号磁隔离变压器异名端。

进一步地，所述第二驱动回路包括驱动信号磁隔离变压器异名端、第三二极管、第二二极管、第一MOSFET开关管和驱动信号磁隔离变压器同名端；所述第二驱动回路与第一驱动回路共用半导体开关结电容。

进一步地，驱动信号磁隔离变压器包括高压脉冲传输线、磁芯和漆包线；高压脉冲传输线穿过磁芯；漆包线绕制于磁芯表面；

高压脉冲传输线，用于输入脉冲信号；磁芯，用于将磁场传输至副边，感应出符合驱动电平要求的脉冲电压信号。

进一步地，所述驱动信号磁隔离变压器采取灌封处理。

进一步地，所述驱动装置采用模块化设计。

进一步地，所述驱动信号磁隔离变压器、第一驱动回路和第二驱动回路集成于PCB板并进行塑封，预留对外输入与输出接口。

进一步地，所述驱动信号磁隔离变压器的输入信号由微控制器产生。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

本发明利用低压(≤±30V)窄(100微秒以内)脉冲信号控制半导体开关导通，在无脉冲信号输入时，半导体开关的结电容仅能通过自身极大的泄漏电阻进行电荷泄放，从而延长驱动电压保持时间，实现窄脉冲信号控制半导体开关器件的长时间导通，可以有效避免磁芯饱和并减小磁芯体积。利用负脉冲实现半导体开关器件的可靠关断，能够有效驱动多类半导体开关器件。

本发明采用模块化与小型化设计，能够有效缩小器件体积，方便拓展应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置的拓扑示意图。

图2为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置在正脉冲信号作用下的系统回路图。

图3为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置在负脉冲信号作用下的系统回路图。

图4为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置的输入信号与输出脉冲时序图。

图5为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置的PCB板示意图。

图6为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置塑封示意图。

图7为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置的实际驱动时序图。

图8为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置的半导体开关导通时序图。

图9为本发明实施例提供的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置的驱动信号驱动时间示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明利用磁芯配合高压线，实现了高低压隔离；利用半导体开关的结电容实现驱动时间的维持，实现了长脉宽的驱动；利用原边正负窄脉冲对驱动脉宽进行控制，可以采用小尺寸的磁芯，实现了驱动模块的小型化；驱动模块具备输出负脉冲的能力，保证了半导体开关的可靠开断；系统采用集成化设计，实现驱动装置的模块化，可以直接使用，无需考虑隔离、供电等问题。

本发明公开的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，如图1所示，主要包括驱动信号磁隔离变压器、信号处理模块与脉冲输出模块。

其中，信号处理模块，实现脉冲信号的整形与逻辑控制，控制两条驱动回路的导通与关断。具体地，信号处理模块主要包括二极管与MOSFET开关管，当驱动信号磁隔离变压器输入脉冲信号时，升压后的脉冲信号使得MOSFET开关管导通，脉冲信号通过二极管与MOSFET开关管构成回路为半导体开关栅极电容充电，达到驱动电平后，导通半导体开关。如图2所示，图中实线为导通回路，当输入正脉冲信号时，脉冲信号经过变压器T升压，高电平使得二极管D₁导通，高电平传输至MOSFET开关管S₂栅极，使得MOSFET开关管导通，脉冲电压通过二极管D₁、半导体开关结电容C_gs、二极管D₄以及MOSFET开关管S₂构成回路为半导体开关结电容C_gs充电，至电容电压达到驱动电压，导通半导体开关。如图3所示，图中实线为导通回路，当输入负脉冲信号时，脉冲信号经过变压器T升压，高电平使得二极管D₃导通，高电平传输至MOSFET开关管S₁栅极，使得MOSFET开关管导通，脉冲电压通过二极管D₃、半导体开关结电容C_gs、二极管D₂以及MOSFET开关管S₁构成回路为半导体开关结电容C_gs反向充电，使得电容上电荷快速释放，同时达到负驱动电压，实现半导体开关的可靠关断。当无脉冲输入时，MOSFET开关管S₁、S₂关断，半导体开关结电容上电荷仅能通过泄漏电阻释放，电压下降缓慢，延长驱动时间，如图4所示，FPGA输入一个低压窄脉冲，即可使得输出脉冲信号为满足半导体开关驱动需求的长脉冲信号。可以通过调节所述正脉冲信号与负脉冲信号的时间间隔控制半导体开关导通时间。

优选地，所述二极管D₁-D₄选用耐压30V，通流100mA，封装0805型号的贴片二极管。所述MOSFET开关管采用英飞凌公司生产的双通道集成型N-MOSFET，耐压30V，通流16A，封装为SO-8，通过集成型MOSFET进一步缩小装置体积。

驱动信号磁隔离变压器，用于功率电路的高压隔离、信号和功率传输，将低电位边信号转化成高电位边信号，实现高低电位隔离。优选地，如图5中501所示，驱动信号磁隔离变压器包括高压脉冲传输线、磁芯与漆包线构成隔离变压器，其中高压脉冲传输线穿过磁芯，漆包线在磁芯上绕制若干匝，其中信号产生回路产生的脉冲信号通过高压脉冲传输线输入，利用脉冲传输线进一步增强绝缘能力，从而减小磁芯体积，减小装置结构，如果要进一步提高隔离电压，可对驱动信号隔离变压器采取灌封措施。驱动信号磁隔离变压器的隔离电压等级由高压脉冲传输线与灌封材料决定，可针对不同电压等级灵活调整。

驱动信号磁隔离变压器的输入信号可由任意信号产生装置产生，优选地，本发明实施例采取微控制器产生输入信号，以便时序控制。

脉冲输出模块，实现与半导体开关的栅极以及源极的连接，驱动半导体开关。

具体地，脉冲输出模块直接连接半导体开关的栅极与源极，利用信号处理电路输出脉冲进行所述半导体开关的驱动。驱动信号磁隔离变压器、信号处理模块以及脉冲输出模块均集成于PCB板并进行塑封，仅预留对外输入与输出接口，实现装置的模块化与小型化，使用时无需外围设计。

如图5所示，驱动信号磁隔离变压器501以及脉冲输出模块503放置于PCB板502正面，信号处理模块504均采用贴片元件，放置于PCB板背面，通过分层设计进一步减小设备体积。如图6所示，对PCB板塑封，仅对外预留输入接口601，输出接口603，其他元件均封装于绝缘材料602内部，装置封装后尺寸为长l为45mm，宽w为20mm，厚度h为9mm，实现设备模块化与小型化，提高设备可靠性。

在一具体实施例中，FPGA输出信号经过驱动电路转换为幅值为10V的正负极性脉冲，隔离变压器信号输入采用20kV硅胶高压导线，信号输出采用1匝漆包线，隔离变压器变比为1:1。在正负脉冲驱动下，碳化硅MOSFET的栅极与源极之间电压U_gs的变化如图7所示，图中通道1为U_gs，通道2为输入正负极性脉冲，在正极性脉冲作用下，MOSFET的结电容充电，电压达到10V并进行保持，实现窄脉宽输入的半导体开关长脉宽驱动，并在负极性脉冲作用下实现可靠关断。

在本实施例中，在正极性脉冲作用下，碳化硅MOSFET的开通上升时间如图8所示，MOSFET在120ns内充电达到正极性脉冲幅值，而碳化硅MOSFET的导通电平为5V，故MOSFET的导通时间即结电容电压由0升至5V的时间约为10ns，通过该方案可以实现半导体开关的快速开通。

在本实施例中，在正极性脉冲作用下，碳化硅MOSFET结电容充电完成后，结电容电压高于5V即可保证MOSFET的可靠导通，其电压保持时间如图9所示，在正极性脉冲作用下，MOSFET的可靠导通时间大于80ms，实现短脉冲作用下半导体开关的长脉冲导通，若要延长导通时间，仅需要在结电容电压下降至5V前即80ms内，再给驱动模块输入正极性短脉冲。通过该方式可以实现短脉冲作用下的开关持续导通，并有效避免磁芯饱和，实现无源高压隔离的半导体开关驱动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，包括：驱动信号磁隔离变压器，以及连接于驱动信号磁隔离变压器副边的第一驱动回路和第二驱动回路；

所述驱动信号磁隔离变压器，用于隔离待导通半导体开关所处的高压环境并输入窄脉冲信号；

所述第一驱动回路，用于在输入正脉冲信号时导通，为被驱动的半导体开关栅极电容充电，达到驱动电平后，导通半导体开关；

所述第二驱动回路，用于在输入负脉冲信号时导通，使得所述半导体开关的结电容存储电荷释放，并为结电容反向充电，形成负极性驱动电压，实现半导体开关关断；

所述第一驱动回路和第二驱动回路，在无脉冲信号输入时断开，被驱动的半导体开关的栅源极结电容中存储的电荷，仅能通过自身泄漏电阻进行电荷泄放，维持半导体开关结电容驱动电压保持时间。

2.根据权利要求1所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，所述第一驱动回路包括驱动信号磁隔离变压器同名端、第一二极管、半导体开关结电容、第四二极管、第二MOSFET开关管和驱动信号磁隔离变压器异名端。

3.根据权利要求2所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，所述第二驱动回路包括驱动信号磁隔离变压器异名端、第三二极管、第二二极管、第一MOSFET开关管和驱动信号磁隔离变压器同名端；所述第二驱动回路与第一驱动回路共用半导体开关结电容。

4.根据权利要求3所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，驱动信号磁隔离变压器包括高压脉冲传输线、磁芯和漆包线；高压脉冲传输线穿过磁芯；漆包线绕制于磁芯表面；

高压脉冲传输线，用于输入脉冲信号；磁芯，用于将磁场传输至副边，感应出符合驱动电平要求的脉冲电压信号。

5.根据权利要求4所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，所述驱动信号磁隔离变压器采取灌封处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，所述驱动装置采用模块化设计。

7.根据权利要求6所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，所述驱动信号磁隔离变压器、第一驱动回路和第二驱动回路集成于PCB板并进行塑封，预留对外输入与输出接口。

8.根据权利要求3所述的一种无源高压隔离半导体开关驱动装置，其特征在于，所述驱动信号磁隔离变压器的输入信号由微控制器产生。

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