CN216959655U - 用于脉冲发生器的栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于脉冲发生器的栅极驱动电路，包括驱动电路和多个开关管；开关管串联，首个开关管的漏极接电压正压端；相邻开关管之间的漏极和源极连接；末尾开关管的源极接地；驱动电路包括脉冲变压器、多个栅极开通关断时间调整电路和多个栅极正负压驱动电压形成电路；栅极开通关断时间调整电路、栅极正负压驱动电压形成电路和开关管对应设置；脉冲变压器连接栅极开通关断时间调整电路；栅极开通关断时间调整电路对应连接栅极正负压驱动电压形成电路；栅极正负压驱动电压形成电路对应连接开关管的栅极。本实用新型解决了开关管串联应用于高压脉冲开关、刚性脉冲调制、高压脉冲电源等架构下开关管的栅极浮动驱动问题。

Description

用于脉冲发生器的栅极驱动电路

技术领域

本实用新型涉及驱动电路的技术领域，具体地，涉及一种用于脉冲发生器的栅极驱动电路。尤其是，优选的涉及一种用于高压脉冲发生器的SiCMOS栅极驱动电路。

背景技术

在X光机、医疗电源、离子发生器、激光器、雷达等领域，需要产生10kV到几百kV的功率脉冲信号，不同的应用领域对功率脉冲信号的上升时间、下降时间、以及反向恢复功率大小等要求越小越好，开关重复频率高(10kHz以上)、脉宽窄(小于100ns)，因此以往采用IGBT作为脉冲开关的方式很难满足新的需求。第三代半导体SiCMOS(Silicon CarbideMOSFETs，碳化硅场效应晶体管)具有的高压、高频、低开关损耗等特点是该领域应用的最佳选择。IGBT英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor，中文译文为绝缘栅双极型晶体管。

SiCMOS栅极驱动可利用现有硅基MOS或IGBT专业集成驱动器进行改造，或者利用分离器件自行搭建驱动。利用专业驱动器存在串联高压悬浮驱动时存在驱动型信号和高压浮地，利用分离器件搭建则需设计高压隔离度的辅助电源、及MCU信号的隔离放大，譬如光纤传输，但光纤传输受温度影响大，产生漂移和延时。另外光纤高压接收端需要高位取能电源，综上可以看出，采用现在的方案存在结构复杂、栅极驱动端占用设备面积大，高压脉冲变换本身就存在强度很大dv/dt di/dt变化，过于复杂的驱动形式、寄生参数会产生严重的栅极高频振荡、进而损坏驱动电路或SiCMOS本体，严重时会导致所有串联的SiCMOS漏源(DS)高压击穿。

公开号为CN105337480A的中国发明专利文献公开了一种开关管串联的栅极驱动电路，包括：第一开关管、第二开关管、开启信号发生器、关断信号比较器、触发器、延时电路、启动电路、驱动级单元。第一开关管和第二开关管串联组成功率开关管，承担流入功率电流的作用；开启信号发生器和关断信号比较器分别提供打开和关断信号，触发器接收打开和关断信号之后合成一个开关信号传送给驱动级单元，延时电路作用于驱动级单元和第一开关管之间，起到延时的作用，启动电路连接在DRAIN端引脚和电源引脚VCC之间，在开机启动时给VCC电容提供充电电流，驱动级单元实现功率管的驱动功能。

针对上述中的相关技术，发明人认为开关管串联应用于高压脉冲开关、刚性脉冲调制、高压脉冲电源等架构下开关管的栅极浮动驱动。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种用于脉冲发生器的栅极驱动电路。

根据本实用新型提供的一种用于脉冲发生器的栅极驱动电路，包括驱动电路和多个开关管；

所述开关管串联，首个所述开关管的漏极接电压正压端；相邻所述开关管之间的漏极和源极连接；末尾开关管的源极接地；

所述驱动电路包括脉冲变压器、多个栅极开通关断时间调整电路和多个栅极正负压驱动电压形成电路；

所述栅极开通关断时间调整电路、栅极正负压驱动电压形成电路和开关管对应设置；

所述脉冲变压器连接栅极开通关断时间调整电路；

所述栅极开通关断时间调整电路对应连接栅极正负压驱动电压形成电路；

所述栅极正负压驱动电压形成电路对应连接开关管的栅极。

优选的，所述开关管包括SiCMOS、SiMOS或IGBT。

优选的，所述驱动电路还包括功率放大电路；

所述脉冲变压器包括初级线圈和多个次级线圈；

所述功率放大电路连接初级线圈的第1端口和第2端口；

所述次级线圈和栅极开通关断时间调整电路对应设置；

所述次级线圈的第1端口对应连接栅极开通关断时间调整电路；

所述次级线圈的第2端口对应连接开关管的源级。

优选的，所述栅极开通关断时间调整电路包括第一电阻、第二电阻和第一二极管；

所述次级线圈的第1端口分别连接第二电阻的一端和第一电阻的一端；

所述第一电阻的另一端连接第一二极管的负极；

所述第二电阻的另一端连接第一二极管的正极。

优选的，所述栅极正负压驱动电压形成电路包括第三电阻、第一电容、第二二极管、第三二极管和第四电阻；

所述第二电阻的另一端还分别连接第三电阻的一端和第一电容的一端；

所述第三电阻的另一端连接第一电容的另一端、第二二极管的负极、第四电阻的一端和开关管的栅极；

所述第二二极管的正极连接第三二极管的正极；

所述次级线圈的第2端口还对应连接第三二极管的负极、第四电阻的另一端。

优选的，所述功率放大电路还连接有波形。

优选的，所述第一电阻包括开通调节电阻，第二电阻包括关断调节电阻。

优选的，所述第一电容包括关断负压储能电容，第二二极管包括正压钳位二极管，第三二极管包括负压钳位二极管。

优选的，所述压钳位二极管包括15V～18V齐纳二极管。

优选的，所述负压钳位二极管包括1.2V～5V齐纳二极管。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型解决了开关管串联应用于高压脉冲开关、刚性脉冲调制、高压脉冲电源等架构下开关管的栅极浮动驱动问题；

2、本实用新型通过采用无源方式产生正负驱动脉冲，满足高压隔离问题；

3、本实用新型通过脉冲变压器、功率放大电路、栅极开通关断时间调整电路和栅极正负压驱动电压形成电路的连接，无需高压隔离辅助电源及高位取能电源，电路简单有效，适用性广泛；

4、本实用新型脉冲变压器次级侧的采用电阻、电容、二极管等被动器件实现SiCMOS栅极驱动电压，同时可以针对不同产商的SiCMOS进行驱动电压调整，开启关断时间也可方便调整。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型用于高压脉冲发生器的SiCMOS栅极驱动电路的电路示意图；

图2为本实用新型突出脉冲变压器T1的电路示意图；

图3为本实用新型突出栅极开通关断时间调整电路的电路示意图；

图4为本实用新型突出栅极正负压驱动电压形成电路的电路示意图；

图5为本实用新型波形的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例公开了一种用于高压脉冲发生器的SiCMOS栅极驱动电路，如图1所示，包括驱动电路和多个开关管；驱动电路能够连接多个开关管的栅极；开关管串联。首个所述开关管的漏极接电压正压端，相邻所述开关管之间的漏极和源极连接，末尾开关管的源极接地。开关管包括SiCMOS、SiMOS或IGBT。

驱动电路包括脉冲变压器(如图2所示)、功率放大电路、多个栅极开通关断时间调整电路(如图3所示)和多个栅极正负压驱动电压形成电路(如图4所示)。栅极开通关断时间调整电路、栅极正负压驱动电压形成电路和开关管一一对应设置。脉冲变压器连接栅极开通关断时间调整电路。栅极开通关断时间调整电路对应连接栅极正负压驱动电压形成电路。栅极正负压驱动电压形成电路对应连接开关管的栅极。脉冲变压器T1采用单输入多输出脉冲变压器T1(图2)。

脉冲变压器包括一组初级线圈和多个次级线圈。栅极开通关断时间调整电路包括第一电阻、第二电阻和第一二极管。栅极正负压驱动电压形成电路包括第三电阻、第一电容、第二二极管、第三二极管和第四电阻。第一电阻包括开通调节电阻，第二电阻包括关断调节电阻。第一电容包括关断负压储能电容，第二二极管包括正压钳位二极管，第三二极管包括负压钳位二极管。压钳位二极管包括15V～18V齐纳二极管；负压钳位二极管包括1.2V～5V齐纳二极管。

功率放大电路(初级功率放大电路)连接初级第1端口(同名端m1)和第2端口(异名端m2)。次级线圈和栅极开通关断时间调整电路一一对应设置。次级线圈的第1端口(同名端)对应连接栅极开通关断时间调整电路。

次级线圈的第1端口(同名端)分别连接第二电阻的一端和第一电阻的一端。第一电阻的另一端连接第一二极管的负极。第二电阻的另一端分别对应连接第一二极管的正极、第三电阻的一端和第一电容的一端。第三电阻的另一端连接第一电容的另一端、第二二极管的负极、第四电阻的一端和开关管的栅极。第二二极管的正极连接第三二极管的正极。次级线圈的第2端口(异名端)对应连接开关管的源级、第三二极管的负极、第四电阻的另一端。

具体为，高压隔离驱动变压器(脉冲变压器)，包括输入线圈m(初级线圈)，n+1个输出线圈p(次级线圈)。脉冲变压器，选择超微晶环形磁芯，变比为1:1.5；磁环进行聚四氟乙烯或者环氧树脂进行绝缘处理，输入导线为普通多股漆包线、输出导线为高压线。T1各输出绕组的同名端p1、p11、p12···p1n(次级线圈的第1端口)分别对应Q1、Q11、Q12···Q1n(开关管)的栅极开通关断时间调整电路；T1各输出绕组的异名端p2、p21、p22···p2n(次级线圈的第2端口)分别对应Q1、Q11、Q12···Q1n的源极(S端)。开关管包括SiCMOS。栅极正负驱动电压形成电路连接所对应的SiCMOS栅极。SiCMOS脉冲开关管(开关管Q)源极(S端)接高压功率地，Q1漏极(D端)接Q11源极(S端)；Q11漏极(D端)接Q12源极(S端)，依次连接直到Q1n漏极(D端)接高压电压正压端。

栅极开通关断时间调节电路包括开通调节电阻R1、R11···R1n(第一电阻)、关断调节电阻R2、R21···R2n(第二电阻)、快恢复二极管D1、D11···D1n(第一二极管)。T1各输出绕组的同名端分别连接电阻R1、R11···R1n，电阻R2、R21···R2n。电阻R1、R11···R1n、电阻R2、R21···R2n、二极管D1、D11···D1n按照图3椭圆部分所示连接。

栅极正负压驱动电压形成电路包括电阻R3、R31···R3n(第三电阻)、关断负压储能电容C1、C11···C1n(第一电容)、正压钳位二极管D2、D21···D2n(第二二极管)、负压钳位二极管D3、D31···D3n(第三二极管)、电阻R4、R41···R4n。正压钳位二极管D2、D21···D2n采用15V～18V齐纳二极管。负压钳位二极管D3、D31···D3n采用1.2V～5V齐纳二极管。正负压驱动电压形成电路电阻R3、R31···R3n、电容C1、C11···C1n、二极管D2、D21···D2n、二极管D3、D31···D3n、电阻R4、R41···R4n按照图4椭圆部分所示连接。

电容C1、C11···C1n容量根据SiCMOS依据以下公式计算：

C＝Qg/dv

Qg＝I×t

其中C表示电容；Qg为SiCMOS栅极总电荷；dv为负压关断是允许的电压衰减值；I为充放电设定的电流；t为实际应用中所需的开通关断时间。

功率放大电路还连接有波形。脉冲波形相位及伏值如图5所示，第一波形为MCU产生的TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管－晶体管逻辑)或CMOS(Complementarymetal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物场效应管)电平；第二波形为脉冲变压器输入侧和输出侧波形，该波形相位、伏值、宽度、占空比一致，经过输入侧功率放大电路单元，使输出侧波形具备带载能力，满足SiCMOS的驱动能量需求。第三波形为栅极正负驱动电压形成电路形成的栅极驱动波形，该波形直接作用于SiCMOS的栅极(G端)；第四波形为高压脉冲。

本实用新型解决高压应用时多颗SiCMOS串联时栅极悬浮驱动的问题。本实用新型通过采用无源方式产生正负驱动脉冲。满足高压隔离问题。满足栅极功能需求情况下，电路简单有效。

如图1所示，多颗SiCMOS(Q1、Q11、Q12···Q1n)串联情况下，栅极驱动信号需要相位一致，开启和关断时间相同，栅极驱动电路参数一致、PCB布局一致、串联器件的漏电流一致等，才能保证多颗SiCMOS串联使用导通和关断一致。因此需要栅极驱动电路结构简单、紧凑，这样减少设计的复杂性、简化PCB布局、减少电路寄生参数，同时采用RCD吸收电路抑制动态均压开通和关断瞬间的尖峰电压。PCB英文全称为Printed Circuit Board，中文译文为印制电路板。RCD吸收电路英文全称为RCD absorption circuit。

多颗SiCMOS(Q1、Q11、Q12···Q1n)串联高压驱动的隔离方式采用脉冲变压器方式，脉冲变压器将MUC(Microcontroller Unit，微控制单元)产生的脉冲小信号进行隔离，脉冲变压器隔离驱动有以下优点：1、隔离电压高(几kV～几百kV)；2、单输入多输出脉冲变压器可有效满足串联驱动的同步问题；3、脉冲变压器的输入输出脉冲可根据实际需求设计为30V驱动脉冲，可在输入侧实现驱动功率放大。

SiCMOS在长期的栅极电应力下会产生阈值漂移现，同时高压应用环境下，SiCMOS处于复杂的电磁环境，加之栅极驱动处于高压浮动电位，误导通风险更大，因此需增加栅极驱动负压来解决上述问题。

脉冲变压器次级侧的采用电阻、电容、齐纳二极管、快恢复二极管等器件实现SiCMOS栅极驱动电压(-5V～18V)，同时可以针对不同产商的SiCMOS进行驱动电压调整，开启关断时间也可方便调整。该方式简单可靠、布局简洁，电路参数一致性好，寄生参数小，特别适合多颗SiCMOS(Q1、Q11、Q12···Q1n)串联高压应用环境。

本实用新型通过脉冲变压器初级功率放大和SiCMOS栅极负压产生方法。相对于集成控制器驱动技术本实用新型电路简单成本低、设计灵活适用性宽泛。集成控制器驱动需要为控制器高压隔离供电、辅助供电电源体积大；MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)产生的脉冲小信号需要光纤隔离传输、同时光纤接收端需要5V高位取能电源。

综上所述，本实用新型电路十分简单、无需高压隔离辅助电源及高位取能电源，所用PCB面积呈数量级减少。并且针对不同电压，采用本实用新型的设计规则可灵活实现具体技术需求。

本实用新型的SiCMOS可更换为IGBT、SiMOS或带有开尔文脚的SiCMOS。本实用新型的高压正压电可更换为高压负压电，Q1n漏极(D端)接高压负压电的功率地，Q1源极(S端)接高压负压电的负压端，以此形成负高压脉冲。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，包括驱动电路和多个开关管；

所述开关管串联，首个所述开关管的漏极接电压正压端；相邻所述开关管之间的漏极和源极连接；末尾开关管的源极接地；

所述驱动电路包括脉冲变压器、多个栅极开通关断时间调整电路和多个栅极正负压驱动电压形成电路；

所述栅极开通关断时间调整电路、栅极正负压驱动电压形成电路和开关管对应设置；

所述脉冲变压器连接栅极开通关断时间调整电路；

所述栅极开通关断时间调整电路对应连接栅极正负压驱动电压形成电路；

所述栅极正负压驱动电压形成电路对应连接开关管的栅极。

2.根据权利要求1所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述开关管包括SiCMOS、SiMOS或IGBT。

3.根据权利要求1所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括功率放大电路；

所述脉冲变压器包括初级线圈和多个次级线圈；

所述功率放大电路连接初级线圈的第1端口和第2端口；

所述次级线圈和栅极开通关断时间调整电路对应设置；

所述次级线圈的第1端口对应连接栅极开通关断时间调整电路；

所述次级线圈的第2端口对应连接开关管的源级。

4.根据权利要求3所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述栅极开通关断时间调整电路包括第一电阻、第二电阻和第一二极管；

所述次级线圈的第1端口分别连接第二电阻的一端和第一电阻的一端；

所述第一电阻的另一端连接第一二极管的负极；

所述第二电阻的另一端连接第一二极管的正极。

5.根据权利要求4所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述栅极正负压驱动电压形成电路包括第三电阻、第一电容、第二二极管、第三二极管和第四电阻；

所述第二电阻的另一端还分别连接第三电阻的一端和第一电容的一端；

所述第三电阻的另一端连接第一电容的另一端、第二二极管的负极、第四电阻的一端和开关管的栅极；

所述第二二极管的正极连接第三二极管的正极；

所述次级线圈的第2端口还对应连接第三二极管的负极、第四电阻的另一端。

6.根据权利要求3所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述功率放大电路还连接有波形。

7.根据权利要求4所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述第一电阻包括开通调节电阻，第二电阻包括关断调节电阻。

8.根据权利要求5所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述第一电容包括关断负压储能电容，第二二极管包括正压钳位二极管，第三二极管包括负压钳位二极管。

9.根据权利要求8所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述压钳位二极管包括15V～18V齐纳二极管。

10.根据权利要求8所述的用于脉冲发生器的栅极驱动电路，其特征在于，所述负压钳位二极管包括1.2V～5V齐纳二极管。

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