一种快速、耐高压固态开关的制作方法

本发明属于高压开关技术领域，具体涉及一种高压固态开关。

背景技术：

高压固态开关，可应用于多种领域，如：电力系统断路器、高压医疗电源、雷达发射器、污水处理等脉冲功率。目前一些应用场合，需要高压固态开关具有快速，损耗低等特点，并需要控制、调节高压电源和高压负载之间导通、关断的开关频率和时间。传统的高压固态开关由于复杂的保护电路、较差的动态响应和较低的导通损耗等问题，导致输出电压压降大、带载能力低、故障响应速度慢，从而制约了的高压脉冲电源的整体输出性能。

目前高压固态开关方案还是沿用早期方案，一种是采用单体高耐压等级的功率器件，实现控制主功率导通和关断的目标，但由于受到耐压等级的限制，因此在可靠性和灵活性上存在缺陷，另外单体器件的体积较大。另一种采用多个开关器件串联，但开关速度慢、保护电路考虑不全面，而且导通损耗较大，因此对一些可靠性、体积和损耗有很严格要求的领域，采用这两种方案的高压固态开关应用受到限制。同时传统的高压开关也不具备较宽范围频率调节的能力。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明采用小体积、低导通损耗的sic-mosfet器件进行串联实现的高压固态开关的主通、断路径，同时设计的高压侧驱动电路能够快速根据控制指令，完成对各路串联开关器件的控制，另外增加了保护电路。本发明提出的高压固态开关方案，具有电路设计简单、模块化、体积小、可靠性高及导通损耗低等优点。

本发明具体通过如下技术方案实现：

本发明采用低导通损耗的sic型mosfet进行串联，每个串联器件采用独立的驱动电路，实现电气隔离。本发明中各路串联器件采用一个共同驱动磁环，原边一路绕组、副边多路绕组，当原边绕组给定控制信号后，通过电磁感应将控制信号传递到副边的各路驱动电路中，以实现所有串联器件的同步导通和关断。为保证每个串联器件的可靠开关，本发明又设计了保护电路，用于防止串联器件承受电压超过自身额定电压。

本发明中副边串联的开关器件包括一个独立的驱动电路，当副边绕组为正向脉冲时，驱动电路可在对应器件上产生正向电压，保证其处于导通；当副边绕组为负向脉冲时，驱动电路会在对应器件上产生负向电压，使得其保持关断状态。

本发明提出的高压固态开关，采用半导体器件串联，通过磁隔离及高频载波方式，实现低压控制指令对高压电源导通、关断控制。本发明的高压固态开关由弱电侧逻辑调理电路，驱动隔离变压器，强电侧驱动电路和均压保护电路组成。逻辑调理电路位于弱电侧，用于将开关控制指令转变为作为导通、关断的脉冲驱动信号。其中，代表导通指令的高电平在隔离变压器原边转换正向脉冲信号；代表关断指令的低电平在变压器原边转换为负向脉冲信号。驱动电路位于高压侧，用于将变压器原边的脉冲控制指令转变为控制主功率的开关信号，其中正向脉冲信号转换为正电压用于导通各路串联开关器件，负向脉冲信号转换为负电压或零电压用于使开关器件保持关断状态。均压保护电路也位于高压侧，用于保护串联器件。

附图说明

图1是本发明的快速、耐高压固态开关结构框图；

图2是3个mosfet串联的高压固态开关电路图；

图3是高压侧驱动电路拓扑结构；

图4是保护电路电压箝位示意图；

图5是采用高压固态开关为脉冲负载供电图。

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。

本发明提出的快速、耐高压固态开关的电路结构如附图1所示，高压固态开关介于高压电源与负载之间，其中高压开关的高压侧由多个串联的开关器件组成，例如采用额定电压为1200v的器件，当三个开关器件串联时可以承受3600v的电压，同时依据实际要求还可串联多个器件来满足更高电压的工况。为了降低导通时的通态损耗，还可进行开关器件的并联。

在电路中，每个开关器件对应一个驱动电路(vd1,vd2,…,vdn)，sic-mosfet具有通态损耗低，寄生电容小，动态响应快及耐高温性能好，因此本发明串联器件采用了sic-mosfet(应当理解，此处所描述的具体实施采用sic-mosfet仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明)。本发明的高压固态开关中包括一个驱动磁环，其中原边为单路绕组，副边为多路绕组连接各路对应串联开关器件的驱动电路上。每路驱动电路是浮地状态，原边控制信号通过电磁感应传递到副边，从而实现同时控制所有串联器件导通、关断的目的，即达到控制高压固态开关的目的。

本发明中，高压开关由多个sic-mosfet串联，因此当导通或关断状态下，可能会由于器件参数差异，导致某一路器件出现过压，如果不添加控制，可能会出现整个高压固态开关损坏的风险。因此针对实际应用情况，可适当添加均压保护电路(vl1,vl2,…,vln)。

附图2所示为三个开关器件串联的电路结构，包括原边逻辑调理电路，变压器副边驱动电路以及保护箝位电路。本发明驱动方式采用高频变压器，为了将低频控制信号传递到高压侧，先将控制指令转变成脉冲信号，实例如：代表闭合指令的高电平5v，经调理电路变换成0v到+12v的脉冲信号，代表关断的低电平0v，经调理电路转换成-12v到0v的脉冲信号。

通过驱动变压器将脉冲信号传递到高压侧，再经高压侧驱动电路，将脉冲信号转回到低频控制指令。

高压侧驱动电路如附图3所示，包括第一mos管6、第二mos管8、第一电阻7、第二电阻9。其中，第一mos管6的源极与副边线圈的同名端相连，第一mos管6的漏极分别与第一电阻7的一端、第二电阻9的一端以及第二mos管8的栅极相连，第一mos管6的栅极分别与副边绕组的异名端、第二mos管8的源极相连，第二mos管8的漏极分别与第二电阻9的另一端、与所述驱动电路对应的开关器件的源极相连，所述开关器件的栅极与第一电阻7的另一端相连。

代表闭合指令的0v到12v脉冲，经过匝比为1:1的变压器后，副边各绕组电压也会建立0v到+12v脉冲。当为+12v时，驱动电路3中mos管6反向寄生二极管导通，忽略二极管的导通压降，mos管8的vgs8电压也为+12v，主功率管1的栅源极电压同样为+12v，主功率管1导通，当脉冲信号由+12v转换为0v时，由于mos管8的vgs8电压为0v，因此驱动电路3为开路状态，栅源极之间寄生电容所维持的12v电压没有泄放通路，因此栅源极之间一直保持电压+12v。但由于器件寄生电阻和泄放电阻9的存在，因此vgs1电压不能长时间维持。为保证vgs1一直维持在高电平，需要第二个脉冲继续为栅极电容充电。通过这种持续脉冲向寄生电容充电的方式，会一直保证vgs1处于高电平，因此所有其他路串联器件栅-源电压也都处于高电平，进而高压开关模块处于导通状态。

当控制指令为0v时，原边调理电路a、b两点电压为-12v到0v的脉冲信号，此时副边各绕组的电压也为-12v到0v，当副边为-12v时，驱动电路mos管8的寄生二极管导通，mos管6的vgs6电压为12v，主开关管vgs1电压为-12v，此时主开关管处于关断状态；当为0v时由于驱动电路不导通，因此主功率管一直维持在-12v。负脉冲信号可持续给定也可固定给定几个，其目的都是为了将主功率管的栅极电荷泄放完毕，保证其一直维持关断状态。另外在栅-源极之间也可以添加双向稳压管箝位，将两极电压箝位到开关管栅极安全工作的电压范围。

本发明中，高压开关由多个sic-mosfet串联，因此当导通或关断状态下，可能会由于器件参数差异，导致某一路器件出现过压，如果不添加控制，可能会出现整个高压固态开关损坏的风险。

针对上述问题，本发明中给出三种保护方案，第一种为ra1和rb1电路，用于保证在关断时，各串联器件所承受电压一致。在瞬态开关过程中，当某一路器件承受电压过高时，由第二种缓冲电路r`a1和ca1来吸收电压尖峰。第三种为箝位保护电路，当电压尖峰较大时，通过该电路来完成保护。该电路由多个tvs管反向串联组成，其中电压设定如附图4所示，tvs反向击穿电压为v2，正常工作电压为v1，每个串联的器件的损坏电压为v3。正常工作电压为v1，当出现过压超过v2时就会被箝位到v2，由于v2低于v3开关器件一直处于安全电压之内。通过三种保护方案，可以有效保护高压固态开关的可靠运行，当然实际选用的保护方案可根据实际情况进行确定。

当高压固态开关用于脉冲功率场合时，采用方案如附图5所示，其中两个高压固态开关的时序为互补导通，(当给脉冲负载供电时，高压开关s1导通s2关断，当关断时，s1关断s2导通)。而添加s2的一个好处是为负载提供电流续流通路，维持高压脉冲功率上升和下降沿的快速性。

本发明的优点主要包括：开关动作快速、通态损耗低、体积小、重量轻、模块化、可扩容。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。