一种基于阵列式Mosfet的可控脉冲宽度的高压开关的制作方法

一种基于阵列式mosfet的可控脉冲宽度的高压开关
技术领域
1.本实用新型涉及阵列mos管领域，特别涉及一种基于阵列式mosfet的可控脉冲宽度的高压开关。


背景技术：

2.mosfet半导体场效应管具有开通速度快(开通时间一般10
‑
100ns)，开通状态可控等优点，可以用来实现要求超快速控制的电路。随着科技发展，需要一款可以实现高电压、超快速(100ns内)导通、脉冲宽度可控制的开关，这些开关可应用于粒子加速器、半导体蚀刻机、激光器、雷达等行业的发展。
3.参照现有公开号为cn100546185c的中国专利，其公开了高压脉冲电路，包括两组串联开关，及电压平衡电路，两组开关交替导通完成对负载的脉冲输出和放电。输出脉冲电压幅值可达10kv以上，脉冲最优上升时间为1 μs，最优下降时间为100ns。
4.上述的这种高压脉冲电路具有可驱动多种负载，成本低，脉冲上升和下降时间短，重复频率高，体积小，脉冲宽度和频率均可调等特点。但是上述的这种高压脉冲电路依旧存在着一些缺点，如：一：由于mosfet的开通与关断由驱动极的电平信号决定，当输入高电平时开关导通，输入低电平时开关关断，二：无法在mosfet阵列开关驱动极得到与给定方波控制信号完全一致的驱动信号。


技术实现要素：

5.针对背景技术中提到的问题，本实用新型的目的是提供一种基于阵列式mosfet的可控脉冲宽度的高压开关，以解决背景技术中提到的问题。
6.本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种基于阵列式mosfet的可控脉冲宽度的高压开关，包括第一dc
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dc 升压电路，所述第一dc
‑
dc升压电路电性连接有方波脉冲信号检测，所述方波脉冲信号检测电性连接有正脉冲微分电路和负脉冲微分电路，所述正脉冲微分电路和所述负脉冲微分电路上分别电性连接有电磁耦合驱动器，两组所述电磁耦合驱动器上分别电性连接有正脉冲积分电路和负脉冲积分电路，所述正脉冲积分电路和所述负脉冲积分电路均电性连接mosfet开关阵列，所述mosfet开关阵列电性连接有均压电路，所述第一dc
‑
dc升压电路电性连接有第二dc
‑
dc升压电路，所述第二dc
‑
dc升压电路电性连接所述正脉冲微分电路。
8.通过采用上述技术方案，驱动模块使用5v供电(专利不限于5v电压，以下等同)，驱动信号为5v电平(不限于5v)；
9.第一dc
‑
dc升压电路：是将5v的供电电源升压至较高电压，这个较高电压约10
‑
30v，目的在于给脉冲信号放大电路供电；
10.第二dc
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dc升压电路：是将5v的供电电源升压至高压，高压电压约 30
‑
200v，此电压目的在于有足够高的电压以产生上升沿ns级信号，用来驱动电磁耦合器，使mosfet阵列导通速度更快。利用了倍压回路，最高可产生数百伏电压；
11.方波脉冲信号检测：输入的电子开关驱动电平经过1a和1b两个反相器进行去干扰后，再经过c37进行滤波，将与输入信号完全一致的纯净的方波信号tp1驱动v10 mosfet管，目的是输出与输入信号高电平完全一致的放大功率的方波信号，此信号用来驱动目标mosfet阵列开关进行快速导通。
12.tp1信号经过1c反相器取反后得到与输入信号完全相反的tp2信号，用来驱动v11 mosfet管，目的是输出与输入高电平完全相反的方波信号，此信号用来驱动目标mosfet阵列开关进行快速关断；
13.正(负)脉冲微分电路：由于电磁耦合器是微分器件，只能响应脉冲信号，无法对方波的持续脉宽进行有效耦合，因此正负脉冲微分电路目的是将方波脉冲信号检测的输出正负方向的方波以高频脉冲的形式输出到电磁耦合器，以使耦合器次级可以通过积分电路将微分信号形成方波；
14.当tr输入一个正向脉冲时，经过方波信号检测在tp3输出与tr输入脉冲完全一致的方波信号，在tp6端口输出与tr完全相反的方波信号(原理见脉冲检测电路)。
15.tp3信号经过u2加法反向器，再经过c2进行微分后，可得到一串总宽度与tp3电平时间相同的高频脉冲，但脉冲方向为反向，高频脉冲的频率与c1和r1的积分时间有关，可通过调整rc常数调整高频脉冲频率。
16.tp6的反向信号经过u3加法反向器，再经过c4微分后，可得到一串总宽度与tp6高电平持续时间相同的高频脉冲(与tr给定电平信号正好相反)，但脉冲方向相反，高频脉冲的频率与c2和r2的积分时间有关，可通过调整rc常数调整高频脉冲频率。
17.同向的tp4高频脉冲信号经过u4反向后驱动v1 mosfet开关，输出一串正向的脉冲信号。
18.与tr脉冲宽度相反的tp6高频脉冲信号经过u5反向后驱动v2 mosfet 开关，输出一串正向的与tr脉冲正好想反的正向脉冲信号；
19.阵列式开关模块：
20.电磁耦合驱动器：由磁环和绕组构成，每个并联的可控硅组使用一组独立磁环绕组进行驱动(包括正向脉冲电磁耦合器t1,正向脉冲加速器t3，以及反向脉冲耦合器t2)，单个磁环绕制2
‑
5匝不等(根据驱动信号匹配)，采用漆包线绕制，次边绕组一段接可控硅驱动极，一端接阴极，初级绕组为驱动模块输出的脉冲电流，一般穿心式，绕制匝数1
‑
10匝(根据驱动信号进行匹配)，隔离电压需大于最高工作电压。
21.正脉冲积分电路(导通控制)：由驱动绕组l1，电磁耦合器t1，rc滤波c7、r40，整流二极管u39(2
‑
3)，滤波电阻r38，稳压二极管d12等器件组成。
22.tp5输出的正向(导通)脉冲经过l1绕组通过t1电磁耦合驱动器在输出端tp10输出与tp5类似的脉冲，经过c7、r40滤波后，通过u39(2
‑
3) 整流二极管输出直流至tp12，在经过电阻r38与稳压二极管d12，利用 mosfet驱动极的节点电容进行积分形成直流电压，驱动mosfet阵列开关，各mosfet驱动极串联一个电阻(r43
‑
r47)，给定脉冲宽度的电平信号tr 持续导通时，tp5的高频脉冲通过电磁耦合器将在mosfet阵列开关驱动极形成持续直流，使mosfet开关导通。
23.反向脉冲积分电路(关断控制)：tp8输出的反向(关断)脉冲经过l2 绕组通过t2电磁耦合驱动器在输出端tp20输出与tp8类似的脉冲，通过 u39(1
‑
4)整流二极管输出直流至
tp21，在经过稳压二极管d13，利用mosfet 驱动极的节点电容进行积分形成直流电压，驱动u48关断mosfet阵列开关，给定脉冲宽度的电平信号tr复位为0v时，tp8的高频脉冲通过电磁耦合器驱动u48使mosfet阵列开关的驱动极短路放电，使mosfet开关关断。
24.u47是利用导通脉冲信号的上升沿驱动，可将u48关断mosfet的驱动短路放电，从而可以快速是mosfet阵列开关导通。
25.u38是利用tp5的导通脉冲驱动，利用高压端电压直接驱动开关管导通，可以有效提高mosfet阵列开关的导通速度。
26.较佳的，所述方波脉冲信号检测、所述正脉冲微分电路、所述负脉冲微分电路、所述脉冲输出电路和所述dc
‑
dc升压电路组成驱动模块，所述驱动模块电性连接外部输入的ttl电平信号。
27.通过采用上述技术方案，可以实现对系统进行驱动，并且实现对电平信号进行输入。
28.较佳的，所述电磁耦合驱动器、所述正脉冲积分电路、所述负脉冲积分电路、所述mosfet开关阵列和均压电路组成阵列开关模块。
29.通过采用上述技术方案，阵列式开关模块将驱动模块的正脉冲高频信号和负脉冲高频信号经过电磁耦合器将脉冲进行隔离传输到积分电路，在 mosfet的驱动极形成方波驱动信号，使阵列式mosfet开关导通，每一组并联的mosfet开关均包含一组独立的驱动转换电路。
30.较佳的，所述方波脉冲信号检测包括有信号去干扰、正脉冲检测、负脉冲检测和脉冲输出放大电路。
31.通过采用上述技术方案，将输入的方波信号通过检测后分别将高电平和低电平分成两路信号输出，将开通和关断状态分别进行检测。
32.较佳的，所述方波脉冲信号检测中包括有三组方相器和两个mos管。
33.通过采用上述技术方案，为了使得输出与输入信号高电平完全一致的放大功率的方波信号，此信号用来驱动目标mosfet阵列开关进行快速导通。
34.较佳的，所述正脉冲微分电路和所述负脉冲微分电路中设有四组加法反向器、两组微分电容和两组mos管。
35.通过采用上述技术方案，正脉冲微分电路和负脉冲微分电路目的是将方波脉冲信号检测的输出正负方向的方波以高频脉冲的形式输出到电磁耦合器，以使耦合器次级可以通过积分电路将微分信号形成方波。
36.较佳的，所述正脉冲积分电路中由驱动绕组l1、电磁耦合器t1、rc滤波c7、r40、整流二极管u39、滤波电阻r38和稳压二极管d12。
37.通过采用上述技术方案，为了将给定脉冲宽度的电平信号tr持续导通时，tp5的高频脉冲通过电磁耦合器将在mosfet阵列开关驱动极形成持续直流，使mosfet开关导通。
38.较佳的，所述电磁耦合驱动器包括有磁环和绕组，所述磁环绕制2
‑
5 匝漆包线，所述绕组包括有次边绕组和初级绕组，所述次边绕组一段接可控硅驱动极，一端接阴极，所述初级绕组采用穿心式，且绕制匝数1
‑
10匝漆包线。
39.通过采用上述技术方案，为了将驱动模块的正脉冲高频信号和负脉冲高频信号经过电磁耦合器将脉冲进行隔离传输到积分电路。
40.综上所述，本实用新型主要具有以下有益效果：
41.本实用新型采用了两路驱动信号，分别驱动电子开关的开通和关断，有效提高了电子开关的开通和关断速度，使输出波形与给定信号完全一致，模块化的结构设计，可满足不同应用场合，双路驱动(开通和关断)，可以使开关工作在具有快速的导通和关断状态，有效提高关断速度，具有天然的抗干扰能力，采用了高频脉冲驱动方案，利用先微分和后积分，解决了宽脉冲电平隔离驱动mosfet的难点。
附图说明
42.图1是本实用新型的系统结构示意图；
43.图2是本实用新型的第一dc
‑
dc升压电路电路图；
44.图3是本实用新型的第二dc
‑
dc升压电路电路图；
45.图4是本实用新型的方波脉冲信号检测电路图；
46.图5是本实用新型的正(负)脉冲微分电路电路图；
47.图6是本实用新型的mosfet开关驱动电路电路图；
48.图7是本实用新型的方波脉冲信号检测时序图；
49.图8是本实用新型的方波检测及微分电路脉冲时序图；
50.图9是本实用新型的mosfet阵列开关驱动时序图。
具体实施方式
51.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
52.实施例1
53.参考图1
‑
9，一种基于阵列式mosfet的可控脉冲宽度的高压开关，包括第一dc
‑
dc升压电路，所述第一dc
‑
dc升压电路电性连接有方波脉冲信号检测，所述方波脉冲信号检测电性连接有正脉冲微分电路和负脉冲微分电路，所述正脉冲微分电路和所述负脉冲微分电路上分别电性连接有电磁耦合驱动器，两组所述电磁耦合驱动器上分别电性连接有正脉冲积分电路和负脉冲积分电路，所述正脉冲积分电路和所述负脉冲积分电路均电性连接mosfet开关阵列，所述mosfet开关阵列电性连接有均压电路，所述第一dc
‑
dc升压电路电性连接有第二dc
‑
dc升压电路，所述第二dc
‑
dc升压电路电性连接所述正脉冲微分电路。
54.通过采用上述技术方案，驱动模块使用5v供电(专利不限于5v电压，以下等同)，驱动信号为5v电平(不限于5v)；
55.第一dc
‑
dc升压电路：是将5v的供电电源升压至较高电压，这个较高电压约10
‑
30v，目的在于给脉冲信号放大电路供电；
56.第二dc
‑
dc升压电路：是将5v的供电电源升压至高压，高压电压约 30
‑
200v，此电压目的在于有足够高的电压以产生上升沿ns级信号，用来驱动电磁耦合器，使mosfet阵列导通速度更快。利用了倍压回路，最高可产生数百伏电压；
57.方波脉冲信号检测：输入的电子开关驱动电平经过1a和1b两个反相器进行去干扰
后，再经过c37进行滤波，将与输入信号完全一致的纯净的方波信号tp1驱动v10 mosfet管，目的是输出与输入信号高电平完全一致的放大功率的方波信号，此信号用来驱动目标mosfet阵列开关进行快速导通。
58.tp1信号经过1c反相器取反后得到与输入信号完全相反的tp2信号，用来驱动v11 mosfet管，目的是输出与输入高电平完全相反的方波信号，此信号用来驱动目标mosfet阵列开关进行快速关断；
59.正(负)脉冲微分电路：由于电磁耦合器是微分器件，只能响应脉冲信号，无法对方波的持续脉宽进行有效耦合，因此正负脉冲微分电路目的是将方波脉冲信号检测的输出正负方向的方波以高频脉冲的形式输出到电磁耦合器，以使耦合器次级可以通过积分电路将微分信号形成方波；
60.当tr输入一个正向脉冲时，经过方波信号检测在tp3输出与tr输入脉冲完全一致的方波信号，在tp6端口输出与tr完全相反的方波信号(原理见脉冲检测电路)。
61.tp3信号经过u2加法反向器，再经过c2进行微分后，可得到一串总宽度与tp3电平时间相同的高频脉冲，但脉冲方向为反向，高频脉冲的频率与c1和r1的积分时间有关，可通过调整rc常数调整高频脉冲频率。
62.tp6的反向信号经过u3加法反向器，再经过c4微分后，可得到一串总宽度与tp6高电平持续时间相同的高频脉冲(与tr给定电平信号正好相反)，但脉冲方向相反，高频脉冲的频率与c2和r2的积分时间有关，可通过调整rc常数调整高频脉冲频率。
63.同向的tp4高频脉冲信号经过u4反向后驱动v1 mosfet开关，输出一串正向的脉冲信号。
64.与tr脉冲宽度相反的tp6高频脉冲信号经过u5反向后驱动v2 mosfet 开关，输出一串正向的与tr脉冲正好想反的正向脉冲信号；
65.阵列式开关模块：
66.电磁耦合驱动器：由磁环和绕组构成，每个并联的可控硅组使用一组独立磁环绕组进行驱动(包括正向脉冲电磁耦合器t1,正向脉冲加速器t3，以及反向脉冲耦合器t2)，单个磁环绕制2
‑
5匝不等(根据驱动信号匹配)，采用漆包线绕制，次边绕组一段接可控硅驱动极，一端接阴极，初级绕组为驱动模块输出的脉冲电流，一般穿心式，绕制匝数1
‑
10匝(根据驱动信号进行匹配)，隔离电压需大于最高工作电压。
67.正脉冲积分电路(导通控制)：由驱动绕组l1，电磁耦合器t1，rc滤波c7、r40，整流二极管u39(2
‑
3)，滤波电阻r38，稳压二极管d12等器件组成。
68.tp5输出的正向(导通)脉冲经过l1绕组通过t1电磁耦合驱动器在输出端tp10输出与tp5类似的脉冲，经过c7、r40滤波后，通过u39(2
‑
3) 整流二极管输出直流至tp12，在经过电阻r38与稳压二极管d12，利用 mosfet驱动极的节点电容进行积分形成直流电压，驱动mosfet阵列开关，各mosfet驱动极串联一个电阻(r43
‑
r47)，给定脉冲宽度的电平信号tr 持续导通时，tp5的高频脉冲通过电磁耦合器将在mosfet阵列开关驱动极形成持续直流，使mosfet开关导通。
69.反向脉冲积分电路(关断控制)：tp8输出的反向(关断)脉冲经过l2 绕组通过t2电磁耦合驱动器在输出端tp20输出与tp8类似的脉冲，通过 u39(1
‑
4)整流二极管输出直流至tp21，在经过稳压二极管d13，利用mosfet 驱动极的节点电容进行积分形成直流电压，驱动
u48关断mosfet阵列开关，给定脉冲宽度的电平信号tr复位为0v时，tp8的高频脉冲通过电磁耦合器驱动u48使mosfet阵列开关的驱动极短路放电，使mosfet开关关断。
70.u47是利用导通脉冲信号的上升沿驱动，可将u48关断mosfet的驱动短路放电，从而可以快速是mosfet阵列开关导通。
71.u38是利用tp5的导通脉冲驱动，利用高压端电压直接驱动开关管导通，可以有效提高mosfet阵列开关的导通速度。
72.参考图1，为了实现驱动和信号输入的目的；所述方波脉冲信号检测、所述正脉冲微分电路、所述负脉冲微分电路、所述脉冲输出电路和所述 dc
‑
dc升压电路组成驱动模块，所述驱动模块电性连接外部输入的ttl电平信号。效果为，可以实现对系统进行驱动，并且实现对电平信号进行输入。
73.参考图1，为了阵列mos管的通断的目的；所述电磁耦合驱动器、所述正脉冲积分电路、所述负脉冲积分电路、所述mosfet开关阵列和均压电路组成阵列开关模块。效果为，阵列式开关模块将驱动模块的正脉冲高频信号和负脉冲高频信号经过电磁耦合器将脉冲进行隔离传输到积分电路，在 mosfet的驱动极形成方波驱动信号，使阵列式mosfet开关导通，每一组并联的mosfet开关均包含一组独立的驱动转换电路。
74.参考图3，为了实现开通和关断状态分别进行检测的目的；所述方波脉冲信号检测包括有信号去干扰、正脉冲检测、负脉冲检测和脉冲输出放大电路,所述方波脉冲信号检测中包括有三组方相器和两个mos管。效果为, 将输入的方波信号通过检测后分别将高电平和低电平分成两路信号输出，将开通和关断状态分别进行检测，为了使得输出与输入信号高电平完全一致的放大功率的方波信号，此信号用来驱动目标mosfet阵列开关进行快速导通。
75.参考图4，为了使耦合器次级可以通过积分电路将微分信号形成方波的目的；所述正脉冲微分电路和所述负脉冲微分电路中设有四组加法反向器、两组微分电容和两组mos管。效果为，正脉冲微分电路和负脉冲微分电路目的是将方波脉冲信号检测的输出正负方向的方波以高频脉冲的形式输出到电磁耦合器，以使耦合器次级可以通过积分电路将微分信号形成方波。
76.参考图4，为了实现供电导通的目的；所述正脉冲积分电路中由驱动绕组l1、电磁耦合器t1、rc滤波c7、r40、整流二极管u39、滤波电阻r38 和稳压二极管d12。效果为，为了将给定脉冲宽度的电平信号tr持续导通时，tp5的高频脉冲通过电磁耦合器将在mosfet阵列开关驱动极形成持续直流，使mosfet开关导通。
77.为了耦合电压，输出信号的目的；所述电磁耦合驱动器包括有磁环和绕组，所述磁环绕制2
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5匝漆包线，所述绕组包括有次边绕组和初级绕组，所述次边绕组一段接可控硅驱动极，一端接阴极，所述初级绕组采用穿心式，且绕制匝数1
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10匝漆包线。效果为，为了将驱动模块的正脉冲高频信号和负脉冲高频信号经过电磁耦合器将脉冲进行隔离传输到积分电路。
78.使用原理及优点：
79.驱动模块使用5v供电(专利不限于5v电压，以下等同)，驱动信号为 5v电平(不限于5v)；
80.第一dc
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dc升压电路：是将5v的供电电源升压至较高电压，这个较高电压约10
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持续导通时，tp5的高频脉冲通过电磁耦合器将在mosfet阵列开关驱动极形成持续直流，使mosfet开关导通。
94.反向脉冲积分电路(关断控制)：tp8输出的反向(关断)脉冲经过l2 绕组通过t2电磁耦合驱动器在输出端tp20输出与tp8类似的脉冲，通过u39(1
‑
4)整流二极管输出直流至tp21，在经过稳压二极管d13，利用mosfet 驱动极的节点电容进行积分形成直流电压，驱动u48关断mosfet阵列开关，给定脉冲宽度的电平信号tr复位为0v时，tp8的高频脉冲通过电磁耦合器驱动u48使mosfet阵列开关的驱动极短路放电，使mosfet开关关断。
95.u47是利用导通脉冲信号的上升沿驱动，可将u48关断mosfet的驱动短路放电，从而可以快速是mosfet阵列开关导通。
96.u38是利用tp5的导通脉冲驱动，利用高压端电压直接驱动开关管导通，可以有效提高mosfet阵列开关的导通速度。
97.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。