一种强流离子源抑制极电源快速高压开关的制作方法

本实用新型涉及中性束注入领域，具体涉及一种强流离子源抑制极电源快速高压开关。

背景技术：

在中性束注入领域，正离子源引出系统常采用多电极结构。为了获得更好的引出束流光学特性，在束引出时需要其中的抑制电极和加速电极的电源前后沿匹配。在加速极电源特性确定的情况下，需要根据抑制极电源的输出开关对其输出波形进行调整，以满足抑制极电源的输出与加速极电源的输出相匹配的要求。本实用新型基本原理是，利用串联的IGBT组成高压开关，通过其均压电路的参数选择满足串联IGBT的均压要求和抑制极电源开关特性的要求；同时通过专用的集成驱动电路和独立的信号处理电路完成整个开关的驱动和综合控制。

技术实现要素：

为了满足中性束注入系统强流离子源抑制极电源输出特性的特殊要求，本实用新型提出了一种强流离子源抑制极电源快速高压开关，主要用于对中性束注入系统强流离子源抑制极电源的快速开通和关断，满足电源输出端电压波形前后沿特性的要求。

本实用新型采用的技术方案是：

一种强流离子源抑制极电源快速高压开关，其特征在于：包括有IGBT串联电路、均压电路、驱动电路和信号处理电路，所述IGBT串联电路由多只IGBT串联连接而成，IGBT串联电路作为一个整体串接于抑制极电源的输出端，均压电路包括有相互并联的静态均压电阻和动态缓冲电路，动态缓冲电路包括有二极管、缓冲电阻、缓冲电容，缓冲电阻与缓冲电容串联连接，二极管并联在缓冲电阻的两端，每个IGBT的集电极和发射极上并联一个均压电路，同时均压电路的二极管的正极连接到对应IGBT的集电极；所述各IGBT的栅极与IGBT驱动电路连接，IGBT驱动电路与信号处理电路双向电连接，信号处理电路完成IGBT各种信号的逻辑处理并通过光纤与主控系统双向连接。

所述的一种强流离子源抑制极电源快速高压开关，其特征在于：所述驱动电路由IGBT专用集成驱动器及其外围电路组成，通过外围电路器件参数的不同取值选择设置合适的IGBT保护阈值。

所述的一种强流离子源抑制极电源快速高压开关，其特征在于：所述IGBT驱动电路和信号处理电路分别制成独立的电路板。

本实用新型利用IGBT均压电路实现串联IGBT的电压基本均衡，并通过均压电路参数优化实现对串联IGBT开关的开通和关断时间调整；同时利用IGBT驱动电路和信号处理电路实现可靠的驱动、控制和保护等功能。

IGBT串联电路作为快速高压开关的主体，完成抑制极电源电压输出的快速开通和关断功能。均压电路一方面实现串联IGBT的电压基本均衡，保证各个IGBT无较大的过冲电压；另一方面可以间接改变IGBT的开关特性，使抑制极电源输出波形前后沿特性满足与加速极电源输出相匹配的要求。信号处理电路接收主控系统发出的IGBT触发信号，经处理后送到IGBT驱动电路，以在特定时刻开通和关断IGBT。同时信号处理电路接收来自IGBT驱动电路给出的过流或短路故障信号和温度传感器给出的IGBT温度信号，经过预处理后发送到主控系统。为便于系统集成，IGBT驱动电路和信号处理电路分别制成独立的电路板。

本实用新型的具体工作过程为：当信号处理电路接收到主控系统发送的IGBT触发信号，经预处理后送到IGBT驱动电路；IGBT驱动电路接收到触发信号后，触发驱动器输出IGBT栅极驱动信号，从而控制IGBT的开通和关断。同时，信号处理电路接收IGBT温度信号和短路或过流故障信号，经处理后送到主控系统，用于故障报警和显示等功能。

在驱动电路驱动IGBT开通瞬间，IGBT两端电压开始下降，同时缓冲电容通过缓冲电阻放电，实际应用中放电时间主要由缓冲电阻决定，故可以通过调整缓冲电阻阻值，改变缓冲电容放电过程，进而改变IGBT开通过程，从而达到改变抑制极电源输出端开通波形的目的。在IGBT关断瞬间，缓冲电容通过二极管充电，实际应用中充电时间主要由缓冲电容决定，故可以通过调整缓冲电容容值，改变其充电过程，从而达到改变抑制极电源输出端关断波形的目的。在缓冲电容充电和放电的过程中，电容两端的电压不能突变，故缓冲电路可以一定程度上解决IGBT串联遇到的不均压问题。静态均压电阻主要应用于IGBT关断稳态时，保持各个IGBT两端电压相等。

本实用新型特点在于：

（1）采用IGBT均压电路实现串联IGBT的电压均衡，并通过电路参数的精确优化，实现对抑制极电源输出开关波形的调整；由于抑制极电源开关频率不高（通常为1-100HZ），故此均压电路应用于抑制极电源具有结构简单，运行可靠，功耗不高的特点。

（2）采用IGBT多管串联电路作为开关的主体，并使用专用集成驱动电路和独立的信号处理电路，从而可以较容易实现抑制极电源对高电压、大电流输出的快速性要求，同时使整个开关系统具有很高的安全性和稳定性。

（3）本实用新型也可以应用于其他对电源输出的开关特性有一定要求的高压场合，可作为一种特殊的电源输出端调制开关使用。

附图说明

图1所示为多个IGBT的均压电路原理图。

图2所示为本实用新型快速高压开关整体结构示意图。

具体实施方式

参见图1、2，一种强流离子源抑制极电源快速高压开关，包括有IGBT串联电路、均压电路、IGBT驱动电路1和信号处理电路2，IGBT串联电路由多只IGBT3串联连接而成，IGBT串联电路作为一个整体串接于抑制极电源4的输出端，均压电路包括有相互并联的静态均压电阻5和动态缓冲电路，动态缓冲电路包括有二极管6、缓冲电阻7、缓冲电容8，缓冲电阻7与缓冲电容8串联连接，二极管6并联在缓冲电阻7的两端，每个IGBT3的集电极和发射极上并联一个均压电路，同时均压电路的二极管6的正极连接到对应IGBT3的集电极；所述各IGBT3的栅极与IGBT驱动电路1连接，IGBT驱动电路1与信号处理电路2双向电连接，信号处理电路2完成IGBT各种信号的逻辑处理并通过光纤与主控系统9双向连接。

IGBT驱动电路1由IGBT专用集成驱动器及其外围电路组成，通过外围电路器件参数的不同取值选择设置合适的IGBT保护阈值。 IGBT驱动电路1和信号处理电路2分别制成独立的电路板。

具体设计中，IGBT串联电路采用6只同种型号的高压IGBT串联而成。均压电路中静态均压电阻，缓冲电阻均采用无感电阻；缓冲电容采用无感电容；同时均压电路尽量靠近IGBT连接；以上措施可以减小均压电路的寄生电感，更有利于实现更好的均压效果。为降低二极管动态过程的影响，应用中选择过渡正向电压低，反向恢复时间短、反向恢复特性较软的二极管。IGBT驱动电路中选用高压IGBT专用集成驱动芯片，根据抑制极电源的具体运行参数，对其外围电路关键参数进行了设置，从而为IGBT选择了合适的保护阈值。信号处理电路主要采用了集成数字逻辑电路，考虑到IGBT驱动信号的同步性及电源现场复杂的电磁环境，信号处理电路与主控系统之间的信号采用光纤传输。

实际使用中，该高压快速开关可以安全稳定地开通和关断抑制极电源的输出，满足了离子源对抑制极电源输出开关的要求，且在IGBT驱动信号存在一定程度的不同步情况下实现较好的均压效果。