基于脉冲升压变压器及磁开关的RSD触发电路的制作方法

本发明涉及半导体开关技术领域，具体来说涉及一种基于脉冲升压变压器及磁开关的RSD触发电路。

背景技术：

20世纪80年代，前苏联院士I.V.Grekhov发明的反向开关晶体管(RSD)可以实现高di/dt大电流微秒开通。RSD器件是一种由数万个晶闸管与晶体管元胞相间并联排列的器件，没有普通晶闸管的控制极，采用可控等离子体层触发方式，反向注入触发电流，在整个芯片面积上实现了同步均匀导通，从器件原理上消除了普通晶闸管器件存在的开通局部化现象，从而实现高di/dt微秒开通，同时在短时间内通过很大的电流。RSD开关的典型触发(预充)电路有直接预充、谐振预充、变压器升压预充等三种。单个RSD器件的触发方式有直接触发、谐振触发两种，采用直接触发开通方式开通效率高，损耗小，充电电路结构较复杂，多应用于单次脉冲放电。谐振触发的能量损耗较大，但较直接触发更易于实现控制，更适用于重复频率脉冲放电。多只RSD器件串联组成的RSD开关的触发可以采用直接触发、谐振触发和变压器升压触发等方式。根据不同实际应用的需要，采用不同的RSD触发电路。发明专利《一种反向开关晶体管的触发电路》(编号CN201310109983.8)采用H桥式触发电路用于低压大电流RSD器件的触发，预充电容的充电和放电分别由H桥的两组对角线晶闸管开关或IGBT开关控制，与传统预充电路相比，该电路结合了直接触发和谐振触发电路的优点，提高了RSD的预充效率。但是与传统预充电路相比，该电路增加了三个半导体预充开关，预充电路的控制系统更复杂，显著增加了预充开关的成本，而且只适用于低压RSD开关的触发，降低了改进型电路的实用性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种基于脉冲升压变压器及磁开关的反向开关晶体管触发电路。

所采用的具体技术方案如下：

一种基于脉冲升压变压器及磁开关的RSD触发电路，包括充电电路，放电主电路，RSD触发电路和控制电路。所述放电主电路串联RSD触发电路，所述充电电路连接于放电主电路、RSD触发电路两端；所述控制电路并联于充电电路和RSD触发电路两端；所述放电主电路包括依序串联的RSD开关、磁开关L、主电容C0和负载Z0；所述RSD触发电路包括低压脉冲电源，脉冲变压器T，半导体开关K21、半导体开关K22，磁开关LC，磁开关L21、磁开关L22和触发电容Cc；所述脉冲变压器T、半导体开关K21、磁开关LC、磁开关L、主电容C0、负载Z0、半导体开关K22和触发电容Cc依序串联、构成预充电流回路；所述磁开关L21一端连接于半导体开关K21与磁开关LC的串联连接端、另一端连接于半导体开关K22与触发电容Cc的串联连接端；所述磁开关L22一端连接于负载Z0与半导体开关K22的串联连接端、另一端连接于触发电容Cc与冒充变压器T的串联连接端。

通过采用这种电路结构，其工作过程如下：

放电主电路的工作电压为V0。低压脉冲电源通过脉冲变压器T向高压侧输出>2V0的电压，形成小直径半导体开关K21、K22的预充电流i1，i1为高di/dt窄脉冲电流，其走向为T-K21-Lc-L-C0-Z0-K22-Cc-T，i1为K21、K22的反向预充电流，变压器T饱和后，i1下降为0，触发电容Cc的电压施加在K21、K22上，K21、K22正向导通，RSD反向导通。当T饱和后，触发电容Cc通过K21、K22放电，形成RSD的反向预充电流，电流路径是CC-K22-RSD-Lc-K21-T-CC。L饱和后，主电容C0通过RSD放电，在负载Z0上形成所需的脉冲电流i3，电流走向为C0-L-RSD-Z0-C0。当L21和L22饱和后，触发电容Cc的放电路径为Cc-K21-L21-Cc，以及Cc-K22-L22-Cc。

优选的是，所述磁开关L21、L22由导线在铁氧体或环形微晶铁氧体薄膜的磁芯上缠绕若干圈构成。

更优选的是，所述低压脉冲电源可采用任何满足电路要求的各种类型重复频率脉冲电源，脉冲电源的开关可以采用RSD、晶闸管、IGBT或其他半导体功率开关。当采用基于晶闸管的脉冲电源时，本脉冲电源分为充电电路和放电电路两部分。其中，放电电源包括放电电容C0、磁开关L、半导体功率开关K，输出K21、K22的触发电流。K也可以是IGBT、功率MOSFET或其他三端半导体功率器件。

与现有技术相比，本发明具有直接预充和谐振预充的优势，降低了电路的复杂程度，提高了可靠性，增加了元件的参数匹配范围，减小了磁芯的总体积，提高了预充电荷的利用率。

附图说明

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明的电路结构图；

图3为本发明实施例1的电路结构图；

图4为低压脉冲电源的电路结构；

图5为一种双晶闸管同步驱动电路的电路结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明的工作过程作进一步描述。

实施例1：如图3所示一种基于脉冲升压变压器及磁开关的RSD触发电路：包括低压脉冲电源，脉冲升压变压器T、半导体开关K21、半导体开关K22，磁开关L21、磁开关L22，支路阻抗Lc1、支路阻抗Lc2，触发回路阻抗Lc。

其电路的工作过程如下：

低压脉冲电源通过脉冲变压器T向高压侧输出>2V0电压，形成小直径半导体开关K21、K22的高di/dt窄脉冲预充电流；电流路径为T-K21-Lc-L-C0-Z0-K22-Cc-T。

预充电流的路径为CC-K22-RSD-Lc-K21-T-Cc。当T饱和后，Cc的正向电压施加在K21、K22上，K21、K22正向导通，Cc通过K21、K22放电，形成RSD的反向预充电流，电流路径是Cc-K22-RSD-Lc-K21-T-Cc。

如图4所示的低压脉冲电源为一种基于RSD开关的脉冲电源，包括充电电路、放电电路、RSD触发电路。其中，C0为放电电容，Cc为RSD的触发电容，Kc为触发开关，L、Lc为磁开关，R0、R1、R3、Rc为支路电阻，L0、L2、L3为支路电感，MRC为磁开关的消磁电路。

其工作过程简述如下：电路中两个电容C0和CC被充电到同一电压U0，充电结束后，预充开关KC闭合，预充开关KC可以是晶闸管或者IGBT、功率MOSFET，此处使用晶闸管，电容CC开始经L2放电，将电容的能量转移到电感LC中。当CC电压放电到零时，电感中的电流达到最大值，RSD承受的电压反向，LC对RSD进行反向预充。磁开关L饱和后，C0经过L

和RSD对脉冲升压变压器T放电，T的高压侧输出K21、K22所需的触发电流。

如图5所示一种双晶闸管同步驱动电路：

TLP521为光偶器件，用于传输开关信号，隔离驱动电路与低压控制电路；IR2110为IGBT驱动芯片，其最大耐压为500V，通流能力为2A，输出驱动电压为10～20V，开通时间、关断时间和延时时间分别为120ns，94ns，10ns。在同一个环形铁氧体磁芯上绕制一个原边、两个副边线圈组成触发变压器T，可实现串联晶闸管的同步导通。IR2110输出的高电平输入到IGBT栅极，IGBT导通，直流电源在脉冲变压线圈原边产生一个快速上升的电流脉冲，此电流脉冲在T的副边产生两个快速上升的高幅值门极驱动电流，强触发晶闸管，增强晶闸管的高di/dt电流通流能力。由于IGBT关断速度很快，所以在IGBT关断时，由于关断电流的di/dt作用，而使T原边电感在IGBT两端的产生很大的电压，从而击穿IGBT。因此IGBT触发电路中加入了由电容、电阻和二极管D组成的缓冲电路，并且在IGBT发射极和集电极上并联了一个稳压二极管。IGBT关断时，T原边电流在电感的作用下逐渐减小，IGBT集电极的电位升高，二极管D导通，T原边线圈电感存储的能量通过缓冲回路释放，使IGBT的集电结电位不会上升到击穿电压，从而实现IGBT的关断保护。

以上所述的发明实例电路为本发明的较佳实施例而己，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。