一种基于RSD的去磁开关高效脉冲功率发生电路的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种由固态开关器件所组成的脉冲功率发生电路。

背景技术：

脉冲功率技术是指在相当较长的时间内存储起来，然后通过开关器件将储存起来的能量在很短的时间内释放到负载上，产生高功率电脉冲的电物理技术，在高功率微波、核物理技术、污水净化等领域有广泛应用；现有技术中的脉冲功率发生电路的储能方式多以电容储能和电感储能为主，传统的多采用火花间隙开关，赝火花开关和触发真空开关作为放电开关。在开关的连续关断的过程中，开关必须具有很高的关断频率，和极短的反向恢复时间，同时能承受较高的dv/dt。

随着近年来半导体开关的发展迅速，越来越多的半导体开关被应用到脉冲功率应用上，如电力电子器件开关中的晶闸管、绝缘栅双极性晶体管(igbt)。传统气体开关的耐压高、通流大，但开关工作频率低；晶体管器件功率容量大，但是很难承受过高的电压上升率，为此很少用于主开关；igbt可承受高频率，但是耐压与通流量与晶闸管相比都较小，同时价格昂贵。

为了适应脉冲功率技术的发展，专门应用于脉冲功率技术的脉冲功率技术半导体器件也在得到进一步的研究，例如：rsd(反向开关晶体管，reverselyswitcheddynistor)、rbdt(反向阻断双端固态晶闸管，reverseblockingdiodethyristor)、漂移阶跃恢复二极管(dsrd)等。反向开关晶体管作为电流控制触发型半导体器件，通过给器件施加一个大小合适的反向电流，持续时间1-2us便可以全面积导通，这也是两端器件最好的触发方式。rsd具有体积小、可靠性高、功率大、耐高压、高di/dt承受能力和较快的开关速度。反向阻断双端固态晶闸管(rbdt)属于两端器件，没有门极，正向和反向都具有大的阻断电压，所以无论在正向还是反向电压下都处于截止状态，只有当正向施加一个高达上十kv/μs的dv/dt触发电压时，器件便能在1μs之内充分导通。该器件具有较大的功率、较高的峰值电流和较窄的电流脉宽。

脉冲功率器件虽然具有一系列的优点，但是与传统的电力电子半导体器件相比，它们的触发导通或关断都相当的复杂。图1示出了现有技术提供的基于rsd的脉冲功率发生电路的结构，在以反向开关晶体管(rsd)为主开关的经典的脉冲功率发生电路中，一般需要利用磁开关作为辅助开关，以此达到延时和隔离主电路的作用，但是磁开关本身设计复杂，在大电压和大电流的情况下，体积庞大，同时还需要复位电路，由此造成目前基于rsd的脉冲功率发生电路应用不广泛。同时，基于rsd的脉冲功率发生电路需要预充电路，由此容易造成能量的浪费。对于rbdt来说，复杂的触发条件也是限制其在脉冲功率领域应用的一大障碍。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于rsd的去磁开关高效脉冲功率发生电路，旨在解决现有的rsd脉冲功率发生电路必须采用磁开关来辅助rsd的开通，导致rsd在没有磁开关的情况下无法开通的问题。

本发明提供了一种基于rsd的去磁开关高效脉冲功率发生电路，包括：反向开关晶体管rsd、反向阻断双端固态晶闸管rbdt和外围电路；当需要触发所述反向开关晶体管rsd时，利用所述外围电路中的电容储能与电感储能的交替使所述反向开关晶体管rsd在没有磁开关的前提下正常触发开通；所述反向阻断双端固态晶闸管rbdt用于通过将电容中的部分能量转移到电感储能支路中，防止触发rsd时的反向电流过大。

本发明提供的脉冲功率发生电路使用了两种特殊的功率器件，其中一种为rsd，特点是单个rsd器件正向可以阻断一定大小的电压，但是反向一直处于通态，其工作原理为：先反向预充足够的电压，同时保证延迟一段时间，这时候rsd将处于通态，配合储能电路，可以产生电流幅值达到上万安培的电流脉冲；另一种为功率开关器件rbdt，特点是单个器件正向与反向都可以阻断一定大小的电压，其工作原理为：当正向电压上升速度达到一定的程度的时候，rbdt正向将在一个很短的时间内开通。

更进一步地，所述外围电路包括：充电电路、储释能电容c1、储释能电感l1、电阻r4、储释能电感l2、储释能感l3和触发电路；储释能电感l2的一端连接反向阻断双端固态晶闸管rbdt的阳极，储释能电感l2的另一端连接至电阻r4的一端，电阻r4的另一端通过储释能电感l1接地；储释能感l3的一端与反向开关晶体管rsd的阴极连接，储释能感l3的另一端接地；充电电路用于给储释能电容c1充电；触发电路用于快速触发所述反向阻断双端固态晶闸管rbdt成为导通状态。

更进一步地，充电电路包括：电阻r1、开关器件q1、二极管d2、电阻r3、二极管d5和电阻r2；所述电阻r1的一端连接直流电源的正极，所述电阻r1的另一端连接至开关器件q1的一端，开关器件q1的另一端连接至反向开关晶体管rsd的阳极；二极管d2的阳极连接至开关器件q1的另一端，二极管d2的阴极通过电阻r3连接至所述储释能电容c1的一端；二极管d5的阳极连接至所述储释能电容c1的另一端，二极管d5的阴极通过电阻r2连接至所述电阻r4的一端。

在充电电路中，利用二极管d2、电阻r3、二极管d5、电阻r2、电阻r1、开关器件q1组成的充电电路，配合电源对储释能电容c1充电。在充电完成后，开关器件q1断开。

其中，电阻r3、电阻r2具有较大阻值，阻值必须远大于负载load的电阻，一般情况下，具体数值为50欧姆以上，以保证在除给储释能电容c1充电过程中，一个周期的其余时间内，支路d2、r3与支路d5、r2上的电流几乎为0。

更进一步地，二极管d5和电阻r2的作用与所述二极管d2和电阻r3的作用相同，均用于保证储释能电容c1在充电阶段正常充电，在其他阶段几乎不起作用。

更进一步地，二极管d5和电阻r2、所述二极管d2和电阻r3均可以采用开关器件替换。

更进一步地，触发电路包括：开关器件q2、开关器件q3、二极管d3和二极管d4；所述开关器件q2的一端连接至反向开关晶体管rsd的阳极，所述开关器件q2的另一端连接至储释能电容c1的另一端，所述二极管d3与所述开关器件q2并联连接；所述开关器件q3的一端连接至所述储释能电容c1的一端，所述开关器件q3的另一端连接至所述电阻r4的一端，所述二极管d4与所述开关器件q3并联连接。

触发电路中开关器件q2、开关器件q3在收到控制信号后，开关器件q2、q3同时开通；在开关器件q2、q3同时开通后，rbdt两端的电压在一瞬间由零迅速上升为一定电压，其dv/dt可以达到很大，经过一个很短的时间后，rbdt变为通态。

在开关器件q2、q3同时开通后，储释能电容c1通过路径c1-q3-r4-l1-l3-rsd-q2放电，由于rbdt的开通时间很短，几乎在同一个时间，储释能电容c1也会通过c1-q3-l2-rbdt-q2放电。

当储释能电容c1通过c1-q3-l2-rbdt-q2路径放电时，l2中的电流逐渐上升，将电容中一部分能量储存起来。

当电容c1通过路径c1-q3-r4-l1-l3-rsd-q2放电时，rsd反向通过电流，取合适的电阻r4、电感l1的数值，可以既让rsd正常的开通，同时又可以使负载电流脉冲峰值达到要求。在产生不同的电流脉冲的情况下，电容c1、电阻r4与电感l1的取值具有较大的不同，对这三个元件的参数进行设计时，一般先确定电容c1与电阻r4的数值，最后确定电感l1的取值范围。下面就以单个实例对这三个元件的取值进行说明：当电容c1取值为1μf时，电阻r4取值可以为0.5欧姆左右，电感l1可以取2μh-6μh左右。

当电容电压下降为0时，电感l1、l2中的电流开始下降。

在电感l1中的电流下降时，rsd反向流过的电流迅速下降为0，l1中的电流流过的路径迅速由r4-l1-l3-rsd-q2-c1-q3变为r4-l1-d1-load。

在rsd的反向电流降为0之前，电感l2电流流过的路径为l2-rbdt-q2-c1-q3，l2电流下降，给电容c1充电。在rsd的反向电流降为0之后，l2中的电流迅速由路径l2-rbdt-q2-c1-q3转为l2-rbdt-rsd-d1-load，同时电容c1通过路径c1-d3-rsd-d1-load-d4迅速放电。

由于电感l1的电流、电感l2中的电流、电容c1的放电，由d1与load组成的负载支路将会形成电流脉冲。

更进一步地，为了达到一定的要求的电流脉冲，脉冲功率发生电路可以使用多个rbdt并联或串联或串并联混合等形式，来达到电路的对电压或电流的要求。比如：若单个rbdt可以承受的电流峰值为1000a时，而实际要求承受1500a，此时可以选择使用两个rbdt并联使用。

更进一步地，为了达到一定的要求的电流脉冲，脉冲功率发生电路可以使用多个rsd并联或串联或串并联混合等形式，来达到电路对电压或电流的要求。比如：若单个rsd可以承受的电流峰值为2000a时，而实际要求承受2500a，此时可以选择使用两个rsd并联使用。

更进一步地，开关器件q1为晶闸管或igbt。开关器件q2或开关器件q3为晶闸管或igbt。

本发明中，在触发rsd时，利用电容储能与电感储能的交替，使rsd在没有磁开关的前提下可以正常的触发开通。为了防止触发rsd时的反向电流过大，本发明使用了另外一种反向阻断双端固态晶闸管rbdt将电容中的一部分能量转移到另一电感储能支路中。由于磁开关体积较大，而rbdt本身体积小，本发明的体积可以大幅度减小。rbdt的开通只需要利用rsd触发电路本身的作用机制，不需要其他另外引入触发电路。磁开关本身设计复杂，同时在大电压的情况下，体积巨大，并且需要复位电路。

同时，本发明在电容释放电荷触发rsd时，利用电感储存电容释放的能量，然后电感将会释放能量用于负载形成电流脉冲。可以较大程度上减小能量损耗。

附图说明

图1是现有技术提供的脉冲功率发生电路的电路结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于rsd与rbdt的脉冲功率发生电路的电路示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以克服反向开关晶体管(rsd)触发与使用过于复杂这一障碍，同时首次将rbdt与rsd配合起来，利用rbdt的触发与工作特性实现对rsd的触发延时，因此可以舍弃在基于rsd的脉冲功率发生电路中的磁开关。

由于现有的rsd脉冲功率发生电路中必须采用磁开关来辅助开通rsd，然而磁开关体积过大，这容易导致脉冲功率发生电路整个体积过于庞大。且由于rsd的触发电路与主电路分离，在触发rsd时，脉冲功率发生电路需要消耗的较大的能量。因此，本发明与经典的基于rsd的脉冲功率发生电路相比，不仅不需要设计复杂与体积庞大的磁开关，同时可以防止能量的浪费。

本发明的目的是通过如下措施来达到的。本发明采用了两种特殊的脉冲功率器件反向开关晶体管(rsd)与反向阻断双端固态晶闸管(rbdt)。该两种器件开关均作为脉冲功率发生电路的主开关。rsd正向具有阻断作用，反向处于导通状态。rsd的触发导通的条件为先反向施加一个大小合适的电流并持续一段时间，然后正向施加电压，即可开通rsd。rbdt无论正向还是反向都具有阻断作用。rbdt的触发导通条件为，正向施加较大的dv/dt，器件将会在短时间内迅速导通。

图2示出了本发明实施例提供的基于rsd与rbdt的脉冲功率发生电路的电路结构；如图2所示，基于rsd与rbdt的脉冲功率发生电路包括：直流dc电源、电阻r1、开关器件q1、反向开关晶体管(rsd)、电感l3、二极管d2、电阻r3、开关器件q2、二极管d3、电容c1、开关器件q3、二极管d4、二极管d5、电阻r2、反向阻断双端固态晶闸管(rbdt)、电感l2、电感l1、电阻r4、二极管d1、负载load；它们的连接关系如下：dc一端与r1一端连接，r1另一端与q1一端相连接，q1另一端与rsd阳极、d2的阳极、q2、d3的阴极和rbdt的阴极相连接；rsd阳极与q1一端相连接，l3一端与rsd阴极连接，l3另一端与电感l1、d1阳极连接；d1的一端与负载load连接，load的另一端与电阻r4、开关元件q3、二极管d4、r2和电感l2相连接；l1的一端与r4相连，r4的另一端与load连接；d2阳极与q1连接，d2阴极与r3连接，r3另一端与c1、q3和d4阴极连接；q2与q1连接，q2另一端与c1、d3阳极、c1和d5阳极连接；d3与q2为并联关系；q3与c1连接，另一端与load连接；d4与q3为并联关系；d5阳极与c1连接，阴极与r2连接，r2与load连接；rbdt的阴极与q1连接，rbdt的阳极与l2连接，l2与load相连。

本发明提供的脉冲功率发生电路使用了两种特殊的功率器件，其中一种为rsd，特点是单个rsd器件正向可以阻断一定大小的电压，但是反向一直处于通态，其工作原理为：先反向预充足够的电压，同时保证延迟一段时间，这时候rsd将处于通态，配合储能电路，可以产生电流幅值达到上万安培的电流脉冲；另一种为功率开关器件rbdt，特点是单个器件正向与反向都可以阻断一定大小的电压，其工作原理为：当正向电压上升速度达到一定的程度的时候，rbdt正向将在一个很短的时间内开通。

作为本发明的一个实施例，起限流电阻作用的电阻r1，在某些场合下限流电阻r1可以使用电感进行替代，具体地，当需要考虑到系统整体损耗的时候，可以将限流电阻用电感进行替代，以减小电源侧的能量损耗，电容c1起储能作用。

在本发明实施例中，开关元器件q1可以为晶闸管、igbt等本质具有开关作用的元件。开关器件q2的作用是与开关器件q3同时得到控制信号时，q2、q3立即进入通态，以此将rbdt两端的电压迅速翻转，使rbdt有足够的正向电压上升速度，从而开通rbdt。同时q2、q3同时导通为电容c1放电提供路径。开关器件q3作用与q2的作用相同。开关器件q2、q3可以采用igbt、晶闸管等本质为开关的器件。

在本发明实施例中，二极管d2与电阻r3的作用是为了保证电容c1在充电阶段正常充电，在其他阶段几乎不起作用，二极管d2与电阻r3也可以使用其他开关器件代替，例如igbt、晶闸管等，通过控制信号控制开关器件保证电容c1正常充电。

在本发明实施例中，二极管d5与电阻r2的作用与二极管d2与电阻r3的作用相同，作用为保证电容c1在充电阶段正常充电，在其他阶段几乎不起作用，二极管d5与电阻r2可以使用其他开关器件代替例如igbt、晶闸管等，通过控制信号控制开关器件保证电容c1正常充电。

在本发明实施例中，电容c1通过电感l1和电阻r4放电形成电流，电感l1在此过程中存储一部分c1的能量，该电流反向流过rsd，用于触发开通rsd，在接下来的过程中，load消耗电感l1上的能量用于形成电流脉冲。电感l2的作用是将电容c1中剩余的能量储存起来。电感l3的作用是改善负载电流脉冲波形，同时增大负载电流脉冲峰值。

在本发明实施例中，二极管d1的作用是防止电容c1初始放电时有电流经过负载load，同时在l1中的电流减小时，为l1中电流提供路径，减小rsd预充时能量的浪费。二极管d4或二极管d3的作用是提供路径，将由电感l2给予电容c1的能量释放出来，进入负载load支路。

本发明实施例中给出的电源为直流dc电源，原则上只要具有电源作用的都属于本发明的权利保护范围。

本发明中，可以利用电感l2作为中间储能装置，利用电感与电容的相互作用，将电容中一部分能量储存在电感l2中。

可以利用电感l1、电阻r4与电容c1的相互作用，一方面为rsd提供反向电流，另一方面起一定预充延时的作用。

开关元器件q2与q3可以选择同时开通，也可以选择不同步开通，具体控制方式需要依据电路中的耐压要求而定。

load中的电流脉冲，由l2的电流、l1中的电流、电容c1放电产生的电流合成。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于rsd与rbdt的脉冲功率发生电路，现对其一个周期内的工作过程进行详述描述如下：

(1)直流dc电源给电容c1充电，路径为r1-q1-d2-c1-d5-r2-l1-r4，其中r1、r2、r3起的作用是限流。充电完成时，c1电压左正右负。充电完成后关断开关器件q1。

(2)开关器件q2、q3同时开通，此时rbdt两端电压由开始承受反压瞬时承受正的电压，在一小段时间后rbdt开通，此时电容c1给电感l2、l1充电，l1电感中的电流反向流经rsd，此时相当于给rsd预充电荷，其中r4的作用一方面可以帮助协调电容能量的分配，另一方面可以加快l1中电流的下降，减少能量的进一步损失。l2起的作用是将电容c1中其余的能量储存起来。在经过一段时间后，电容电压c1下降为0，此时l2、l1中的电流达到最大值。

(3)电容c1的电压降为0后，l1、l2电流开始下降，rsd的反向电流迅速下降为0，l1中的电流路径变为r4-l1-d1-load，同时l2中一部分电流正向流过rsd，形成rsd正向电流，路径为l2-rbdt-rsd-d1-load-l2，l2中另一部分的电流将通过q2-c1-q3-l2-rbdt，给电容c1充电，c1电压为左负右正，最后c1通过路径d3-rsd-l3-d1-load-d4放电。

(4)load的电流由l1流过的电流、l2流过的电流、c1放电产生的电流组成，最后形成电流脉冲。

由于传统脉冲功率发生电路在触发rsd时，利用磁开关将rsd与主电路隔离开来保证rsd的正常触发开通，在rsd成功触发开通后磁开关又会由关断状态变为开通状态，从而使主电路中的电容可以通过rsd对负载放电形成负载电流脉冲。本发明一种基于rsd的去磁开关高效脉冲功率发生电路，在触发rsd时，利用电容储能与电感储能的交替，使rsd在没有磁开关的前提下可以正常的触发开通。为了防止触发rsd时的反向电流过大，本发明使用了另外一种反向阻断双端固态晶闸管rbdt将电容中的一部分能量转移到另一电感储能支路中。由于磁开关体积较大，而rbdt本身体积小，本发明的体积可以大幅度减小。rbdt的开通只需要利用rsd触发电路本身的作用机制，不需要其他另外引入触发电路。磁开关本身设计复杂，同时在大电压的情况下，体积巨大，并且需要复位电路。

本发明与经典基于rsd脉冲功率发生电路相比，可以较大程度上减小能量损耗。由于经典基于rsd的脉冲功率发生电路的主电路与触发电路是分离开来的，触发电路中的能量不会用于形成负载的电流脉冲。基于rsd的触发需求，在0.5μs-2.5μs内，rsd反向需要流过足够的电荷，触发电路中的电容的初始能量需要较大，从而触发电路需要消耗较大的能量来触发开通rsd。本发明在电容释放电荷触发rsd时，利用电感储存电容释放的能量，然后电感将会释放能量用于负载形成电流脉冲。本发明主要的能量损耗在于电阻r4，经过对比，在脉冲功率发生电路工作在单次放电的前提下，保证触发rsd时流过反向流过rsd的电荷与触发时间相同，经典rsd脉冲功率发生电路的损耗为0.1j，而本发明的能量损耗可以接近0.0127j，由此可以看出本发明可以大大减小能量损耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。