一种高压隔离半导体开关驱动电路

本发明属于脉冲功率，更具体地，涉及一种高压隔离半导体开关驱动电路。

背景技术：

1、近年来，脉冲功率技术在国防科研、高新技术研究和民用工业领域得到了越来越广泛的应用，但它的发展也存在诸多限制因素，如开关技术，在常规脉冲功率技术中，气体开关与液体开关等介质填充开关存在明显缺点，如寿命短、损耗大、稳定性差、重复频率低。半导体开关在开关速度、功率容量方面的改善，使得其应用于脉冲功率技术领域，出现了全固态脉冲功率技术，为脉冲功率技术发展开辟了新的道路。然而，半导体自身耐压不高、电流不大，为了满足高压大电流应用场景，必须进行大规模串并联，如何保证半导体开关在高电位悬浮工况下的同步驱动导通，并实现信号产生回路与脉冲功率回路的隔离，对于脉冲功率技术中的半导体开关应用具有极大的挑战性。

2、现有驱动方式中，有源驱动利用光纤实现强弱电隔离，但需要利用隔离电源模块为光电信号转换供电，然而现有隔离电源模块隔离电压较低，限制了其在高电压场合的应用；现有无源驱动常采用磁隔离方式，但磁芯的伏秒积的限制导致输入脉冲信号脉宽较窄，限制半导体开关的驱动时间，限制脉冲电源装置输出电压的脉冲宽度。无论是有源还是无源驱动，在使用半导体开关时，均需要单独对其驱动电路进行特殊设计，当开关数量较多、隔离电位较高时，控制策略往往极其复杂，传统的设计方式难以满足小型化与多半导体开关驱动要求，且输出信号难以与输入信号保持一致。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压隔离半导体开关驱动电路，旨在解决传统的设计方式难以满足小型化与多半导体开关驱动要求，且输出信号难以与输入信号保持一致的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，包括：低边供电模块、低边信号调制模块、低边驱动模块、高压隔离模块和高边驱动模块；

3、所述低边供电模块将输入的非隔离直流低压转换成低边回路中芯片正常工作需要的电压，为所述低边信号调制模块和所述低边驱动模块供电；

4、所述低边信号调制模块包括上升沿触发单稳态触发器和下降沿触发单稳态触发器，分别将输入的宽信号脉冲转换成两个携带原始输入信号脉宽的窄脉冲，并控制所述低边驱动模块中的晶体管的导通时间；

5、所述低边驱动模块将两个窄脉冲信号转换为高幅值、大电流的正/负极性的窄脉宽驱动脉冲，以使所述高压隔离模块中的磁芯快速被激励以及避免磁芯饱和；

6、所述高压隔离模块用于将所述磁芯的高低边信号及能量耦合并隔离高电压；

7、所述高边驱动模块用于根据所述磁芯感应产生的正/负极性窄脉冲形成脉宽与输入信号一致的驱动脉冲，控制所连接的高压半导体开关导通与关断。

8、可选的，所述上升沿触发单稳态触发器在输入信号上升沿被触发，输出固定宽度的窄脉冲；

9、所述下降沿触发单稳态触发器在输入信号下降沿被触发，输出固定宽度的窄脉冲。

10、可选的，所述低边驱动模块包括两对由半导体开关构成的推挽式输出电路；

11、当所述输入信号的上升沿触发单稳态触发器时，所述低边信号调制模块对所述高压隔离模块输出高幅值、大电流正极性脉冲；当所述输入信号的下降沿触发单稳态触发器时，所述低边信号调制模块对所述高压隔离模块输出高幅值、大电流负极性脉冲。

12、可选的，所述低边驱动模块中的两对推挽式输出电路交替导通，用以在单极性电压供电下输出双极性脉冲。

13、可选的，所述高边驱动模块包括四个二极管与两个mosfet开关管；

14、第一二极管d1与第二二极管d2串联后与第一mosfet开关管s1的漏极电极串联，第三二极管d3与第四二极管d4串联后与第二mosfet开关管s2的漏极电极串联，第一二极管d1阴极与第二mosfet开关管s2的栅极串联，第二二极管d2阴极与第一mosfet开关管s1的栅极串联。

15、可选的，当所述高压隔离模块在高压边感应出正极性脉冲时，所述mosfet开关管导通，脉冲信号通过所述第一二极管d1、所述第四二极管d4与所述第二mosfet开关管s2构成回路为高压半导体开关栅极电容充电，达到所述高压半导体开关驱动电平后，导通所述高压半导体开关；当所述高压隔离模块在高压边感应出负极性脉冲时，所述高压半导体开关的栅极电容存储的电荷快速释放，并为所述高压半导体开关栅极电容充电，形成负极性驱动电压，以使所述高压半导体开关可靠关断。

16、可选的，所述栅极电容用于储存电荷，维持所述高压半导体开关驱动电压，控制所述高压半导体开关在输入信号上升沿导通，在输入信号下降沿关断；所述高压半导体开关的导通时间与输入信号脉冲脉宽一致。

17、可选的，所述高压隔离模块为驱动信号磁隔离变压器；

18、所述驱动信号磁隔离变压器包括高压脉冲传输线、磁芯以及多匝漆包线；低电平信号通过所述高压脉冲传输线输入，感应出磁场，通过所述磁芯将磁场传输至所述多匝漆包线绕制的副边，感应磁动势，用以实现脉冲信号的隔离。

19、可选的，所述驱动信号磁隔离变压器进行灌封处理。

20、可选的，所述高边驱动模块无需辅助供电电源。

21、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

22、1、本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，其中的低边信号调制模块包含两个单稳态触发器，通过单稳态芯片将输入信号解耦成两个窄脉冲信号，减小了磁芯尺寸，避免了高压隔离模块中的变压器的磁芯饱和，能够有效减小整体设备体积。

23、2、本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，通过低边驱动模块中的两组推挽输出电路的交替开通实现单极性供电下的双极性脉冲输出，能避免采用双极性电源，简化电路设计，避免磁芯长时间工作的累积饱和。

24、3、本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，低边信号调制模块中的单稳态触发器只在正电压的上升沿和下降沿被触发，因此，高边输出脉冲具有负偏压钳位能力，避免了误开通，保证了电磁兼容性能。

25、4、本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，高边输出驱动脉冲与低边的输入信号脉宽一致，通过该种方式能够有效简化对数量庞大的半导体开关进行隔离驱动，从而实现系统集成化设计。

26、5、本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，实现处于高电位的半导体开关的可靠驱动，仅需由低边供电模块提供15v低压电源，高边侧则无需供电，省去了复杂的高压隔离辅助电源。

27、6、本发明提供了一种高压隔离半导体开关驱动电路，低边供电模块输入的信号兼容3.3v～15v，既可以用mcu或fpga直接驱动，也可接收其他逻辑电平。

技术特征：

1.一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，包括：低边供电模块、低边信号调制模块、低边驱动模块、高压隔离模块和高边驱动模块；

2.如权利要求1所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述上升沿触发单稳态触发器在输入信号上升沿被触发，输出固定宽度的窄脉冲；

3.如权利要求1所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述低边驱动模块包括两对由半导体开关构成的推挽式输出电路；

4.如权利要求3所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述低边驱动模块中的两对推挽式输出电路交替导通，用以在单极性电压供电下输出双极性脉冲。

5.如权利要求1所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述高边驱动模块包括四个二极管与两个mosfet开关管；

6.如权利要求5所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，当所述高压隔离模块在高压边感应出正极性脉冲时，所述mosfet开关管导通，脉冲信号通过所述第一二极管d1、所述第四二极管d4与所述第二mosfet开关管s2构成回路为高压半导体开关栅极电容充电，达到所述高压半导体开关驱动电平后，导通所述高压半导体开关；当所述高压隔离模块在高压边感应出负极性脉冲时，所述高压半导体开关的栅极电容存储的电荷快速释放，并为所述高压半导体开关栅极电容充电，形成负极性驱动电压，以使所述高压半导体开关可靠关断。

7.如权利要求6所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述栅极电容用于储存电荷，维持所述高压半导体开关驱动电压，控制所述高压半导体开关在输入信号上升沿导通，在输入信号下降沿关断；所述高压半导体开关的导通时间与输入信号脉冲脉宽一致。

8.如权利要求1所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述高压隔离模块为驱动信号磁隔离变压器；

9.如权利要求8所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述驱动信号磁隔离变压器进行灌封处理。

10.如权利要求1所述的一种高压隔离半导体开关驱动电路，其特征在于，所述高边驱动模块无需辅助供电电源。

技术总结
本发明公开了一种高压隔离半导体开关驱动电路。该电路包括：低边供电模块将输入的非隔离直流低压转换成低边回路中芯片正常工作需要的电压；低边信号调制模块分别将输入的宽信号脉冲转换成两个携带原始输入信号脉宽的窄脉冲，并控制低边驱动模块中的晶体管的导通时间；低边驱动模块将两个窄脉冲信号转换为高幅值、大电流的正/负极性的窄脉宽驱动脉冲；高压隔离模块将磁芯的高低边信号及能量耦合并隔离高电压；高边驱动模块根据磁芯感应产生的正/负极性窄脉冲形成脉宽与输入信号一致的驱动脉冲，控制高压半导体开关导通与关断。通过单稳态芯片将输入信号解耦成两个窄脉冲信号，减小了磁芯尺寸，避免了磁芯饱和。

技术研发人员：李柳霞,徐尤来,刘毅,刘楠,彭梓皇,林福昌,李化,张钦
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13