[發明專利]一種用于高壓場合、寬調節頻率的高壓固態開關

在審

• 申請號: 201710391724.7
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107294518A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 王亮;張東來;朱洪雨
• 申請（專利權）人: 深圳航天科技創新研究院;深圳市航天新源科技有限公司
• 主分類號: H03K17/691
• 分類號: H03K17/691;H03K17/567;H03K17/081
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 王雨時

技術領域

本發明屬于高壓開關技術領域，具體涉及一種高壓固態開關。

背景技術

高壓固態開關，可應用于多種領域，如：電力系統斷路器、高壓醫療電源、雷達發射器、污水處理等脈沖功率。目前一些應用場合，需要高壓固態開關具有快速，損耗低等特點，并需要控制、調節高壓電源和高壓負載之間導通、關斷的開關頻率和時間。傳統的高壓固態開關由于復雜的保護電路、較差的動態響應和較低的導通損耗等問題，導致輸出電壓壓降大、帶載能力低、故障響應速度慢，從而制約了的高壓脈沖電源的整體輸出性能。

目前高壓固態開關方案還是沿用早期方案，一種是采用單體高耐壓等級的功率器件，實現控制主功率導通和關斷的目標，但由于受到耐壓等級的限制，因此在可靠性和靈活性上存在缺陷，另外單體器件的體積較大。另一種采用多個開關器件串聯，但開關速度慢、保護電路考慮不全面，而且導通損耗較大，因此對一些可靠性、體積和損耗有很嚴格要求的領域，采用這兩種方案的高壓固態開關應用受到限制。同時傳統的高壓開關也不具備較寬范圍頻率調節的能力。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明采用小體積、低導通損耗的MOSFET或SiC-MOSFET器件進行串聯實現高壓電源對負載導通、關斷的快速、可靠控制；另外高壓側增加了保護、箝位電路用于防止各串聯器件出現過壓。本發明提出的高壓、寬調節頻率的固態開關方案，具有電路設計簡單、模塊化、體積小、速度響應快、可靠性高及導通損耗低等優點。

本發明具體通過如下技術方案實現：

本發明中采用低導通損耗的MOSFET或SiC-MOSFET進行串聯，每個串聯器件采用獨立的驅動變壓器和驅動電路，實現獨立的電氣隔離。本發明中采用單匝導線穿過各驅動變壓器，其中串芯導線作為所有驅動變壓器的原邊繞組。當原邊繞組給定控制信號后，通過電磁感應將控制信號傳遞到副邊的各路驅動電路中，由于原邊繞組屬于串聯連接，因此給定到副邊各驅動電路的信號同步，保證了所有串聯開關器件的導通、關斷同步。同時，為實現每個開關器件的可靠開通、關斷，本發明設計了保護電路，用于防止器件承受電壓超過自身承受電壓。

本發明中副邊串聯的開關器件各包括一個獨立的驅動電路，當副邊繞組為正向脈沖時，驅動電路可在對應開關器件上產生高電平，保證串聯器件處于導通狀態；當副邊繞組為負向脈沖時，驅動電路會在對應開關器件產生低電平，保證其處于關斷狀態。

本發明由于采用串芯繞線方式作為所有的隔離變壓器的原邊，因此具有很強的驅動能力，從而保證高壓開關具有快速的開關響應，同時采用低導通損耗的SiC-MOSFET，導通情況下具有低導通損耗。另外，本發明提出的高壓固態開關方案可實現寬范圍調節開關頻率和時間的能力，因此該方案非常適用于高壓電源為負載提供脈沖功率場合。

附圖說明

圖1是本發明的高壓固態開關的電路結構示意圖；

圖2是三個開關器件串聯弱電側將控制信號轉變為脈沖信號的電路；

圖3是弱電側調理電路拓撲結構；

圖4是高壓側采用三極管驅動的電路拓撲結構；

圖5是高壓側串聯器件均壓保護電路；

圖6是采用高壓固態開關為脈沖負載供電圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明提出的快速、寬調節頻率的高壓固態開關的電路結構如附圖1所示，高壓固態開關介于高壓電源與負載之間，其中高壓固態開關高壓側由多個串聯的開關器件(S₁,S₂,…,S_n)組成，例如采用額定電壓為1200V的SiC-MOSFET器件，當三個串聯時可以承受3600V的電壓，同時依據實際要求還可串聯多個器件來承受更高的電壓。而為了降低導通時的通態損耗，還可進行開關器件的并聯。