[發(fā)明專利]一種高壓隔離半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310483302.8
• 申請(qǐng)日: 2023-04-28
• 公開（公告）號(hào): CN116470901A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李柳霞;徐尤來;劉毅;劉楠;彭梓皇;林福昌;李化;張欽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H03K17/691
• 分類號(hào): H03K17/691;H02M1/088;H02M3/335
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李曉飛

本發(fā)明公開了一種高壓隔離半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。該電路包括：低邊供電模塊將輸入的非隔離直流低壓轉(zhuǎn)換成低邊回路中芯片正常工作需要的電壓；低邊信號(hào)調(diào)制模塊分別將輸入的寬信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)換成兩個(gè)攜帶原始輸入信號(hào)脈寬的窄脈沖，并控制低邊驅(qū)動(dòng)模塊中的晶體管的導(dǎo)通時(shí)間；低邊驅(qū)動(dòng)模塊將兩個(gè)窄脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為高幅值、大電流的正/負(fù)極性的窄脈寬驅(qū)動(dòng)脈沖；高壓隔離模塊將磁芯的高低邊信號(hào)及能量耦合并隔離高電壓；高邊驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)磁芯感應(yīng)產(chǎn)生的正/負(fù)極性窄脈沖形成脈寬與輸入信號(hào)一致的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制高壓半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷。通過單穩(wěn)態(tài)芯片將輸入信號(hào)解耦成兩個(gè)窄脈沖信號(hào)，減小了磁芯尺寸，避免了磁芯飽和。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高壓隔離半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

背景技術(shù)

近年來，脈沖功率技術(shù)在國防科研、高新技術(shù)研究和民用工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但它的發(fā)展也存在諸多限制因素，如開關(guān)技術(shù)，在常規(guī)脈沖功率技術(shù)中，氣體開關(guān)與液體開關(guān)等介質(zhì)填充開關(guān)存在明顯缺點(diǎn)，如壽命短、損耗大、穩(wěn)定性差、重復(fù)頻率低。半導(dǎo)體開關(guān)在開關(guān)速度、功率容量方面的改善，使得其應(yīng)用于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，出現(xiàn)了全固態(tài)脈沖功率技術(shù)，為脈沖功率技術(shù)發(fā)展開辟了新的道路。然而，半導(dǎo)體自身耐壓不高、電流不大，為了滿足高壓大電流應(yīng)用場景，必須進(jìn)行大規(guī)模串并聯(lián)，如何保證半導(dǎo)體開關(guān)在高電位懸浮工況下的同步驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生回路與脈沖功率回路的隔離，對(duì)于脈沖功率技術(shù)中的半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)用具有極大的挑戰(zhàn)性。

現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)方式中，有源驅(qū)動(dòng)利用光纖實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，但需要利用隔離電源模塊為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換供電，然而現(xiàn)有隔離電源模塊隔離電壓較低，限制了其在高電壓場合的應(yīng)用；現(xiàn)有無源驅(qū)動(dòng)常采用磁隔離方式，但磁芯的伏秒積的限制導(dǎo)致輸入脈沖信號(hào)脈寬較窄，限制半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間，限制脈沖電源裝置輸出電壓的脈沖寬度。無論是有源還是無源驅(qū)動(dòng)，在使用半導(dǎo)體開關(guān)時(shí)，均需要單獨(dú)對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，當(dāng)開關(guān)數(shù)量較多、隔離電位較高時(shí)，控制策略往往極其復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式難以滿足小型化與多半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)要求，且輸出信號(hào)難以與輸入信號(hào)保持一致。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)相關(guān)技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓隔離半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，旨在解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式難以滿足小型化與多半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)要求，且輸出信號(hào)難以與輸入信號(hào)保持一致的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供了一種高壓隔離半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，包括：低邊供電模塊、低邊信號(hào)調(diào)制模塊、低邊驅(qū)動(dòng)模塊、高壓隔離模塊和高邊驅(qū)動(dòng)模塊；

所述低邊供電模塊將輸入的非隔離直流低壓轉(zhuǎn)換成低邊回路中芯片正常工作需要的電壓，為所述低邊信號(hào)調(diào)制模塊和所述低邊驅(qū)動(dòng)模塊供電；

所述低邊信號(hào)調(diào)制模塊包括上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別將輸入的寬信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)換成兩個(gè)攜帶原始輸入信號(hào)脈寬的窄脈沖，并控制所述低邊驅(qū)動(dòng)模塊中的晶體管的導(dǎo)通時(shí)間；

所述低邊驅(qū)動(dòng)模塊將兩個(gè)窄脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為高幅值、大電流的正/負(fù)極性的窄脈寬驅(qū)動(dòng)脈沖，以使所述高壓隔離模塊中的磁芯快速被激勵(lì)以及避免磁芯飽和；

所述高壓隔離模塊用于將所述磁芯的高低邊信號(hào)及能量耦合并隔離高電壓；

所述高邊驅(qū)動(dòng)模塊用于根據(jù)所述磁芯感應(yīng)產(chǎn)生的正/負(fù)極性窄脈沖形成脈寬與輸入信號(hào)一致的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制所連接的高壓半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷。

可選的，所述上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號(hào)上升沿被觸發(fā)，輸出固定寬度的窄脈沖；

所述下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號(hào)下降沿被觸發(fā)，輸出固定寬度的窄脈沖。

可選的，所述低邊驅(qū)動(dòng)模塊包括兩對(duì)由半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的推挽式輸出電路；