本發(fā)明屬于半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)院士i.v.grekhov發(fā)明的反向開關(guān)晶體管(reverselyswitcheddynistor,rsd)可以實(shí)現(xiàn)高di/dt大電流微秒開通?；趓sd的重復(fù)頻率脈沖功率電源在環(huán)境保護(hù)、食品保鮮、軍事、工業(yè)加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。rsd器件是一種由數(shù)萬個(gè)晶閘管與晶體管元胞相間并聯(lián)排列的器件，沒有普通晶閘管的控制極，采用可控等離子體層觸發(fā)方式，反向注入觸發(fā)電流，在整個(gè)芯片面積上實(shí)現(xiàn)了同步均勻?qū)ǎ瑥钠骷砩舷似胀ňчl管器件存在的開通局部化現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)高di/dt微秒開通，同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)通過很大的電流。

基于rsd的高功率脈沖放電系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，分為充電電路、主電路(主回路)、rsd觸發(fā)電路及控制電路等四部分。充電電路、主電路(主回路)和rsd觸發(fā)電路依次串聯(lián)連接。

主電路的主要功能是向負(fù)載釋放脈沖大電流，是系統(tǒng)的核心，其主要元器件包括放電電容、磁開關(guān)(可飽和電感)、半導(dǎo)體功率開關(guān)-rsd及負(fù)載。

充電電路的主要功能是將主電路的放電電容和rsd觸發(fā)電路中的觸發(fā)電容充電至工作電壓，充電電路的兩個(gè)輸出端連接在主電路的放電電容的正極和負(fù)極?？刹捎玫闹髁鞒潆姺桨赣泻銐褐绷鞒潆?、lc諧振充電、lrc諧振充電、串聯(lián)諧振恒流充電等方式，也可采用其他方式充電。

導(dǎo)通控制電路的主要功能是輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)充電電路及rsd觸發(fā)電路中的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通及關(guān)斷，并接受后兩個(gè)電路反饋的電壓、電流信號(hào)，用以調(diào)整控制信號(hào)的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率放電。導(dǎo)通控制電路和rsd觸發(fā)電路分別并聯(lián)連接。

rsd觸發(fā)電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)開通rsd的功能，也是本發(fā)明要闡述的內(nèi)容。

rsd開關(guān)的典型觸發(fā)(預(yù)充)電路有直接預(yù)充、諧振預(yù)充、變壓器升壓預(yù)充等三種。單個(gè)rsd器件的預(yù)充方式有直接預(yù)充、諧振預(yù)充兩種，采用直接預(yù)充開通方式開通效率高，損耗小，充電電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多應(yīng)用于單次脈沖放電。諧振預(yù)充的能量損耗較大，但較直接預(yù)充更易于實(shí)現(xiàn)控制，更適用于重復(fù)頻率脈沖放電。多只rsd器件串并聯(lián)組成的rsd開關(guān)的預(yù)充可以采用直接預(yù)充、諧振預(yù)充和變壓器升壓預(yù)充等方式。根據(jù)不同實(shí)際應(yīng)用的需要，采用不同的rsd預(yù)充電路。

發(fā)明專利《一種反向開關(guān)晶體管的觸發(fā)電路》(專利號(hào)為cn201310109983.8)采用h橋式觸發(fā)電路用于低壓大電流rsd器件的觸發(fā)，預(yù)充電容的充電和放電分別由h橋的兩組對(duì)角線晶閘管開關(guān)或絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)開關(guān)控制，與傳統(tǒng)預(yù)充電路相比，該電路結(jié)合了直接觸發(fā)和諧振觸發(fā)電路的優(yōu)點(diǎn)，提高了rsd的預(yù)充效率。但是，與傳統(tǒng)預(yù)充電路相比，該電路增加了三個(gè)半導(dǎo)體預(yù)充開關(guān)，預(yù)充電路的控制系統(tǒng)更復(fù)雜，顯著增加了預(yù)充開關(guān)的成本，而且只適用于低壓rsd開關(guān)的觸發(fā)，降低了改進(jìn)型電路的實(shí)用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在的上述問題，提供一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是簡化結(jié)構(gòu)、提高rsd的預(yù)充效率。

本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，其特征在于，所述觸發(fā)電路包括充電電路、放電主電路和rsd觸發(fā)電路；所述充電電路與放電主電路并聯(lián)，所述放電主電路與所述rsd觸發(fā)電路并聯(lián)，所述充電電路包括充電電源。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述放電主電路包括第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負(fù)載z0；所述第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負(fù)載z0依次串聯(lián)；所述充電電源的輸出正極連接第一放電電容c0的正極，充電電源的輸出負(fù)極連接第一放電電容c0的負(fù)極。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述rsd觸發(fā)電路包括第一深能級(jí)晶體管(deepleveldynistor，dld)的開關(guān)k21、第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22、第二磁開關(guān)l21、第三磁開關(guān)l22、第二放電電容cc和脈沖電源；所述第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21串聯(lián)，第二磁開關(guān)l21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的連接公共點(diǎn)與第二放電電容cc的正極連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21的連接公共點(diǎn)與第二放電電容cc的負(fù)極連接，第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的導(dǎo)通電路—脈沖電源的輸出正極連接第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21的正極和第二磁開關(guān)l21的另一端，第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的導(dǎo)通電路—脈沖電源的輸出負(fù)極連接第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的負(fù)極和第三磁開關(guān)l22的另一端。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述rsd觸發(fā)電路的輸出正極連接放電主電路的正極，rsd觸發(fā)電路的輸出負(fù)極連接放電主電路的負(fù)極；其中，所述連接放電主電路的正極和負(fù)極是指連接放電主電路中的rsd開關(guān)的正極和負(fù)極。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22包括導(dǎo)線和磁性材料，所述第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22均由所述導(dǎo)線在所述磁性材料的磁芯上纏繞若干圈組成。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述磁性材料為鐵氧體或環(huán)形微晶鐵氧體薄膜。

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述脈沖電源的開關(guān)為半導(dǎo)體功率開關(guān)，

在上述的一種反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路中，所述脈沖電源的開關(guān)為晶閘管或igbt。

本發(fā)明基于脈沖電壓導(dǎo)通原理的反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，具有以下有益效果：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有rsd觸發(fā)電路的不足，提出基于磁開關(guān)和dld的h橋觸發(fā)電路，同時(shí)具有直接預(yù)充和諧振預(yù)充的優(yōu)勢，并避免了這兩種觸發(fā)電路的缺點(diǎn)，減少了放電延時(shí)元件-磁開關(guān)l的磁芯體積和成本，降低了l的損耗及飽和電感，有利于提高電路的di/dt，同時(shí)。本發(fā)明同時(shí)適用于kv電壓量級(jí)及10kv電壓量級(jí)的rsd觸發(fā)電路。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于rsd的高功率脈沖放電系統(tǒng)的總體框圖；

圖2為本發(fā)明基于rsd的觸發(fā)電路的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明中第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的觸發(fā)導(dǎo)通示意圖；

圖4為本發(fā)明中rsd的觸發(fā)導(dǎo)通示意圖；

圖5為本發(fā)明中第一放電電容c0正向放電示意圖；

圖6為本發(fā)明中基于rsd和磁開關(guān)的rsd觸發(fā)電路具體應(yīng)用示意圖；

圖7為本發(fā)明中雙晶閘管同步驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用示意圖；

圖8為本發(fā)明中晶閘管的觸發(fā)電流波形示意圖。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

參見圖2至圖8，本發(fā)明為反向開關(guān)晶體管觸發(fā)電路，觸發(fā)電路包括充電電路、放電主電路和rsd觸發(fā)電路；充電電路與放電主電路并聯(lián)，放電主電路與rsd觸發(fā)電路并聯(lián)，充電電路包括充電電源。

放電主電路包括第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負(fù)載z0；第一放電電容c0、第一磁開關(guān)l、rsd開關(guān)、負(fù)載z0依次串聯(lián)；充電電源的輸出正極連接第一放電電容c0的正極，充電電源的輸出負(fù)極連接第一放電電容c0的負(fù)極。

rsd觸發(fā)電路包括第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21、第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22、第二磁開關(guān)l21、第三磁開關(guān)l22、第二放電電容cc和脈沖電源；第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21串聯(lián)，第二磁開關(guān)l21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的連接公共點(diǎn)與第二放電電容cc的正極連接，第三磁開關(guān)l22和第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21的連接公共點(diǎn)與第二放電電容cc的負(fù)極連接，第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的導(dǎo)通電路—脈沖電源的輸出正極連接第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21的正極和第二磁開關(guān)l21的另一端，第一深能級(jí)晶體管的開關(guān)k21和第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的導(dǎo)通電路—脈沖電源的輸出負(fù)極連接第二深能級(jí)晶體管的開關(guān)k22的負(fù)極和第三磁開關(guān)l22的另一端。

rsd觸發(fā)電路的輸出正極連接放電主電路的正極，rsd觸發(fā)電路的輸出負(fù)極連接放電主電路的負(fù)極。

連接放電主電路的正極和負(fù)極是指連接放電主電路中的rsd開關(guān)的正極和負(fù)極。

第二磁開關(guān)l21和第三磁開關(guān)l22分別由導(dǎo)線在鐵氧體或環(huán)形微晶鐵氧體薄膜或其他磁性材料的磁芯上纏繞若干圈組成。

脈沖電源的開關(guān)可以采用晶閘管、igbt或其他半導(dǎo)體功率開關(guān)。

deep-leveldynistors(dld。沒有標(biāo)準(zhǔn)的中文名稱，按照英文直接翻譯為深能級(jí)晶體管)是一種兩端器件，基本結(jié)構(gòu)是(正極)p+-n-p-n+(負(fù)極)。當(dāng)在正極施加一個(gè)沖擊電壓(>1kv/ns)時(shí)，dld延遲1-2ns正向?qū)?。本發(fā)明的基本方案為基于dld和磁開關(guān)的h橋觸發(fā)電路，其原理敘述如下。

a、基于dld和磁開關(guān)的h橋觸發(fā)電路

原理圖如圖2所示。k21、k22為dld開關(guān)；電路的工作電壓為v0，充電電路將c0和cc充電至工作電壓v0；l21和l22采用環(huán)形微晶鐵氧體薄膜卷繞組成的磁芯，在磁芯上纏繞若干圈線圈，以確保足夠長的延遲時(shí)間；充電過程中，l21、l22的飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)對(duì)充電過程基本沒有影響，對(duì)兩個(gè)電容的最終充電電壓沒有影響。

充電電源的輸出正極連接放電主電路的放電電容的正極，充電電源的輸出負(fù)極連接放電電容的負(fù)極。

放電主電路：放電電容c0(存儲(chǔ)電能，向負(fù)載z0放電)和l(延遲導(dǎo)通，確保rsd正常導(dǎo)通)、rsd開關(guān)、負(fù)載z0依次串聯(lián)。

rsd觸發(fā)電路的輸出正極連接rsd開關(guān)的正極，輸出負(fù)極連接高階rsd開關(guān)的負(fù)極。rsd觸發(fā)電路中，l21和k22串聯(lián)，l22和k21串聯(lián)，l21和k22的連接公共點(diǎn)與cc的正極連接，l22和k21的連接公共點(diǎn)與cc的負(fù)極連接，k21、k22的導(dǎo)通電路—脈沖電源的輸出正極連接k21的正極及l(fā)21的另一端，k21、k22的導(dǎo)通電路—脈沖電源的輸出負(fù)極連接k22的負(fù)極及及l(fā)22的另一端。

b、電路的工作過程分為三個(gè)階段：

1、k21、k22的觸發(fā)導(dǎo)通：脈沖電源輸出一個(gè)沖擊電壓(>1kv/ns)，施加在k21、k22上，兩個(gè)開關(guān)延遲1-2ns正向?qū)?，并形成脈沖電流i1；磁開關(guān)l21和l22始終為非飽和狀態(tài)。

2、rsd的觸發(fā)導(dǎo)通：當(dāng)脈沖電源輸出的電壓小于cc的電壓時(shí)，c0和cc開始放電。c0放電時(shí)，由于磁開關(guān)l未飽和，l的阻抗很大，因此c0的放電電流很?。籧c的放電路徑為cc-k22-rsd-k21-cc，電流走向如圖4所示；cc的電壓施加在rsd上，形成rsd的反向預(yù)充電流i2，磁開關(guān)l21和l22始終為非飽和狀態(tài)。

3、c0正向放電：l飽和后，c0通過rsd放電，在負(fù)載z0上形成所需的脈沖電流，電流走向如圖5所示。當(dāng)l21和l22飽和后，cc的放電路徑為cc-k21-l21-cc，以及cc-k22-l22-cc。rsd流過的電流只有c0的正向脈沖電流i3。

c、基于dld和磁開關(guān)的觸發(fā)電路的實(shí)例電路

實(shí)例電路圖如圖6所示，對(duì)脈沖電源的基本要求是輸出高dv/dt的脈沖電壓，脈沖電壓的一般是c0電壓的1.5-2倍，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而確定。

脈沖電源的電路拓?fù)淇梢允侨魏螡M足電路要求的各種類型重復(fù)頻率脈沖電源，脈沖電源的開關(guān)可以采用晶閘管、igbt或其他半導(dǎo)體功率開關(guān)。本發(fā)明采用基于晶閘管的脈沖電源。本脈沖電源分為充電電路和放電電路兩部分。充電電源如前所述。脈沖電源包括放電電容cs、磁開關(guān)ls、升壓變壓器t、二極管類兩端器件dos(diodeopeningswitches二極管斷路開關(guān))、半導(dǎo)體功率開關(guān)ks。ks也可以是igbt、mosfet或其他三端半導(dǎo)體功率器件。脈沖電源的工作過程簡述如下：驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通ks，ls延時(shí)飽和后，cs通過ls、ks及變壓器t放電，t高壓側(cè)通過dos向cs1充電，t飽和后，cs1放電，dos承受反向電壓關(guān)斷，其關(guān)斷時(shí)間為ns量級(jí)，cs1的電壓快速施加在k21、k22上，形成沖擊電壓，導(dǎo)通k21、k22。

l21、l22由導(dǎo)線在鐵氧體或環(huán)形微晶鐵氧體薄膜或其他磁性材料的磁芯上纏繞若干圈組成。

d、半導(dǎo)體開關(guān)ks的驅(qū)動(dòng)電路

雙晶閘管同步驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)ks，使整個(gè)電路系統(tǒng)開始工作，電路圖如圖7所示，可同步開通兩個(gè)晶閘管，也可只驅(qū)動(dòng)一個(gè)晶閘管。單片機(jī)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流較小(ma量級(jí))，不能直接驅(qū)動(dòng)igbt，需要使用專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)igbt。tlp521為光偶器件，用于傳輸開關(guān)信號(hào)，隔離驅(qū)動(dòng)電路與低壓控制電路；ir2110為igbt驅(qū)動(dòng)芯片，其最大耐壓為500v，通流能力為2a，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為10～20v，開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和延時(shí)時(shí)間分別為120ns，94ns，10ns。在同一個(gè)環(huán)形鐵氧體磁芯上繞制一個(gè)原邊、兩個(gè)副邊線圈組成觸發(fā)變壓器t2(和升壓變壓器t是兩個(gè)不同類型及作用的變壓器)，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)晶閘管的同步導(dǎo)通。ir2110輸出的高電平輸入到igbt柵極，igbt導(dǎo)通，直流電源在脈沖變壓線圈原邊產(chǎn)生一個(gè)快速上升的電流脈沖，此電流脈沖在t2的副邊產(chǎn)生兩個(gè)快速上升的高幅值門極驅(qū)動(dòng)電流，強(qiáng)觸發(fā)晶閘管，增強(qiáng)晶閘管的高di/dt電流通流能力。由于igbt關(guān)斷速度很快，所以在igbt關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷電流的di/dt作用，而使t2原邊電感在igbt兩端的產(chǎn)生很大的電壓，從而擊穿igbt。因此igbt觸發(fā)電路中加入了由電容、電阻和二極管dos組成的緩沖電路，并且在igbt發(fā)射極和集電極上并聯(lián)了一個(gè)穩(wěn)壓二極管。igbt關(guān)斷時(shí)，t2原邊電流在電感的作用下逐漸減小，igbt集電極的電位升高，二極管dos導(dǎo)通，t2原邊線圈電感存儲(chǔ)的能量通過緩沖回路釋放，使igbt的集電結(jié)電位不會(huì)上升到擊穿電壓，從而實(shí)現(xiàn)igbt的關(guān)斷保護(hù)。

兩支晶閘管的同步觸發(fā)電路的觸發(fā)電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，t＝2μs時(shí)，1#晶閘管和2#晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電流分別為6.7a、5.9a，串聯(lián)晶閘管的同步觸發(fā)性較好，基本滿足要求。

上述部分專業(yè)代名詞做如下解釋：

1、igbt開關(guān)含義中文名；

絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，也是一種三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。

2、dld-兩端器件中文名稱；

deep-leveldynistors(dld。沒有標(biāo)準(zhǔn)的中文名稱，按照英文直接翻譯為深能級(jí)晶體管)

3、di/dt-中文含義；電流上升率

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。