專利名稱：高壓脈沖電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓脈沖電路，尤其涉及串聯(lián)高壓開關(guān)電路。
背景技術(shù)：
目前，高壓脈沖技術(shù)在冷陰極場致發(fā)射、等離子技術(shù)、化工、廢水處理等方 面的應(yīng)用越來越廣泛，對高壓脈沖電路的性能指標(biāo)的要求也越來越高，脈沖技術(shù) 正在向著更高電壓、更高頻率、更窄的脈沖寬度、更高功率、更低成本、更小的 體積和重量的方向發(fā)展?，F(xiàn)有的高壓脈沖電路有采用半導(dǎo)體開關(guān)，如可控硅、閘 流管、雪崩三極管、絕緣柵雙極性三極管(IGBT)等，這些半導(dǎo)體開關(guān)具有響應(yīng) 速度快、脈沖重復(fù)率高等優(yōu)點，尤其是IGBT，它具有很短的上升和下降時間， 可以應(yīng)用于高頻率脈沖場合(10kHz)。但是目前市場上的IGBT額定耐壓只有 1200V—3000V左右，雖然ABB等公司6500V的IGBT產(chǎn)品己經(jīng)面世，但是其價格 昂貴，且開關(guān)損耗大，開關(guān)速度與低壓IGBT產(chǎn)品相比有明顯的下降。鑒于IGBT 的這些特點，有些高壓脈沖電路采用低壓IGBT產(chǎn)生較低壓的脈沖(通常低于 1000V)，再通過龐大的脈沖變壓器升壓。用這種方法雖然能得到較高的脈沖電壓， 但是脈沖變壓器非常昂貴和笨重，而且頻率適用范圍窄，因而脈沖電源的使用受 到了限制。另外，目前已有的高壓脈沖電路基本都屬于單路開關(guān)結(jié)構(gòu)，即開關(guān)導(dǎo)通時輸 出脈沖，開關(guān)斷開時無脈沖輸出，這樣的脈沖電路對負(fù)載的兼容性不好，當(dāng)驅(qū)動 容性負(fù)載時，負(fù)載上的電荷無法快速減少，即使脈沖電路已進(jìn)入脈沖下降狀態(tài)， 負(fù)載上的電壓下降非常慢，不能滿足某些應(yīng)用場合的需求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種高壓脈沖電路。 本發(fā)明的上述目的由以下技術(shù)方案實現(xiàn)電路包括有直流電源、低壓脈沖產(chǎn)生電路、負(fù)載、上下側(cè)兩組開關(guān)、控制開 關(guān)通斷的隔離驅(qū)動電路和電壓平衡電路。電路的負(fù)載與一側(cè)開關(guān)并聯(lián)，上下側(cè)開關(guān)采用串聯(lián)方式，上側(cè)開關(guān)另一端連 接直流電源正極，下側(cè)開關(guān)另一端連接直流電源負(fù)極，上側(cè)開關(guān)至少有兩個開關(guān) Tal、 Ta2串聯(lián)組成，下側(cè)開關(guān)至少有兩個開關(guān)Tbl、 Tb2串聯(lián)組成，每一個開關(guān)均 有一并聯(lián)連接的電壓平衡電路。低壓脈沖產(chǎn)生電路輸出相應(yīng)的控制信號到隔離驅(qū) 動電路控制每一個開關(guān)的工作，在與負(fù)載并聯(lián)的一側(cè)開關(guān)斷開和另一側(cè)開關(guān)導(dǎo)通 時，產(chǎn)生脈沖電壓加于負(fù)載;在與負(fù)載并聯(lián)的一側(cè)開關(guān)導(dǎo)通和另一側(cè)開關(guān)斷開時， 為負(fù)載提供放電回路，同一時刻只有上側(cè)或下側(cè)一組開關(guān)導(dǎo)通工作。
上下側(cè)開關(guān)可以為絕緣柵雙極性晶體管IGBT，其集電極為開關(guān)的電流輸入 端，其發(fā)射極為開關(guān)的電流輸出端，其柵極為開關(guān)的控制端。上下側(cè)開關(guān)還可以 為場效應(yīng)管，其漏極為開關(guān)的電流輸入端，其源極為開關(guān)的電流輸出端，其柵極 為開關(guān)的控制端。電壓平衡電路可以由一個二極管與一個電阻器并聯(lián)后與一個電容器串聯(lián)后 再與一個電阻器并聯(lián)組成，二極管的陰極與電容器相連，該并聯(lián)網(wǎng)路中的二極管 陽極與開關(guān)的電流輸入端相連，該并聯(lián)網(wǎng)路的另一端與開關(guān)的電流輸出端相連。 電壓平衡電路還可以由一個二極管與一個電阻器并聯(lián)后與一個電容器串聯(lián)后再 與一個電阻器并聯(lián)組成，二極管的陽極與電容器相連，該并聯(lián)網(wǎng)路中的二極管陰 極與開關(guān)電流輸出端相連，該并聯(lián)網(wǎng)路的另一端與開關(guān)電流輸入端相連。 本發(fā)明的優(yōu)點及效果是提供一種高壓脈沖電路，以及適用于容性負(fù)載。 本發(fā)明在一般脈沖電路的基礎(chǔ)上，采用多個較低耐壓開關(guān)器件串聯(lián)，提高主 回路開關(guān)的耐壓，在高壓直流電源作用下，可以有效地輸出高壓脈沖。同時采用 兩組開關(guān)交替導(dǎo)通和斷開，使得負(fù)載有了放電回路，從而適用于容性負(fù)載。采用 電壓平衡電路解決多級串聯(lián)開關(guān)的電壓不平衡問題。


圖l 是本發(fā)明的電路圖；圖2 是本發(fā)明電路工作波形圖；圖3 是本發(fā)明電路中一種電壓平衡電路。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1所示，Tal、 Ta2、 Tbl和Tb2為絕緣柵雙極性晶體管IGBT，其中Tal 和Ta2構(gòu)成上側(cè)開關(guān)，Tbl和Tb2構(gòu)成下側(cè)開關(guān)。Rs為電壓平衡電路中的靜態(tài)平 衡電阻，Dal、 Da2、 Dbl和Db2為電壓平衡電路中動態(tài)平衡電路的二極管，Cal、 Ca2、 Cbl和Cb2為電壓平衡電路中動態(tài)平衡電路的電容，Ral、 Ra2、 Rbl和Rb2 為電壓平衡電路中動態(tài)平衡電路的電阻。電路中包含有低壓脈沖產(chǎn)生電路、隔離驅(qū)動電路、電壓平衡電路、負(fù)載、直 流的電壓輸入和兩組串聯(lián)絕緣柵雙極性晶體管IGBT開關(guān)Tal、 Ta2、 Tbl、 Tb2。 低壓脈沖產(chǎn)生電路，它不僅可以提供豐富的脈沖信號，而且可以通過編程方便地 調(diào)整脈沖頻率和脈沖寬度。隔離驅(qū)動電路，這部分主要由高隔離電壓的光耦、功 率放大電路、差分輸出電路構(gòu)成。由低壓脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的低壓脈沖信號，經(jīng) 光耦隔離，再經(jīng)功率放大電路放大后，由差分輸出電路輸出到IGBT的柵極和發(fā) 射極，驅(qū)動IGBT進(jìn)行開關(guān)工作。為了產(chǎn)生高壓脈沖，需要一個高壓直流電壓輸 入給主回路提供電壓和電流，輸出脈沖的電壓峰值可以通過調(diào)節(jié)該直流電壓來實 現(xiàn)。負(fù)載可以是與上側(cè)開關(guān)并聯(lián)，也可以是與下側(cè)開關(guān)并聯(lián)，負(fù)載包括容性負(fù)載 在內(nèi)的多種負(fù)載，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，可滿足多種應(yīng)用場合的需求。串聯(lián)IGBT開關(guān)，這部分由兩組串聯(lián)的IGBT構(gòu)成，分為上側(cè)開關(guān)和下側(cè)開關(guān)，
它們由兩組不同的信號驅(qū)動，每個串聯(lián)的IGBT均有一個電壓平衡電路與之并聯(lián)。 電壓平衡電路為一個電阻-電容-二極管網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)用作串聯(lián)IGBT的電壓平衡。 其中，Rs為靜態(tài)平衡電阻，當(dāng)串聯(lián)開關(guān)管斷開時，保證各個串聯(lián)的開關(guān)管上電壓 相等，從而保證開關(guān)斷開狀態(tài)下，電路能正常穩(wěn)定工作。電阻Ral，電容Cal， 二極管Dal，構(gòu)成電壓平衡電路中動態(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)(RCD)。當(dāng)上、下側(cè)開關(guān)均斷 開，而上側(cè)開關(guān)中任何一個串聯(lián)開關(guān)管超前導(dǎo)通時，該開關(guān)管上電壓迅速被下側(cè) 開關(guān)的RCD網(wǎng)絡(luò)吸收掉，從而保證上側(cè)開關(guān)中其余開關(guān)管安全工作。當(dāng)上、下側(cè) 開關(guān)均導(dǎo)通，而下側(cè)開關(guān)中任何一個串聯(lián)開關(guān)管超前導(dǎo)通時，該開關(guān)管上電壓迅 速被上側(cè)開關(guān)的RCD網(wǎng)絡(luò)吸收掉，從而保證上側(cè)開關(guān)中其余開關(guān)管安全工作。 RCD動態(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)中的電阻電容和二極管的連接形式有多種如，二極管與電阻 并聯(lián)后與電容串聯(lián)組成，二極管的陰極與電容器相連，二極管陽極連接與其并聯(lián) 開關(guān)的電流輸入端，該RCD動態(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)的另一端與開關(guān)的電流輸出端相連。又 如，二極管與電阻并聯(lián)后與一個電容器串聯(lián)組成，二極管的陽極與電容器相連， 二極管陰極連接與其并聯(lián)開關(guān)電流輸出端，該RCD動態(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)的另一端與開關(guān) 電流輸入端相連，如圖3所示?？傊瑒討B(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)里應(yīng)有電容器，以及對電容 器進(jìn)行快速充電回路和慢速放電回路。圖2為圖l所示電路的工作波形圖，圖中驅(qū)動A1、驅(qū)動A2、驅(qū)動B1和驅(qū) 動B2信號分別對應(yīng)圖2中絕緣柵雙極性晶體管Tal、 Ta2、 Tbl和Tb2的驅(qū)動電 壓波形，Va2信號為絕緣柵雙極性晶體管Ta2的集電極和發(fā)射極間電壓，Vb2信 號為絕緣柵雙極性晶體管Tb2的集電極和發(fā)射極間電壓，Vpulse信號為負(fù)載兩 端的電壓，工作波形被劃分為7個工作階段。階段1、當(dāng)上側(cè)開關(guān)斷開，下側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時。此時，所有的直流電壓(如2000V) 都加在上側(cè)開關(guān)上，并且在靜態(tài)平衡電阻的作用下，Tal和Ta2兩端電壓相等， 均為1000V,負(fù)載上電壓為0。階段2、上側(cè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，而下側(cè)開關(guān)開始由導(dǎo)通變?yōu)閿嚅_，而且Tbl 比Tb2稍早斷開。由于Cal和Ca2己經(jīng)在階段l中分別被充電達(dá)到1000V，它們 通過Ral、 Ra2放電很慢，所以此時Tal和Ta2上電壓幾乎沒有下降，負(fù)載上電 壓仍然為0。階段3、下側(cè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，而上側(cè)開關(guān)開始導(dǎo)通，且Tal比Ta2稍早 導(dǎo)通。當(dāng)Tal已經(jīng)導(dǎo)通，而Ta2尚未導(dǎo)通時，Tal上的電壓瞬間降為0，同時二 極管Dbl和Db2導(dǎo)通，Cbl和Cb2被快速充電，Tbl和Tb2上電壓快速上升(接近 500V)。雖然此時Ta2上電壓也有所上升，但是幅度很小，不會超過IGBT的額定 電壓。當(dāng)Ta2緊跟著Tal也導(dǎo)通時，Ta2上電壓瞬間降為0, Tbl和Tb2上電壓 分別快速上升到IOOOV，負(fù)載上電壓變?yōu)?000V。階段4、上側(cè)開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)，下側(cè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。這時，下側(cè)開關(guān) 上電壓將保持2000V，負(fù)載上得到一個穩(wěn)定的脈沖電壓。階段5、下側(cè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，而上側(cè)開關(guān)開始由導(dǎo)通變成斷開，且Tal 比Ta2稍早斷開。該階段與階段2類似，由于Cbl和Cb2通過Rbl和Rb2放電緩 慢，Tal和Ta2上電壓在短時間內(nèi)略有上升，負(fù)載上的脈沖電壓幾乎沒有下降。階段6、上側(cè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，而下側(cè)開關(guān)開始導(dǎo)通，且Tbl比Tb2稍早
導(dǎo)通，該階段與階段3相似。當(dāng)Tbl已經(jīng)導(dǎo)通，而Tb2尚未導(dǎo)通時，Tbl上電壓 瞬間下降到0， Dal和Da2導(dǎo)通，Cal和Ca2被快速充電，Tal和Ta2上的電壓迅 速上升(接近500V)。 Tb2上電壓只是輕微上升，Tbl上的電壓幾乎都轉(zhuǎn)移到了 Tal和Ta2上，從而保證了 Tb2的安全工作。當(dāng)Tb2延時2ps后也導(dǎo)通時，Tb2 上電壓瞬間降為0， Tal和Ta2上電壓均快速上升到IOOOV。此時，負(fù)載上電壓 下降為0.階段7、上側(cè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，下側(cè)開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)。該階段與階段1 一樣，負(fù)載上無電壓，開始進(jìn)入下一個周期。根據(jù)以上的分析，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明解決了串聯(lián)IGBT的電壓不平衡問題，而 且輸出脈沖對負(fù)載沒有依賴性，可以適應(yīng)絕大多數(shù)負(fù)載的要求。雖然以上實施方 式是針對4個IGBT串聯(lián)互補(bǔ)開關(guān)用作脈沖形成主開關(guān)的情況，對于更多的IGBT 串聯(lián)依然適用，因此串聯(lián)更多的IGBT可以大幅度提高脈沖形成主開關(guān)的耐壓， 同時，本發(fā)明的開關(guān)IGBT還可以用其他開關(guān)器件代替，如場效應(yīng)管等。此外， 本發(fā)明電路成本低，并且體積小，重量輕，僅采用了半導(dǎo)體器件和部分電阻、電 容，不需要脈沖變壓器等笨重器件。
權(quán)利要求
1、一種高壓脈沖電路，其特征包括有直流電源、低壓脈沖產(chǎn)生電路、負(fù)載、上下側(cè)兩組開關(guān)、與開關(guān)數(shù)量對應(yīng)的隔離驅(qū)動電路和與開關(guān)數(shù)量對應(yīng)的電壓平衡電路；所述的負(fù)載與一側(cè)開關(guān)并聯(lián)，所述的上下側(cè)開關(guān)串聯(lián)，上側(cè)開關(guān)另一端連接直流電源正極，下側(cè)開關(guān)另一端連接直流電源負(fù)極，上側(cè)開關(guān)至少有兩個開關(guān)(Ta1、Ta2)串聯(lián)組成，下側(cè)開關(guān)至少有兩個開關(guān)(Tb1、Tb2)串聯(lián)組成，每一個開關(guān)均有一并聯(lián)連接的電壓平衡電路，所述的低壓脈沖產(chǎn)生電路輸出相應(yīng)的控制信號到所述的隔離驅(qū)動電路控制每一個開關(guān)的工作，在與負(fù)載并聯(lián)的一側(cè)開關(guān)斷開和另一側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時，產(chǎn)生脈沖電壓加于負(fù)載，在與負(fù)載并聯(lián)的一側(cè)開關(guān)導(dǎo)通和另一側(cè)開關(guān)斷開時，為負(fù)載提供放電回路，同一時刻只有一組開關(guān)導(dǎo)通工作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓脈沖電路，其特征是所述的上下側(cè)開關(guān)為絕緣柵雙 極性晶體管，其集電極為開關(guān)的電流輸入端，其發(fā)射極為開關(guān)的電流輸出端，其 柵極為開關(guān)的控制端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓脈沖電路，其特征是所述的上下側(cè)開關(guān)為場效應(yīng)管， 其漏極為開關(guān)的電流輸入端，其源極為開關(guān)的電流輸出端，其柵極為開關(guān)的控制 端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的高壓脈沖電路，其特征是所述的電壓平衡電路 由一個二極管與一個電阻器并聯(lián)后與一個電容器串聯(lián)后再與一個電阻器并聯(lián)組 成，二極管的陰極與電容器相連，該并聯(lián)網(wǎng)路中的二極管陽極與開關(guān)的電流輸入 端相連，該并聯(lián)網(wǎng)路的另一端與開關(guān)的電流輸出端相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的高壓脈沖電路，其特征是所述的電壓平衡電路 由一個二極管與一個電阻器并聯(lián)后與一個電容器串聯(lián)后再與一個電阻器并聯(lián)組成，二極管的陽極與電容器相連，該并聯(lián)網(wǎng)路中的二極管陰極與開關(guān)電流輸出端 相連，該并聯(lián)網(wǎng)路的另一端與開關(guān)電流輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高壓脈沖電路，涉及脈沖電路，尤其涉及高壓開關(guān)電路。主要包括兩組串聯(lián)開關(guān)，及電壓平衡電路，兩組開關(guān)交替導(dǎo)通完成對負(fù)載的脈沖輸出和放電。輸出脈沖電壓幅值可達(dá)10kV以上，脈沖最優(yōu)上升時間為1μs，最優(yōu)下降時間為100ns。本發(fā)明具有可驅(qū)動多種負(fù)載，成本低，脈沖上升和下降時間短，重復(fù)頻率高，體積小，脈沖寬度和頻率均可調(diào)等特點。
文檔編號H03K17/08GK101127516SQ20071013225
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者婁朝剛, 張曉兵, 柴衛(wèi)強(qiáng), 王保平, 王琦龍, 靜 陳, 威 雷 申請人:東南大學(xué)