一种基于RSD的脉冲电源模块制造技术

本发明专利技术公开了一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特点在于，主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD是采用环围铜箔固定在PCB上的；本发明专利技术通过将RSD功率开关与充电电源、电容器和磁开关集成在PCB上，使各元件协调工作，减小导线长度，从而降低电源本身的寄生电感等杂散参数，提高RSD的通态电流上升率di/dt；另外，采用环围铜箔焊接固定RSD，一方面有利于加速RSD散热，另一方面增加了PCB上的电流通道，具有平均分配电流走向的作用，提高了脉冲电源模块的通流能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RSD的脉冲电源模块
本专利技术属于高功率高密度脉冲
，更具体地，涉及一种基于RSD的脉冲电源模块。
技术介绍
高功率脉冲电源(兆瓦级电源)是将储存的高密度能量进行快速的压缩、转换或直接释放给负载，在受控热核聚变、高压除尘，有机废水处理等领域有广泛应用；现有技术中的脉冲功率电源技术利用电容储能放电方式，大多数采用机械式火花隙或无触点离子器件如氢闸流管作为放电开关。在开关开通过程中，开关必须承受较大的通态电流上升率di/dt。在国防、经济等领域的推动下，开关的通态电流上升率di/dt的增长将接近开关的工作极限，开关的性能大大限制了该领域的进步。近年来，反向开关晶体管(RSD)、脉冲晶闸管、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等半导体开关逐渐进入脉冲功率领域；火花隙开关耐压高，通流大，但使用寿命短；绝缘栅双极性晶体管可承受高速开关，耐压高，通流强，是电力电子领域的重要半导体器件，但价格相对较贵；晶闸管可耐高压，耐大电流，但开关速度较慢。RSD是新一代高功率脉冲器件，工作稳定性和触发分散性好，耐高压大电流，使用寿命长；但在现有技术中，是通过导线或铜排将分立器件连接组成脉冲系统，形成RSD开关，电路杂散参数较大，RSD的通态电流上升率di/dt远低于其通态电流上升率di/dt耐量的极限(100kA/μs)。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于RSD的脉冲电源模块；其目的在于采用铜箔环围固定RSD的封装方式，降低高功率脉冲电源的杂散电感，进而提升高功率脉冲电源主电路的通态电流上升率di/dt。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管预充电容、预充电感和控制模块；其中主电容、磁开关、RSD与负载构成主电路；预充电容、预充电感、开关管与RSD构成预充电路；其特点在于，主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD是采用环围铜箔固定在PCB上；其中，磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端，主电容阴极通过负载接地；RSD阴极接地；开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接地，另一端连接开关管的发射极；其中，主电容作为脉冲电源模块的主要放电电容，该电源的输出电流由主电容通过RSD放电获得；磁开关用于在预充电容为RSD预充时，阻断主电容对RSD放电；充电电源用于为主电容和预充电容充电；在充电电源对主电容及预充电容充电完毕后，脉冲电源放电前，主电容的阳极、RSD的阳极、开关管的集电极等电位；开关管是整个高功率脉冲电源的开关；预充电容与预充电感组成并联谐振电路，为RSD预充；控制模块用于控制充电电源与开关管的时序；在PCB布局上，PCB上设有用于放置磁开关的开口；磁开关卡放在该开口内；RSD的阴极焊接在PCB的一面上，主电容设置在该面PCB的一端，预充电容设置在该面PCB的另一端；环围铜箔具有一个顶端面与至少两个引脚，其顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊接在一起；环围铜箔的引脚焊接在该面PCB上；环围铜箔起到连接RSD的阳极与PCB正面的作用；磁开关与主电容和RSD之间通过铜条连通：主电容的阳极在PCB的另一面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关，铜条另一端在该面PCB上通过铺铜及过孔与环围铜箔的引脚相接；预充电容的阳极通过铺铜连接开关管的集电极和RSD的阳极；在开关管的发射极与RSD的阴极之间的PCB上环形铺铜，形成预充电感，开关管的发射极通过该环形铺铜连接RSD的阴极，预充电容的阴极通过铺铜与RSD阴极相连；为满足在PCB上通大电流的要求，在上述布局的基础上对各网络做覆铜处理，提供PCB的安全性能。优选的，环围铜箔的顶端面直径大于RSD的直径，为保证确保RSD的阳极与阴极绝缘。优选的，环围铜箔的各引脚的上端与环围铜箔的顶端面垂直，下端与PCB垂直抵接。优选的，所述的开关芯片为硅基RSD或碳化硅基RSD。优选的，RSD呈饼状，厚度为14mm～27mm，直径为41mm～110mm；环围铜箔采用0.3mm～1mm厚度的铜制成，具有顶端面和4个引脚，其顶端面直径为46mm～120mm，引脚宽15mm～40mm，高14mm～27mm。总体而言，通过本专利技术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：1、本专利技术提供的基于RSD的脉冲电源模块，其电源输出功率可达兆瓦级(测试电压KV，电流KA，功率达MW)，将RSD功率开关与充电电源、电容器、磁开关等器件集成在PCB上，使各元件协调工作，减小导线长度，从而降低了该脉冲电源本身的寄生电感等杂散参数，提高RSD的通态电流上升率di/dt；相同条件下，这种方式的集成比现有技术中的回路具有更高的通态电流上升率di/dt；2、本专利技术提供的基于RSD的脉冲电源模块，首创地采用铜箔环围的方式焊接固定RSD；环围铜箔如同具有至少有两个引脚的盖子，覆盖在RSD上，连通RSD的阳极与PCB；一方面，环围铜箔顶端面光滑平整，有利于贴散热片，具有加速RSD散热的作用，其高效的散热性能首次在脉冲功率电源模块内实现了重复频率；另一方面，环围铜箔的引脚与PCB上的铺铜相连，增加了PCB上的电流通道，具有平均分配电流走向的作用，实现了在PCB上通大电流的目的，提高了脉冲电源的通流能力；又一方面，保证了RSD的机械性能，使之紧固的置于PCB上，避免其脱落的风险；3、本专利技术提供的基于RSD的脉冲电源模块，通过PCB的集成封装，实现了脉冲功率装置的集成化、模块化；与现有的技术相比，很大程度上减小了脉冲电源的体积，提高了脉冲电源的输出电流密度，将脉冲功率装置推向了便捷化和小型化。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的正视图；图2是本专利技术实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的三维示意图；图3是本专利技术实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的封装结构电路原理图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-PCB，2-主电容，3-磁开关，4-环围铜箔，5-开关芯片，6-充电电源，7-IGBT，8-预充电容。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块，其封装结构如图1所示；包括PCB1以及集成在PCB1上的主电容2，磁开关3，环围铜箔4，RSD5，充电电源6，开关管7、预充电容8预充电感和控制模块；在实施例里1，开关管采用IGBT；图2是实施例1提供的基于RSD的脉冲电源模块的三维示意图，从图2可以看出，主电容2设置在PCB1一端；磁开关3与主电容2和RSD5通过铜条连通：主电容2的阳极在PCB1的背面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关3，铜条另一端在PC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特征在于，所述主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD采用环围铜箔固定在PCB上；所述磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端；主电容阴极通过负载接地；RSD阴极接地；所述开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接地，另一端连接开关管的发射极；PCB上设有用于放置磁开关的开口；所述磁开关卡放在该开口内；RSD的阴极焊接在PCB的一面上；所述主电容设置在该面PCB的一端，预充电容设置在该面PCB的另一端；所述环围铜箔具有一个顶端面与至少两个引脚，所述顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊接在一起；环围铜箔的引脚焊接在该面PCB上；所述磁开关与主电容和RSD之间通过铜条连通：主电容的阳极在PCB的另一面通过铺铜与铜条一端相连，铜条穿过磁开关，铜条另一端通过铺铜及过孔与环围铜箔的引脚相接；预充电容的阳极通过铺铜连接开关管的集电极和RSD的阳极，预充电容的阴极通过铺铜与RSD阴极相连；预充电感通过在开关管发射极与RSD的阴极之间的PCB上环形铺铜形成。...

【技术特征摘要】
1.一种基于RSD的脉冲电源模块，包括主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容、预充电感和控制模块；其特征在于，所述主电容、磁开关、RSD、充电电源、开关管、预充电容和预充电感集成在一块PCB上，且RSD采用环围铜箔固定在PCB上；所述磁开关的第一端连接主电容的阳极；RSD的阳极连接磁开关的第二端，同时还与充电电源的输出端连接；充电电源的输入端连接控制模块的第一输出端；主电容阴极通过负载接地；RSD阴极接地；所述开关管的门极连接控制模块的第二输出端，集电极与RSD的阳极连接，预充电容的阳极连接开关管的集电极，预充电容的阴极接地；预充电感的一端接地，另一端连接开关管的发射极；PCB上设有用于放置磁开关的开口；所述磁开关卡放在该开口内；RSD的阴极焊接在PCB的一面上；所述主电容和预充电容分别设置在该面PCB的左右两侧；所述环围铜箔具有一个顶端面与至少两个引脚，所述顶端面覆盖在RSD上，与RSD的阳极焊接在一起；环围铜箔的引脚焊接在该面PCB上；所述磁开关与主...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琳，王石磊，陈材，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42