高压脉冲电路制造技术

本发明专利技术公开了一种高压脉冲电路，涉及脉冲电路，尤其涉及高压开关电路。主要包括两组串联开关，及电压平衡电路，两组开关交替导通完成对负载的脉冲输出和放电。输出脉冲电压幅值可达１０ｋＶ以上，脉冲最优上升时间为１μｓ，最优下降时间为１００ｎｓ。本发明专利技术具有可驱动多种负载，成本低，脉冲上升和下降时间短，重复频率高，体积小，脉冲宽度和频率均可调等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高压脉冲电路，尤其涉及串联高压开关电路。
技术介绍
目前，高压脉冲技术在冷阴极场致发射、等离子技术、化工、废水处理等方 面的应用越来越广泛，对高压脉冲电路的性能指标的要求也越来越高，脉冲技术 正在向着更高电压、更高频率、更窄的脉冲宽度、更高功率、更低成本、更小的 体积和重量的方向发展。现有的高压脉冲电路有采用半导体开关，如可控硅、闸 流管、雪崩三极管、绝缘栅双极性三极管(IGBT)等，这些半导体开关具有响应 速度快、脉冲重复率高等优点，尤其是IGBT，它具有很短的上升和下降时间， 可以应用于高频率脉冲场合(10kHz)。但是目前市场上的IGBT额定耐压只有 1200V—3000V左右，虽然ABB等公司6500V的IGBT产品己经面世，但是其价格 昂贵，且开关损耗大，开关速度与低压IGBT产品相比有明显的下降。鉴于IGBT 的这些特点，有些高压脉冲电路采用低压IGBT产生较低压的脉冲(通常低于 1000V)，再通过庞大的脉冲变压器升压。用这种方法虽然能得到较高的脉冲电压， 但是脉冲变压器非常昂贵和笨重，而且频率适用范围窄，因而脉冲电源的使用受 到了限制。另外，目前已有的高压脉冲电路基本都属于单路开关结构，即开关导通时输 出脉冲，开关断开时无脉冲输出，这样的脉冲电路对负载的兼容性不好，当驱动 容性负载时，负载上的电荷无法快速减少，即使脉冲电路已进入脉冲下降状态， 负载上的电压下降非常慢，不能满足某些应用场合的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供一种高压脉冲电路。 本专利技术的上述目的由以下技术方案实现电路包括有直流电源、低压脉冲产生电路、负载、上下侧两组开关、控制开 关通断的隔离驱动电路和电压平衡电路。电路的负载与一侧开关并联，上下侧开关采用串联方式，上侧开关另一端连 接直流电源正极，下侧开关另一端连接直流电源负极，上侧开关至少有两个开关 Tal、 Ta2串联组成，下侧开关至少有两个开关Tbl、 Tb2串联组成，每一个开关均 有一并联连接的电压平衡电路。低压脉冲产生电路输出相应的控制信号到隔离驱 动电路控制每一个开关的工作，在与负载并联的一侧开关断开和另一侧开关导通 时，产生脉冲电压加于负载;在与负载并联的一侧开关导通和另一侧开关断开时， 为负载提供放电回路，同一时刻只有上侧或下侧一组开关导通工作。上下侧开关可以为绝缘栅双极性晶体管IGBT，其集电极为开关的电流输入 端，其发射极为开关的电流输出端，其栅极为开关的控制端。上下侧开关还可以 为场效应管，其漏极为开关的电流输入端，其源极为开关的电流输出端，其栅极 为开关的控制端。电压平衡电路可以由一个二极管与一个电阻器并联后与一个电容器串联后 再与一个电阻器并联组成，二极管的阴极与电容器相连，该并联网路中的二极管 阳极与开关的电流输入端相连，该并联网路的另一端与开关的电流输出端相连。 电压平衡电路还可以由一个二极管与一个电阻器并联后与一个电容器串联后再 与一个电阻器并联组成，二极管的阳极与电容器相连，该并联网路中的二极管阴 极与开关电流输出端相连，该并联网路的另一端与开关电流输入端相连。 本专利技术的优点及效果是提供一种高压脉冲电路，以及适用于容性负载。 本专利技术在一般脉冲电路的基础上，采用多个较低耐压开关器件串联，提高主 回路开关的耐压，在高压直流电源作用下，可以有效地输出高压脉冲。同时采用 两组开关交替导通和断开，使得负载有了放电回路，从而适用于容性负载。采用 电压平衡电路解决多级串联开关的电压不平衡问题。附图说明图l 是本专利技术的电路图；图2 是本专利技术电路工作波形图；图3 是本专利技术电路中一种电压平衡电路。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。如图1所示，Tal、 Ta2、 Tbl和Tb2为绝缘栅双极性晶体管IGBT，其中Tal 和Ta2构成上侧开关，Tbl和Tb2构成下侧开关。Rs为电压平衡电路中的静态平 衡电阻，Dal、 Da2、 Dbl和Db2为电压平衡电路中动态平衡电路的二极管，Cal、 Ca2、 Cbl和Cb2为电压平衡电路中动态平衡电路的电容，Ral、 Ra2、 Rbl和Rb2 为电压平衡电路中动态平衡电路的电阻。电路中包含有低压脉冲产生电路、隔离驱动电路、电压平衡电路、负载、直 流的电压输入和两组串联绝缘栅双极性晶体管IGBT开关Tal、 Ta2、 Tbl、 Tb2。 低压脉冲产生电路，它不仅可以提供丰富的脉冲信号，而且可以通过编程方便地 调整脉冲频率和脉冲宽度。隔离驱动电路，这部分主要由高隔离电压的光耦、功 率放大电路、差分输出电路构成。由低压脉冲产生电路产生的低压脉冲信号，经 光耦隔离，再经功率放大电路放大后，由差分输出电路输出到IGBT的栅极和发 射极，驱动IGBT进行开关工作。为了产生高压脉冲，需要一个高压直流电压输 入给主回路提供电压和电流，输出脉冲的电压峰值可以通过调节该直流电压来实 现。负载可以是与上侧开关并联，也可以是与下侧开关并联，负载包括容性负载 在内的多种负载，负载适应性强，可满足多种应用场合的需求。串联IGBT开关，这部分由两组串联的IGBT构成，分为上侧开关和下侧开关，它们由两组不同的信号驱动，每个串联的IGBT均有一个电压平衡电路与之并联。 电压平衡电路为一个电阻-电容-二极管网络，该网络用作串联IGBT的电压平衡。 其中，Rs为静态平衡电阻，当串联开关管断开时，保证各个串联的开关管上电压 相等，从而保证开关断开状态下，电路能正常稳定工作。电阻Ral，电容Cal， 二极管Dal，构成电压平衡电路中动态平衡网络(RCD)。当上、下侧开关均断 开，而上侧开关中任何一个串联开关管超前导通时，该开关管上电压迅速被下侧 开关的RCD网络吸收掉，从而保证上侧开关中其余开关管安全工作。当上、下侧 开关均导通，而下侧开关中任何一个串联开关管超前导通时，该开关管上电压迅 速被上侧开关的RCD网络吸收掉，从而保证上侧开关中其余开关管安全工作。 RCD动态平衡网络中的电阻电容和二极管的连接形式有多种如，二极管与电阻 并联后与电容串联组成，二极管的阴极与电容器相连，二极管阳极连接与其并联 开关的电流输入端，该RCD动态平衡网络的另一端与开关的电流输出端相连。又 如，二极管与电阻并联后与一个电容器串联组成，二极管的阳极与电容器相连， 二极管阴极连接与其并联开关电流输出端，该RCD动态平衡网络的另一端与开关 电流输入端相连，如图3所示。总之，动态平衡网络里应有电容器，以及对电容 器进行快速充电回路和慢速放电回路。图2为图l所示电路的工作波形图，图中驱动A1、驱动A2、驱动B1和驱 动B2信号分别对应图2中绝缘栅双极性晶体管Tal、 Ta2、 Tbl和Tb2的驱动电 压波形，Va2信号为绝缘栅双极性晶体管Ta2的集电极和发射极间电压，Vb2信 号为绝缘栅双极性晶体管Tb2的集电极和发射极间电压，Vpulse信号为负载两 端的电压，工作波形被划分为7个工作阶段。阶段1、当上侧开关断开，下侧开关导通时。此时，所有的直流电压(如2000V) 都加在上侧开关上，并且在静态平衡电阻的作用下，Tal和Ta2两端电压相等， 均为1000V,负载上电压为0。阶段2、上侧开关保持断开状态，而下侧开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高压脉冲电路，其特征包括有直流电源、低压脉冲产生电路、负载、上下侧两组开关、与开关数量对应的隔离驱动电路和与开关数量对应的电压平衡电路；所述的负载与一侧开关并联，所述的上下侧开关串联，上侧开关另一端连接直流电源正极，下侧开关另一 端连接直流电源负极，上侧开关至少有两个开关（Ｔａ１、Ｔａ２）串联组成，下侧开关至少有两个开关（Ｔｂ１、Ｔｂ２）串联组成，每一个开关均有一并联连接的电压平衡电路，所述的低压脉冲产生电路输出相应的控制信号到所述的隔离驱动电路控制每一个开关的工作，在与负载并联的一侧开关断开和另一侧开关导通时，产生脉冲电压加于负载，在与负载并联的一侧开关导通和另一侧开关断开时，为负载提供放电回路，同一时刻只有一组开关导通工作。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：柴卫强，娄朝刚，王琦龙，陈静，雷威，张晓兵，王保平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]