CN108155895B - 一种调制电路以及固态脉冲调制器 - Google Patents

一种调制电路以及固态脉冲调制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种调制电路以及固态脉冲调制器，其中，第一控制电路与第二控制电路采用主从控制，同步驱动，解决了每个开关管需高压隔离驱动的问题，且具有较好的关断均衡特性。除此，第一反馈支路以及第二反馈支路在检测到开关管的电压大于预设值时，导通该反馈支路，使电流流向开关管的控制端，进而使得开关管的控制端的电流增加，直至开关管的工作点移至输出特性的放大区，实现了对开关管的电压均衡。在此基础上，本方案提供的调制电路还包括箝位元件，保障了开关管的控制端与输出端之间的极间电压不过压损坏。并且，本方案提供的调制电路没有采用功率电阻以及电容，降低了调制电路的整体能耗以及损耗。

Description

一种调制电路以及固态脉冲调制器
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，更具体地说，涉及一种调制电路以及固态脉冲调制器。
背景技术
固态脉冲调制器被广泛的应用在医疗、粒子加速器、雷达发射、工业辐照等多种领域。然而，无论是在粒子加速器领域还是在雷达发射领域，固态脉冲调制器都需要工作在几十千伏，甚至几百千伏的高压下。因此，如图1所示，固态脉冲调制器通常采用多个开关直接串联的方式来满足使用需求。
然而，每个开关的最大工作电压为固定值，如3.3kv，因此，为了保证各个开关正常工作，需要对每个开关上的电压进行均衡分配。常用的均压电路如图2所示，通过并联在开关的第一端以及第二端之间。其中，并联于开关管V1和V2两端的Rs1以及Rs2是静态均压电阻，在dv/dt较小时，起均压作用。而动态均压则采用典型的RCD缓冲吸收电路，分别由Rd1、Cd1、Vd1及Rd2、Cd2、Vd2组成，在dv/dt较大时起均压作用。具体的，当开关管关断时，电源经过二极管Vd1向电容Cd1充电，用以抑制作用于开关管的电压变化率和尖峰电压。当开关管导通时，电容Cd1通过电阻Rd1放电，进而限制了开关管IGBT中的开通尖峰电流。
可见，RCD网络可以有效的支持电压动态均衡，但发明人发现，该均压电路中的无源器件需要能承受高压，因此，通过附加电阻R和RCD网络来进行开关管均压的方法会导致无源元件成本的增加，且增大电路损耗。
因此，如何提供一种调制电路，使得均压的同时，电路结构简单，成本低，电路耗损低为本领域技术人员亟待解决的一大技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种调制电路，能够实现开关管的电压均衡，且电路结构简单、成本低、功耗低。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种调制电路，包括：电源，脉冲电容，负载以及至少一个调制子电路；
所述电源的第一输出端与所述脉冲电容的第一端以及所述调制子电路的输入端相连，所述调制子电路的输出端通过所述负载与所述脉冲电容的第二端以及所述电源的第二输出端相连；
所述调制子电路包括第一控制电路以及至少一个第二控制电路，所述第一控制电路包括第一开关管以及第一反馈支路，所述第二控制电路包括第二开关管以及第二反馈支路，所述第一开关管的控制端与每个所述第二开关管的控制端均电连接，且接收同一驱动信号；
所述第一反馈支路的输入端与所述第一开关管的输入端相连，输出端与所述第一开关管的控制端相连，用于在检测到所述第一开关管的电压大于第一预设值时，导通所述第一反馈支路，使电流流向所述第一开关管的控制端；
所述第二反馈支路的输入端与所述第二开关管的输入端相连，输出端与所述第二开关管的控制端相连，用于在检测到所述第二开关管的电压大于第二预设值时，导通所述第二反馈支路，使电流流向所述第二开关管的控制端；
所述第一开关管与每个所述第二开关管均串接，且串联后的支路的输入端作为所述调制子电路的输入端，串联后的支路的输出端作为所述调制子电路的输出端。
优选的，所述调制子电路还包括：去耦二极管，
所述第一开关管的控制端与所述去耦二极管的阳极相连，所述去耦二极管的阴极与所述第二开关管的控制端相连。
优选的，所述第一反馈支路包括：稳压元件，
所述稳压元件的第一端与所述第一开关管的输入端相连，所述稳压元件的第二端与所述第一开关管的控制端相连。
优选的，所述稳压元件包括至少一个稳压二极管。
优选的，所述第一反馈支路还包括：第一二极管；
所述第一二极管与所述稳压元件串联，且串联后的支路并联在所述第一开关管的输入端与所述第一开关管的控制端之间，所述第一二极管用于阻止所述第一开关管的控制端的电流流向所述第一开关管的输入端。
优选的，所述第一控制电路还包括：箝位元件，
所述箝位元件并联在所述第一开关管的输出端以及所述第一开关管的控制端之间，用于使所述第一开关管的控制端与所述第一开关管的输出端之间的电压值不大于第三预设值。
优选的，所述箝位元件包括：第一稳压二极管以及第二稳压二极管，
所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阳极相连，所述第一稳压二极管的阴极与所述第一开关管的控制端相连，所述第二稳压二极管的阴极与所述第一开关管的输出端相连。
优选的，所述箝位元件包括：第一稳压电阻，
所述第一稳压电阻的第一端与所述第一开关管的控制端相连，所述第一稳压电阻的第二端与所述第一开关管的输出端相连。
优选的，所述第一开关管以及所述第二开关管均为绝缘栅双极型晶体管。
一种固态脉冲调制器，包括任意一项上述的调制电路。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的一种调制电路中所述第一开关管的控制端与所述每个所述第二开关管的控制端均电连接，且接收同一驱动信号，可见本方案中第一控制电路与第二控制电路采用主从控制，同步驱动，解决了每个开关管需高压隔离驱动的问题，且具有较好的关断均衡特性。
除此，第一反馈支路在检测到所述第一开关管的电压大于第一预设值时，导通所述第一反馈支路，使电流流向所述第一开关管的控制端，第二反馈支路在检测到所述第二开关管的电压大于第二预设值时，导通所述第二反馈支路，使电流流向所述第二开关管的控制端，进而使得开关管的控制端的电流增加，直至开关管的工作点移至输出特性的放大区，实现了对开关管的电压均衡。
在此基础上，本方案提供的调制电路还包括箝位元件，保障了开关管的控制端与输出端之间的极间电压不过压损坏。并且，本方案提供的调制电路没有采用功率电阻以及电容，降低了调制电路的整体损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中调制电路的结构示意图；
图2为现有技术中均压电路的结构示意图；
图3为本实施例提供的一种调制电路的具体结构示意图；
图4为本实施例提供的一种调制电路的又一具体结构示意图；
图5为本实施例提供的一种调制电路的又一具体结构示意图；
图6为本实施例还提供的一种调制电路的又一具体结构示意图；
图7为本实施例提供的一种调制电路的又一具体结构示意图；
图8为本实施例提供的一种调制电路的又一具体结构示意图；
图9为本实施例提供的一种调制电路的又一具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种调制电路以及固态脉冲调制器，其中，第一控制电路与第二控制电路采用主从控制，同步驱动，解决了每个开关管需高压隔离驱动的问题，且具有较好的关断均衡特性。除此，第一反馈支路以及第二反馈支路在检测到开关管的电压大于预设值时，导通该反馈支路，使电流流向开关管的控制端，进而使得开关管的控制端的电流增加，直至开关管的工作点移至输出特性的放大区，实现了对开关管的电压均衡。在此基础上，本方案提供的调制电路还包括箝位元件，保障了开关管的控制端与输出端之间的极间电压不过压损坏。并且，本方案提供的调制电路没有采用功率电阻以及电容，降低了调制电路的整体能耗以及损耗。
请参阅图3，图3为本实施提供的一种调制电路的结构示意图。该调制电路包括电源E，脉冲电容C，负载2以及至少一个调制子电路1。
具体的电路连接关系如下：
所述电源E的第一输出端与所述脉冲电容C的第一端以及所述调制子电路1的输入端相连，所述调制子电路1的输出端通过所述负载2与所述脉冲电容C的第二端以及所述电源E的第二输出端相连；
所述调制子电路1包括第一控制电路10以及至少一个第二控制电路20，所述第一控制电路10包括第一开关管IGBT2以及第一反馈支路101，所述第二控制电路20包括第二开关管IGBT1以及第二反馈支路102，所述第一开关管IGBT2的控制端与每个所述第二开关管IGBT1的控制端均电连接，且接收同一驱动信号；
所述第一反馈支路101的输入端与所述第一开关管IGBT2的输入端相连，输出端与所述第一开关管IGBT2的控制端相连，用于在检测到所述第一开关管IGBT2的电压大于第一预设值时，导通所述第一反馈支路101，使电流流向所述第一开关管IGBT2的控制端；
所述第二反馈支路102的输入端与所述第二开关管IGBT1的输入端相连，输出端与所述第二开关管IGBT1的控制端相连，用于在检测到所述第二开关管IGBT1的电压大于第二预设值时，导通所述第二反馈支路102，使电流流向所述第二开关管IGBT1的控制端；
所述第一开关管IGBT2与每个所述第二开关管IGBT1均串联连接，且串联后的支路的输入端作为所述调制子电路1的输入端，串联后的支路的输出端作为所述调制子电路1的输出端。
其中，在本实施例中，第一控制电路10和第二控制电路20的电路结构完全相同，且，第一反馈支路与第二反馈支路的电路结构和原理也相同，为了区分，故将二者命名为第一控制电路以及第二控制电路，开关管优先采用IGBT管。请参阅图4，本实施例提供的调制电路的均压原理为：反馈支路(第一反馈支路以及第二反馈支路)测量集电极-发射极电压，并通过一个反馈支路(包括第一反馈支路和第二反馈支路，其中，反馈支路可以包括稳压元件)反馈到开关管的控制端(控制端即开关管的栅极)。当集电极-发射极电压超过稳压元件的雪崩击穿电压，则通过耦合作用，电流流入栅极，从而将栅极电压提升，从而使集电极电流增加，直至工作点移至输出特性的放大区。
上文介绍了，第一反馈支路和第二反馈支路的结构以及原理均相同，现以第一反馈支路为例，对其工作原理以及电路组成进行介绍。其中，反馈支路的具体实现电路可以如图5所示，即，该反馈支路包括：稳压元件Z，所述稳压元件Z的第一端与所述第一开关管的输入端相连，所述稳压元件的第二端与所述第一开关管的控制端相连。可选的，所述稳压元件可以为一个稳压二极管，也可以为稳压二极管的串联支路，或者为具有稳压功能的其他电路结构。
除此，所述第一反馈支路还包括：第一二极管Ds，所述第一二极管Ds与所述稳压元件串联，且串联后的支路并联在所述第一开关管的输入端与所述第一开关管的控制端之间，所述第一二极管Ds用于阻止所述第一开关管的控制端的电流流向所述第一开关管的输入端。
综上，反馈支路包括一个稳压元件Z和一个第一二极管Ds，其中第一二极管Ds可以防止在IGBT开通期间电流从驱动电路流向集电极。
在上述实施例的基础上，请结合图6，对本实施例提供的调制电路的主从控制原理进行介绍，如下：
下面的开关管带有完整的驱动电路，包括辅助电源和隔离的控制脉冲输入。上面的开关管的驱动电路除了输出级以外，没有集成其它成分。主开关和从开关之间的去耦是由一个高耐压的二极管来承担的。一旦从开关发射极的电势降到了去耦二极管能开通的点时，它就被开通。当去耦二极管截止时，从开关便关断，进而保证很好的关断均衡。需要说明的是，几个从开关可以被多级连接。
优选的，如图7所示，所述第一控制电路还包括：箝位元件。
其中，所述箝位元件并联在所述第一开关管的输出端以及所述第一开关管的控制端之间，用于使所述第一开关管的控制端与所述第一开关管的输出端之间的电压值不大于第三预设值。
可选的，如图8所示，所述箝位元件包括：第一稳压二极管以及第二稳压二极管，
所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阳极相连，所述第一稳压二极管的阴极与所述第一开关管的控制端相连，所述第二稳压二极管的阴极与所述第一开关管的输出端相连。
或者，所述箝位元件可以为第一稳压电阻，其中，所述第一稳压电阻的第一端与所述第一开关管的控制端相连，所述第一稳压电阻的第二端与所述第一开关管的输出端相连。
具体的，图8提供的调制电路的工作原理为：
在IGBT导通之前，通过稳压元件与二极管将IGBT集电极电压反馈到栅极，与栅极箝位部件一起构成IGBT静态均压电路；驱动信号加到IGBT2栅极后，由于主从原理，IGBT2开通的同时IGBT1也同时开通；IGBT2关断，IGBT1也同时关断；IGBT开通后如果集电极-发射极电压超过稳压元件的雪崩击穿电压，则通过耦合作用，电流流入栅极，从而将栅极电压提升，从而使集电极电流增加，直至工作点移至输出特性的放大区，从而达到动态均压的效果。
栅极箝位部件是为了保护IGBT栅极-发射极的极间电压不过压损坏，栅极箝位部件可以是两只稳压二极管反向连接(如图8所示)，也可以只用一只电阻代替，或者其他能够达到此保护功能的电路。
需要说明的是，假设高压直流电源电压为直流2千伏，则IGBT选用1200V耐压等级的IGBT，每只IGBT分得电压为1千伏，则稳压部件Z10和Z11选定雪崩击穿电压为1千伏，设计IGBT驱动电压等级为15V，则栅极箝位元件Z1、Z2、Z3、Z4可以选定18V(稍高于15V)，主从二极管D5需要选择快速且1000V以上耐压的二极管。当然，本实施例只是为了举例说明，本领域技术人员可以根据实际的设计需求，进行选择开关管以及二极管的型号，并不局限于上述举例。
以上电路是两只IGBT串联的固态脉冲调制器的电路形式，由于快速高压二极管D5有结压降，如果IGBT串联数量太多，必然会降低从IGBT中最后一只IGBT的驱动电压，因此也可以采用如图9中的电路，解决多只串联问题。
图9中将每两只IGBT串联电路设计成一个部件(也可以多只IGBT串联电路设计成一个部件)，再将多个部件进行串联，驱动信号采用同步驱动，从而达到更多只IGBT串联的目的，从而使脉冲调制器工作在更高电压等级。
除此，本实施例还提供了一种固态脉冲调制器，包括任意一项上述的调制电路。
综上所述，本发明所提供的一种调制电路中所述第一开关管的控制端与所述每个所述第二开关管的控制端均电连接，且接收同一驱动信号，可见本方案中第一控制电路与第二控制电路采用主从控制，同步驱动，解决了每个开关管需高压隔离驱动的问题，且具有较好的关断均衡特性。
除此，第一反馈支路在检测到所述第一开关管的电压大于第一预设值时，导通所述第一反馈支路，使电流流向所述第一开关管的控制端，第二反馈支路在检测到所述第二开关管的电压大于第二预设值时，导通所述第二反馈支路，使电流流向所述第二开关管的控制端，进而使得开关管的控制端的电流增加，直至开关管的工作点移至输出特性的放大区，实现了对开关管的电压均衡。
在此基础上，本方案提供的调制电路还包括箝位元件，保障了开关管的控制端与输出端之间的极间电压不过压损坏。并且，本方案提供的调制电路没有采用功率电阻以及电容，降低了调制电路的整体损耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种调制电路，其特征在于，包括：电源，脉冲电容，负载以及至少一个调制子电路；
所述电源的第一输出端与所述脉冲电容的第一端以及所述调制子电路的输入端相连，所述调制子电路的输出端通过所述负载与所述脉冲电容的第二端以及所述电源的第二输出端相连；
所述调制子电路包括第一控制电路以及至少一个第二控制电路，所述第一控制电路包括第一开关管以及第一反馈支路，所述第二控制电路包括第二开关管以及第二反馈支路，所述第一开关管的控制端与每个所述第二开关管的控制端均电连接，且接收同一驱动信号；
所述第一反馈支路的输入端与所述第一开关管的输入端相连，输出端与所述第一开关管的控制端相连，用于在检测到所述第一开关管的电压大于第一预设值时，导通所述第一反馈支路，使电流流向所述第一开关管的控制端；
所述第二反馈支路的输入端与所述第二开关管的输入端相连，输出端与所述第二开关管的控制端相连，用于在检测到所述第二开关管的电压大于第二预设值时，导通所述第二反馈支路，使电流流向所述第二开关管的控制端；其中，所述第一反馈支路和所述第二反馈支路结构相同，且均由稳压二极管构成；
所述第一开关管与每个所述第二开关管均串接，且串联后的支路的输入端作为所述调制子电路的输入端，串联后的支路的输出端作为所述调制子电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的调制电路，其特征在于，所述调制子电路还包括：去耦二极管，
所述第一开关管的控制端与所述去耦二极管的阳极相连，所述去耦二极管的阴极与所述第二开关管的控制端相连。
3.根据权利要求1所述的调制电路，其特征在于，所述第一反馈支路包括：稳压元件，
所述稳压元件的第一端与所述第一开关管的输入端相连，所述稳压元件的第二端与所述第一开关管的控制端相连。
4.根据权利要求3所述的调制电路，其特征在于，所述稳压元件包括至少一个稳压二极管。
5.根据权利要求3所述的调制电路，其特征在于，所述第一反馈支路还包括：第一二极管；
所述第一二极管与所述稳压元件串联，且串联后的支路并联在所述第一开关管的输入端与所述第一开关管的控制端之间，所述第一二极管用于阻止所述第一开关管的控制端的电流流向所述第一开关管的输入端。
6.根据权利要求1所述的调制电路，其特征在于，所述第一控制电路还包括：箝位元件，
所述箝位元件并联在所述第一开关管的输出端以及所述第一开关管的控制端之间，用于使所述第一开关管的控制端与所述第一开关管的输出端之间的电压值不大于第三预设值。
7.根据权利要求6所述的调制电路，其特征在于，所述箝位元件包括：第一稳压二极管以及第二稳压二极管，
所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阳极相连，所述第一稳压二极管的阴极与所述第一开关管的控制端相连，所述第二稳压二极管的阴极与所述第一开关管的输出端相连。
8.根据权利要求6所述的调制电路，其特征在于，所述箝位元件包括：第一稳压电阻，
所述第一稳压电阻的第一端与所述第一开关管的控制端相连，所述第一稳压电阻的第二端与所述第一开关管的输出端相连。
9.根据权利要求1所述的调制电路，其特征在于，所述第一开关管以及所述第二开关管均为绝缘栅双极型晶体管。
10.一种固态脉冲调制器，其特征在于，包括任意一项如权利要求1-9所述的调制电路。
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