CN111181538A - 一种高速高压电子开关及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速高压电子开关及其工作方法。所述电路包括隔离驱动电路、均压电路、辅助电源隔离电路。本发明主要应用于高能激光晶体的退压功能，能够保证在下一次高能激光束来临前，在将晶体中的较小的高压能量泄放掉的瞬间，不会击穿或烧毁高压开关。

Description

一种高速高压电子开关及其工作方法

技术领域

本发明涉及电路技术领域，特别是一种高速高压电子开关及其工作方法。

背景技术

现有技术中，当高能激光束照射在晶体上时，晶体会因为电效应而改变激光的波长或者其他震荡所需条件，晶体被晶体高压电路充以一定的能量，为了保证下一次高能激光束来临时的激发准确度，需要将晶体中的较小的高压能量泄放掉。那么需要将晶体的一端迅速连接到低电势端，由于晶体中的高压一般为5KV左右的直流高压，因此需要一个高压开关，并且为了保证在高压泄放的瞬间，不会击穿或烧毁高压开关，需要较快的开关转换速度。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种高速高压电子开关，包括隔离驱动电路、均压电路、辅助电源隔离电路；

所述隔离驱动电路包含至少一组子电路，每组子电路包含3个结构相同的子电路；子电路的结构为：包括电流控制单元、脉冲变压器、脉冲整形单元、第四高压功率开关晶体管；电流控制单元输入端连接DVCC，输出端连接脉冲变压器主绕组的主绕组，脉冲整形单元输入端连接脉冲变压器组的次绕组，输出端连接第四高压功率开关晶体管；第四高压功率开关晶体管连接均压电路；各个子电路的输入端、输出端串联；

所述均压电路数量与隔离驱动电路子电路一一对应设置，其与对应子电路的输出端连接；

辅助电源隔离电路输出端与隔离驱动电路输入端连接，用于将输入直流电变换为***工作所需的稳定直流电。

进一步的，电流控制单元包括第三十一电阻、第八光电耦合器、第二十八电阻、第六二极管；第三十一电阻的一端连接到DVCC，另一端连接到第八光电耦合器的输入光电二极管阳极；第二十八电阻一端连接到AVCC及脉冲变压器主绕组的同名端。

进一步的，脉冲整形单元的结构为：包括第三二极管、第五二极管、第三十二电阻、第三十三电阻、第二十五电阻、第二十四电阻、第二二极管；脉冲变压器的主绕组次绕组同名端连接到第三二极管的阳极，次绕组的另一端连接到第五二极管的阳极；第三二极管阴极连接到第五二极管的阴极、第二二极管的阴极，且连接到第二十五电阻的一端，第三十二电阻与第五二极管并联连接；第二二极管的阳极连接到第二十四电阻的一端，第二十四电阻另一端连接到第二十五电阻的另一端且连接到高压半导体功率管的栅极，第三十三电阻跨接在高压半导体功率管的栅极和源级。

进一步的，电平转换电路包括第六电阻、第七滑动变阻器、第CX1电容、第十电阻、第三B运算放大器、第八电阻、第四A运算放大器、第四B运算放大器、第十八电阻、第十五滑动变阻器、第十一电阻、第三电阻、第一高频变压器、第一二极管、第五电容、第五电阻、第四电阻；第DX1二极管的阳极连接到第三A运算放大器的输出端，阴极连接到第CX1电容的一端及第十电阻一端，第CX1电容另一端连接到AGND，第十电阻另一端连接到第三B运算放大器的反相端，第三B运算放大器的同相端连接到第七滑动变阻器的滑动端，第七滑动变阻器的一个固定端连接到AGND，另一个固定端连接到第六电阻一端，第六电阻另一端连接到AVCC；第三B运算放大器的输出端连接到第八电阻的一端，第八电阻另一端连接到第四A运算放大器的同相端，第四A运算放大器的反相端连接到第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端连接到第四B运算放大器的反相端和输出端，第四B运算放大器的同相端连接到第十八电阻一端及第十五滑动变阻器一个固定端、第十电阻的一端；第十八电阻另一端连接到AVCC，第十五滑动变阻器另一个固定端连接到AGND，第十电阻的另一端连接到第十一电容一端及第二二极管的集电极；第四A运算放大器的输出端连接到第十一电阻一端，第十一电阻另一端连接到第一N型三极管的基级，第一N型三极管的发射极连接到AGND，集电极连接到第一高频变压器主绕组的一端，第一高频变压器主绕组同名端连接到第三电阻一端，第三电阻另一端连接到AVCC，第一高频变压器次绕组的同名端连接到第一二极管阳极，第一二极管阴极连接到第五电容一端及第四电阻一端，第一高频变压器次绕组的另一端连接到第五电容另一端及第三高压半导体功率管源极；第五电阻并联在第五电容两端，第四电阻另一端连接到第三高压半导体功率管栅极。

进一步的，辅助电源隔离电路由5V-LDO变换电路搭建而成。

进一步的，均压电路为高压半导体功率管均压电路，其与隔离驱动电路输出端连接；其包括第二十一电阻、第三高压半导体功率管、第三十七电流采样电阻；连接关系为：第三高压半导体功率管漏极连接到第四高压半导体功率管漏极，第三高压半导体功率管源极连接到第三十七电流采样电阻一端，第三十七电流采样电阻另一端连接到第四高压半导体功率管源极。

进一步的，均压电路包括一个电阻，其两端分别与第四高压半导体功率管的漏极、栅极。

进一步的，还包括信号隔离转化电路，所述信号隔离转化电路输入端与第三高压半导体功率管均压电路输出端连接，其包含顺次连接的仪表放大器、串联型石英晶体振荡电路、电平转换电路；仪表放大器的输入端作为信号隔离转化电路输入端，电平转换电路作为信号隔离转化电路输出端。

上述高速高压电子开关的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：隔离驱动电路输入端通电，各个子电路的脉冲变压器的次绕组输出与主绕组频率相同的脉冲；

步骤二：对应子电路的脉冲整形单元对脉冲进行整形，驱动对应的第四高压半导体功率管，通过控制第四高压半导体功率管的开关来控制高压电力的通断；

步骤三：采集第三十七电流采样电阻两端的电压值；

步骤四：将所采集电压进行放大整形，与串联型石英晶体振荡电路产生的正弦波进行比较，产生一个可以自动稳定脉冲宽度的高频方波；

步骤五：第一高频变压器将直流电平变换为高平方波，实现信号的隔离的传递,通过第一二极管、第五电容、第五电阻、第四电阻整形为直流电平，，从而维持对应均压功能电路中的第三高压半导体功率管工作在线性区。

本发明的有益效果为：

本发明做到了各个均压电路中第三高压半导体功率管的绝对均压、输入信号与输出高压的多级隔离。隔离驱动电路中可以多组自由串联提升高压的耐压，也可以多组自由并联提升流过电流的能力。保证晶体开关在高压泄放的瞬间，不会击穿或烧毁。本发明不仅可以应用于高能激光晶体，还可以应用于高压中的分压检测采集***。

附图说明

图1为隔离驱动电路与均压电路连接图。

图2为辅助电源隔离电路。

图3为信号隔离转换电路。

具体实施方式

下面结合图1～3对本发明进行说明。

本发明提供了一种高速高压电子开关，包括：包括隔离驱动电路、均压电路、辅助电源隔离电路。下面分别予以说明。

图中：

AVCC：模拟部分电源的高电势端

AGND：模拟部分电源的低电势端

DVCC：逻辑部分电源的高电势端

DGND：逻辑部分电源的低电势端

J1：外部低压直流电源高电势输入端

J2:外部控制信号低输入端

J3：外部低压直流电源低电势输入端

J4：外部高压直流电源输入端

J6：外部高压直流电源输出端

J5：外部控制信号高输入端

一.隔离驱动电路

所述隔离驱动电路包含至少一组子电路，每组子电路包含3个结构相同的子电路。每个子电路包括有一个脉冲变压器，用于利用脉冲驱动对应高压半导体功率管。

子电路的结构为：包括电流控制单元、脉冲变压器、脉冲整形单元、第四高压功率开关晶体管。电流控制单元输入端连接电源，输出端连接脉冲变压器的主绕组，脉冲整形单元输入端连接脉冲变压器的次绕组，输出端连接第四高压功率开关晶体管；第四高压功率开关晶体管连接均压电路；各个子电路的输入端、输出端串联。

进一步的，电流控制单元包括第三十一电阻、第八光电耦合器、第二十八电阻、第六二极管；第三十一电阻的一端连接到DVCC，另一端连接到第八光电耦合器的输入光电二极管阳极；第二十八电阻一端连接到AVCC及脉冲变压器主绕组的同名端。

脉冲整形单元的结构为：包括第三二极管、第五二极管、第三十二电阻、第三十三电阻、第二十五电阻、第二十四电阻、第二二极管；脉冲变压器的主绕组次绕组同名端连接到第三二极管的阳极，次绕组的另一端连接到第五二极管的阳极；第三二极管阴极连接到第五二极管的阴极、第二二极管的阴极，且连接到第二十五电阻的一端，第三十二电阻与第五二极管并联连接；第二二极管的阳极连接到第二十四电阻的一端，第二十四电阻另一端连接到第二十五电阻的另一端且连接到第四高压半导体功率管的栅极，第三十三电阻跨接在第四高压半导体功率管的栅极和源级。

如图1所示，各个子电路的零部件名称会有区别，但是结构相同，为方便描述，本发明对各个子电路的对应零部件采用相同名称，如“第四高压半导体功率管”泛指图1中的Q4、Q7、Q10；第二十四电阻泛指R24、R45、R57。

由于需要同时控制，因此各个子电路对应光电耦合器的控制侧采用串联控制方式，保证了通断的一致性。

各个子电路3个为一组，可根据需要进行多组的组合使用。可以多组自由串联提升高压的耐压，或者多组自由并联提升流过电流的能力。

二.均压电路

均压电路与隔离驱动电路的各个子电路对应设置，其作用是避免隔离驱动电路各个子电路中高压半导体功率管在制造工艺中的个别差异性，提高控制的可靠性。

均压电路可以采用普通的均压电路为高压半导体功率管均压电路。具体的，以下可以为两个实施例：

实施例1：

均压电路包括第二十一电阻、第三高压半导体功率管、第三十七电流采样电阻；连接关系为：第三高压半导体功率管漏极连接到第四高压半导体功率管漏极，第三高压半导体功率管源极连接到第三十七电流采样电阻一端，第三十七电流采样电阻另一端连接到第四高压半导体功率管源极。

各个子电路对应的均压电路的零部件名称会有区别，但是结构相同，为方便描述，本发明对各个均压电路的对应零部件采用相同名称，如“第三高压半导体功率管”泛指图1中的Q3、Q6、Q9；第三十七电流采样电阻泛指R37、R54、R64。

实施例2：

均压电路包括一个电阻，其两端分别与第四高压半导体功率管的漏极、栅极。

三.辅助电源隔离电路

辅助电源隔离电路：该电路可以采用成熟的5V-LDO变换电路搭建，作用为隔离模拟部分电源供电及逻辑部分电源供电。

四.信号隔离转换电路

信号隔离转换电路与均压电路一一对应设置，用于对均压电路中采样电阻两端的电压值进行放大整形，并与串联型石英晶体振荡电路产生的正弦波进行比较，产生一个可以自动稳定脉冲宽度的高频方波，该方波经过高频变压器以后整形成直流电平，从而维持均压电路中的高压半导体功率管工作在线性区，可以通过调整基准电压来调整线性程度，从而使其等效为一个阻值可以调整且自稳定的大电阻。

信号隔离转化电路输入端与第三高压半导体功率管均压电路输出端连接，如图3所示，其包含顺次连接的仪表放大器、串联型石英晶体振荡电路、电平转换电路；仪表放大器的输入端作为信号隔离转化电路输入端，电平转换电路作为信号隔离转化电路输出端。

仪表放大器、串联型石英晶体振荡电路可以采用现有电路，在此不做赘述。

电平转换电路包括第六电阻、第七滑动变阻器、第CX1电容、第十电阻、第三B运算放大器、第八电阻、第四A运算放大器、第八电阻、第二电阻、第四B运算放大器、第十八电阻、第十五滑动变阻器、第十一电阻、第三电阻、第一高频变压器、第一二极管、第五电容、第五电阻、第四电阻；第DX1二极管的阳极连接到第三A运算放大器的输出端，阴极连接到第CX1电容的一端及第十电阻一端，第CX1电容另一端连接到AGND，第十电阻另一端连接到第三B运算放大器的反相端，第三B运算放大器的同相端连接到第七滑动变阻器的滑动端，第七滑动变阻器的一个固定端连接到AGND，另一个固定端连接到第六电阻一端，第六电阻另一端连接到AVCC；第三B运算放大器的输出端连接到第八电阻的一端，第八电阻另一端连接到第四A运算放大器的同相端，第四A运算放大器的反相端连接到第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端连接到第四B运算放大器的反相端和输出端，第四B运算放大器的同相端连接到第十八电阻一端及第十五滑动变阻器一个固定端、第十电阻的一端；第十八电阻另一端连接到AVCC，第十五滑动变阻器另一个固定端连接到AGND，第十电阻的另一端连接到第十一电容一端及第二二极管的集电极；第四A运算放大器的输出端连接到第十一电阻一端，第十一电阻另一端连接到第一N型三极管的基级，第一N型三极管的发射极连接到AGND，集电极连接到第一高频变压器主绕组的一端，第一高频变压器主绕组同名端连接到第三电阻一端，第三电阻另一端连接到AVCC，第一高频变压器次绕组的同名端连接到第一二极管阳极，第一二极管阴极连接到第五电容一端及第四电阻一端，第一高频变压器次绕组的另一端连接到第五电容另一端及第三高压半导体功率管源极；第五电阻并联在第五电容两端，第四电阻另一端连接到第三高压半导体功率管栅极。

下面对高速高压电子开关的工作步骤进行说明：

步骤一：隔离驱动电路输入端通电，各个子电路的脉冲变压器的次绕组输出与主绕组频率相同的脉冲；

步骤二：对应子电路的脉冲整形单元对脉冲进行整形，驱动对应的第四高压半导体功率管，通过控制第四高压半导体功率管的开关来控制高压电力的通断；

步骤三：采集第三十七电流采样电阻两端的电压值；

步骤四：将所采集电压进行放大整形，与串联型石英晶体振荡电路产生的正弦波进行比较，产生一个可以自动稳定脉冲宽度的高频方波；

步骤五：第一高频变压器将直流电平变换为高平方波，实现信号的隔离的传递,通过第一二极管、第五电容、第五电阻、第四电阻整形为直流电平，从而维持对应均压功能电路中的第三高压半导体功率管工作在线性区。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速高压电子开关，包括隔离驱动电路、均压电路、辅助电源隔离电路；

所述隔离驱动电路包含至少一组子电路，每组子电路包含3个结构相同的子电路；子电路的结构为：包括电流控制单元、脉冲变压器、脉冲整形单元、第四高压功率开关晶体管；电流控制单元输入端连接DVCC，输出端连接脉冲变压器主绕组的主绕组，脉冲整形单元输入端连接脉冲变压器组的次绕组，输出端连接第四高压功率开关晶体管；第四高压功率开关晶体管连接均压电路；各个子电路的输入端、输出端串联；

所述均压电路数量与隔离驱动电路子电路一一对应设置，其与对应子电路的输出端连接；

辅助电源隔离电路用于将外部直流电变换为直流电。

2.如权利要求1所述的高速高压电子开关，其特征在于，电流控制单元包括第三十一电阻、第八光电耦合器、第二十八电阻、第六二极管；第三十一电阻的一端连接到DVCC，另一端连接到第八光电耦合器的输入光电二极管阳极；第二十八电阻一端连接到AVCC及脉冲变压器主绕组的同名端。

3.如权利要求2所述的高速高压电子开关，其特征在于，脉冲整形单元的结构为：包括第三二极管、第五二极管、第三十二电阻、第三十三电阻、第二十五电阻、第二十四电阻、第二二极管；脉冲变压器的主绕组次绕组同名端连接到第三二极管的阳极，次绕组的另一端连接到第五二极管的阳极；第三二极管阴极连接到第五二极管的阴极、第二二极管的阴极，且连接到第二十五电阻的一端，第三十二电阻与第五二极管并联连接；第二二极管的阳极连接到第二十四电阻的一端，第二十四电阻另一端连接到第二十五电阻的另一端且连接到高压半导体功率管的栅极，第三十三电阻跨接在高压半导体功率管的栅极和源级。

4.如权利要求3所述的高速高压电子开关，其特征在于，电平转换电路包括第六电阻、第七滑动变阻器、第CX1电容、第十电阻、第三B运算放大器、第八电阻、第四A运算放大器、第四B运算放大器、第十八电阻、第十五滑动变阻器、第十一电阻、第三电阻、第一高频变压器、第一二极管、第五电容、第五电阻、第四电阻；第DX1二极管的阳极连接到第三A运算放大器的输出端，阴极连接到第CX1电容的一端及第十电阻一端，第CX1电容另一端连接到AGND，第十电阻另一端连接到第三B运算放大器的反相端，第三B运算放大器的同相端连接到第七滑动变阻器的滑动端，第七滑动变阻器的一个固定端连接到AGND，另一个固定端连接到第六电阻一端，第六电阻另一端连接到AVCC；第三B运算放大器的输出端连接到第八电阻的一端，第八电阻另一端连接到第四A运算放大器的同相端，第四A运算放大器的反相端连接到第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端连接到第四B运算放大器的反相端和输出端，第四B运算放大器的同相端连接到第十八电阻一端及第十五滑动变阻器一个固定端、第十电阻的一端；第十八电阻另一端连接到AVCC，第十五滑动变阻器另一个固定端连接到AGND，第十电阻的另一端连接到第十一电容一端及第二二极管的集电极；第四A运算放大器的输出端连接到第十一电阻一端，第十一电阻另一端连接到第一N型三极管的基级，第一N型三极管的发射极连接到AGND，集电极连接到第一高频变压器主绕组的一端，第一高频变压器主绕组同名端连接到第三电阻一端，第三电阻另一端连接到AVCC，第一高频变压器次绕组的同名端连接到第一二极管阳极，第一二极管阴极连接到第五电容一端及第四电阻一端，第一高频变压器次绕组的另一端连接到第五电容另一端及第三高压半导体功率管源极；第五电阻并联在第五电容两端，第四电阻另一端连接到第三高压半导体功率管栅极。

5.如权利要求1所述的高速高压电子开关，其特征在于，辅助电源隔离电路由5V-LDO变换电路搭建而成。

6.如权利要求1～5任一项所述的高速高压电子开关，其特征在于，均压电路与隔离驱动电路的各个子电路对应设置，其余对应子电路的输出端连接；其包括第二十一电阻、第三高压半导体功率管、第三十七电流采样电阻；连接关系为：第三高压半导体功率管漏极连接到第四高压半导体功率管漏极，第三高压半导体功率管源极连接到第三十七电流采样电阻一端，第三十七电流采样电阻另一端连接到第四高压半导体功率管源极。

7.如权利要求1～5任一项所述所述的高速高压电子开关，其特征在于，均压电路与隔离驱动电路的各个子电路对应设置，其余对应子电路的输出端连接；均压电路包括一个电阻，其两端分别与第四高压半导体功率管的漏极、栅极。

8.如权利要求6所述的高速高压电子开关，其特征在于，还包括信号隔离转化电路，所述信号隔离转化电路与均压电路一一对应设置，输入端与第三高压半导体功率管均压电路输出端连接，其包含顺次连接的仪表放大器、串联型石英晶体振荡电路、电平转换电路；仪表放大器的输入端作为信号隔离转化电路输入端，电平转换电路作为信号隔离转化电路输出端。

9.如权利要求1所述的高速高压电子开关的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：隔离驱动电路输入端通电，各个子电路的脉冲变压器的次绕组输出与主绕组频率相同的脉冲；

步骤二：对应子电路的脉冲整形单元对脉冲进行整形，驱动对应的第四高压半导体功率管，通过控制第四高压半导体功率管的开关来控制高压电力的通断；

步骤三：采集第三十七电流采样电阻两端的电压值；

步骤四：将所采集电压进行放大整形，与串联型石英晶体振荡电路产生的正弦波进行比较，产生一个可以自动稳定脉冲宽度的高频方波；

步骤五：第一高频变压器将直流电平变换为高平方波，实现信号的隔离的传递,通过第一二极管、第五电容、第五电阻、第四电阻整形为直流电平，从而维持对应均压功能电路中的第三高压半导体功率管工作在线性区。

Images