MOSFET调制器的实验研究

 介绍了MOSFET调制器的基本原理，并对其并联分流和感应叠加两种开关结构进行了实验研究。基于可编辑逻辑器件设计了其触发电路，驱动电路采用高速MOSFET对管组成的推挽输出形式，加快了MOSFET的开关速度。利用Pspice软件对开关上有无剩余电流电路(RCD)两种情况进行仿真，结果表明，加装RCD电路可以有效吸收MOSFET在关断瞬间产生的反峰电压。实验中，电流波形用Pearson线圈测量，用3个MOSFET并联作开关，当电容充电电压为450 V，负载为30 Ω时，脉冲电流13 A，前沿20 ns，平顶约80 ns；用3个单元调制器感应叠加，当电容充电电压为450 A，负载为30 Ω时，脉冲电流强度为40 A，前沿25 ns，平顶约70 ns。     

磁共振快速T/R开关驱动器研制

在磁共振T/R开关和主动失谐线圈中广泛使用PIN管,由外部驱动器向PIN管提供驱动电源,控制其导通或截止,从而达到开关切换和线圈失谐的目的.因此,驱动器的性能直接影响T/R开关和线圈的性能.该工作提出了一种新的T/R开关驱动器设计方案.电路中门控信号与驱动电源互相隔离,同时包含了场效应管死区调整电路,提高了电路稳定性和灵活性.该电路开关切换时间可达500 ns,驱动电压和电流理论上分别可达400 V和10 A以上,具有快速、驱动能力强等特点.可用于快速T/R开关和主动失谐线圈的驱动、缩短死时间、减小发射线圈和接收线圈间的耦合.     

基于IGBT开关的重复频率直线变压器

 采用3 300 V/1 200 A IGBT开关及直线变压器的电路结构,实现了单模块时在0.57 Ω负载上4.3 kA的脉冲电流输出和模块串联时在2.2 Ω负载上4.6 kV的电压输出,猝发式重复频率达到200Hz。整个系统包括4个3 300 V/1 200 A的IGBT开关器件及相应的驱动模块、缓冲模块、储能电容和磁芯等。实验结果表明：采用线性变压器的电路拓扑结构能够拓展固态IGBT开关的输出能力;直线变压器的电路结构结合固态IGBT开关能够很好地实现重复频率工作。在实验基础上分析了磁芯饱和及复位问题,并提出了一种有效的不采用复位而解决磁芯饱和的方法。     

MOSFET驱动的单脉冲选择器

 详细地介绍了用高耐压大电流MOSFET驱动电光晶体构成单脉冲选择器的优点,阐述了适用于实现快速光开关的电光晶体的特性以及制作MOSFET驱动电路中的难点和相应的解决办法。实验显示该选择器可达到5ns的光开关速度。     

基于半导体开关和磁开关的全固态脉冲电源

利用磁开关来改善全固态Marx发生器的脉冲上升沿,并构建出一套脉冲电源。该套脉冲源包括基于IGBT半桥模块的Marx发生器和由磁开关与锐化电容构成的脉冲陡化电路。该电源用原边一匝的脉冲变压器为IGBT提供驱动信号,并且原副边绕组均采用同轴线以屏蔽电磁干扰;在门极采用无源过流保护的方法,以防止负载短路对IGBT放电开关造成损坏。实验结果表明:在电压10 kV,电流170 A的情况下,脉冲前沿由1.5μs压缩到了200 ns,同时IGBT的开通损耗由原来的10 mJ降到不足1 mJ。     

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。     

一种基于光纤阵列的高速电光开关系统

提出了一种基于光纤阵列的新型电光开关,设计了高速电光选通电路.经实验测得,高压选通电路可获得电压幅度6 000 V可调,前、后沿小于30 ns,触发晃动小于1 ns,脉冲宽度为100 ns可调的高压矩形脉冲.用小口径电光晶体实现了大的通光口径、快的开关速度的惯性约束核聚变驱动系统光开关.选出了在100 ns标称开关速度内所关心的光信息,满足了惯性约束核聚变驱动系统中大的通光口径和均匀性的要求.     

一种基于光纤阵列的高速电光开关系统

提出了一种基于光纤阵列的新型电光开关,设计了高速电光选通电路.经实验测得,高压选通电路可获得电压幅度6 000 V可调,前、后沿小于30 ns,触发晃动小于1 ns,脉冲宽度为100 ns可调的高压矩形脉冲.用小口径电光晶体实现了大的通光口径、快的开关速度的惯性约束核聚变驱动系统光开关.选出了在100 ns标称开关速度内所关心的光信息,满足了惯性约束核聚变驱动系统中大的通光口径和均匀性的要求.     

绝缘栅双极晶体管串联关键技术

为实现绝缘栅双极晶体管（IGBT）的多级串联,以电阻/电容/二极管（RCD）缓冲电路为动态均压电路,通过数学分析及PSpice仿真验证,建立了RCD缓冲电路参数选择模型;设计了基于数字信号处理器（DSP）控制、光纤隔离传输,以M57962L为IGBT驱动器的驱动电路及故障反馈电路,能驱动32只串联IGBT并对其进行过流和短路保护,32只IGBT的最大导通时间不超过90 ns,短路保护响应时间约为6 s;设计了8路独立输出的50 kV隔离的高压隔离电源,实现IGBT串联电路各部分的供电及电隔离。基于以上IGBT串联方法,实现了32只1200 V IGBT的串联,串联电路可稳定工作在20 kV电压下。     

大功率固态调制器的仿真研究

 设计了大功率固态调制器的新型固态脉冲开关模块。通过分析电力电子仿真软件Saber中绝缘栅双极晶体管(IGBT)物理模型的概念和等效电路，结合实验数据建立了IXDH20N120型IGBT的模型，研究了Saber环境下，不同参数条件和拓扑结构对调制器电路输出特性的影响。仿真结果表明：动态均压网络在有效地保护开关的同时，可以减少IGBT的开关损耗；电路中器件离散性与系统分布参数会造成调制器输出波形质量下降，效率降低。并对调制器在负载打火情况下，因严重不均流而损坏器件故障的机理作了分析，实验证明仿真结果和分析与实际相符。     

半浮栅晶体管Marx方波脉冲电源设计

为得到工业需要的大电流高重频方波脉冲,分析并改进了半导体全控型Marx发生器,在充电的同时实现了截尾功能。设计采用新型半浮栅结构晶体管 (SFGT)作为主开关,可产生kV高压、百A大电流、高重频的方波脉冲。优化了电路结构,解决直流充电源受脉冲电源放电电压冲击问题。研制得到电流100 A、频率4 kHz、脉宽4 s、负高压6 kV、上升沿下降沿均在80 ns内的方波脉冲发生器。研究了相应的SFGT磁芯隔离驱动电路,结合了SFGT栅极并联自主电容隔离驱动和IR2110的半桥驱动电路,并对半桥上的MOS管的栅极等效电路进行了理论分析,驱动电路具有抗干扰能力强且脉宽调节范围大的特点。     

固态Marx发生器的过流保护研究

具有快速上升沿、低开关损耗的SiC MOSFET已逐渐在固态高压脉冲电源中使用。针对固态Marx发生器中的常见短路故障,分析了SiC MOSFET的过流损坏机制,提出了一种新型的带过流保护的驱动系统。该驱动系统不仅实现了宽驱动信号同步输出,同时能够在整个SiC MOSFET导通期间提供过电流钳制效果。驱动系统中的保护电路利用SiC MOSFET门极电压与漏极电流的关系,通过单个采样电阻和一对反向串联的稳压管将SiC MOSFET门极电压拉低的方式来限制过电流。实验结果表明:当开关管的导通电流较小时,虽然门极电压会有轻微下降,但是SiC MOSFET的导通阻抗仍然很低;而在过电流故障发生时,门极电压会被快速拉低,开关管的导通阻抗急剧上升,从而迅速将导通电流钳制在安全范围内。     

Marx固态调制器单元研制

Marx固态脉冲调制器是根据Marx发生器的原理并以绝缘栅双极晶体管(IGBT)固态开关作为开关元件而设计的脉冲调制器。其低成本、高可靠性、小体积等优点可以很好地满足国际直线对撞机(ILC)对脉冲调制器提出的要求。介绍了Marx调制器单元样机主要部件包括IGBT串联高压开关组件、储能电容器、串联高压充电电源以及控制系统样机的研制。Marx调制器单元完成了12 kV高压试验,各部件达到设计指标,为单元的模块化生产和多单元的叠加试验提供可靠的数据和保障。     

CO2激光器高压脉冲触发系统的设计

为了稳定可靠地触发CO2激光器旋转火花开关,设计了一套高压脉冲触发系统并且提出了一种新型的绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动与保护方法。根据CO2激光器中旋转火花开关的触发结构,应用复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片EPM3512开发了可以输出100～500 Hz重频脉冲信号以及单次脉冲信号的触发信号源;应用光耦HCPL-3120设计了具有过流、过压保护功能兼有电磁兼容（EMC）设计的IGBT驱动电路;对高压脉冲变压器进行建模并通过PSPICE软件仿真;搭建了实验平台,进行了联机性能测试。实验结果表明：在500 Hz的重复频率下,高压脉冲触发系统可连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲,基本满足CO2激光器的旋转火花开关稳定可靠触发的要求。     

基于IGBT的大功率H桥快控电源控制策略

为了控制快速变化的等离子体垂直位移,研制了基于IGBT的大功率H桥快速可控电源,额定参数为500 V/3 kA。旧的快控电源由于结构以及控制策略的原因,导致IGBT关断过电压高、工作频率低、续流过程不可控产生的电压宽脉冲等问题。针对这些不足,新的H桥快速控制电源首先重新设计了电源的结构,使其更加紧凑,减小了电源的寄生电感,从而降低了IGBT的关断过电压。其次,通过改变电源的控制方式,电源的工作频率达到IGBT开关频率的2倍,增大了电源输出电压的频率,等效提高了电源的快速响应能力。同时,为电源重新设计了一种可控的续流方式,通过对IGBT的控制改变电路的续流回路,使续流过程可控。通过实验研究可知,电源的响应时间为125 s,在等离子体位移发生变化时电流能够快速响应,控制等离子体位移,保证托卡马克装置的正常放电,并且通过新的续流控制方式,使电源在续流时不会再出现续流不可控导致的宽电压脉冲问题,输出电压能够有效地跟踪给定电压值变化。     

新型低功耗金属氧化物TFT集成行驱动电路

金属氧化物薄膜晶体管(TFT)属于耗尽型器件,其集成的TFT的行驱动电路一般采用双负电源方案,存在与外围驱动芯片的匹配困难和功耗较大的不足。本文设计了一种新型耦合电路结构,可以产生比负电源更低的电压从而完全关闭输出模块的下拉晶体管,防止氧化物TFT耗尽模式引起的电流泄露问题,并由此设计了新型氧化物TFT行驱动电路拓扑。由于只采用一个负电源,其电源电压范围比采用双负电源方案的小,从而节省了功耗且有利于与外围驱动芯片的匹配连接。实验结果表明,基于刻蚀阻挡层(ESL)结构的氧化物TFT工艺,在玻璃衬底上成功制备了该行驱动电路,在电阻负载R L=3 kΩ和容性负载C L=30 pF下,所设计的行驱动电路在33.3 kHz时钟频率下实现脉宽10μs的全摆幅输出,每级功耗仅为160μW。基于新型耦合电路结构的行驱动电路能够满足60 Hz的刷新频率的1980×1080分辨率的显示需求。     

200 kV全固态Marx结构方波脉冲电源设计

采用功率IGBT串联组合模块作为放电开关,设计了16级Marx结构的脉冲电源,能够产生可调高压方波脉冲。由9支耐压3 kV的IGBT串联组成最大工作电压12.5 kV的串联组合模块;通过磁隔离触发方式控制各级IGBT的同步导通和关断。输出电压从几kV至200 kV可调、输出脉宽随外部触发信号宽度在1.5~10 s范围内可调、前沿小于500 ns、后沿小于2.3 s;在输出电压大于100 kV、输出电流20 A时顶降小于2%。     

基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。