全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器mosfet驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電力設(shè)備檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種檢測(cè)裝備-基于FPGA控制的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器中MOSFET開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。
【背景技術(shù)】
[0002]電力系統(tǒng)中的線圈類設(shè)備(變壓器、電抗器等)的運(yùn)行電壓等級(jí)隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)提高，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用。這類設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，易受到短時(shí)過(guò)電流的沖擊，這會(huì)引起繞組的形變，增大設(shè)備停運(yùn)和電網(wǎng)停電的風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)時(shí)檢測(cè)繞組狀態(tài)而興起的在線檢測(cè)方法之一一一脈沖頻率響應(yīng)法，可以實(shí)現(xiàn)帶電檢測(cè)，通過(guò)繞組的頻響曲線的橫向和縱向的對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組變形情況。脈沖頻率響應(yīng)法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是脈沖信號(hào)發(fā)生器，為了使脈沖前后沖沿陡峭，對(duì)于開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路提出了較高要求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]鑒于此，本實(shí)用新型的目的是提供一種全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。
[0004]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包括光纖驅(qū)動(dòng)單元、與光纖驅(qū)動(dòng)單元連接的發(fā)纖發(fā)射單元、接收光纖發(fā)射單元光信號(hào)的光接收單元、接收光接收單元輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元以及控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路通斷的開(kāi)關(guān)單元。
[0005]所述光纖驅(qū)動(dòng)單元包括光纖驅(qū)動(dòng)芯片、第一電容C1、第二電容C2和第一電阻R1，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的正輸入端接外部TTL輸入信號(hào)，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的電源端與電源連接且分別與對(duì)地的第一電容、第二電容連接，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的負(fù)輸入端經(jīng)第一電阻與電源連接。
[0006]所述光纖發(fā)射單元包括光纖發(fā)射器;所述光接收單元包括光接收器。
[0007]所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元包括驅(qū)動(dòng)芯片，所述驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端經(jīng)電阻Rg與開(kāi)關(guān)單元連接。
[0008]所述開(kāi)關(guān)單元包括二極管D、三極管Q、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS和第三電阻R3，所述三極管的基極與電阻Rg連接，二極管并聯(lián)于三極管的發(fā)射極與基極之間且二極管的陽(yáng)極與基極連接，二極管的陰極與發(fā)射極連接，所述瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)于三極管的發(fā)射極與基極間，所述第三電阻與瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)。
[0009]由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0010]1、觸發(fā)脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間足夠短，即脈沖前后沿陡峭；
[0011]2、開(kāi)通過(guò)程以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷過(guò)程則為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度；
[0012]3、驅(qū)動(dòng)電路的柵極電壓為+12V?+18V，確保被驅(qū)動(dòng)的MOSFET開(kāi)關(guān)的柵極不被擊穿，同時(shí)確保被驅(qū)動(dòng)的MOSFET開(kāi)關(guān)可靠關(guān)斷；
[0013]4、驅(qū)動(dòng)電路具有良好的頻率特性，MOSFET開(kāi)關(guān)工作在最好電壓和頻率下，其自身?yè)p耗較??；
[0014]5、M0SFET開(kāi)關(guān)用于高壓回路中，驅(qū)動(dòng)電路與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，確保控制電路安全工作。
【附圖說(shuō)明】
[0015]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0016]圖1為本實(shí)用新型的原理框圖；
[0017]圖2為IXDN609專用驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖3為光纖接收與發(fā)射電路；
[0019]圖4為光纖隔離驅(qū)動(dòng)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本實(shí)用新型，而不是為了限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0021]—種全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包括光纖驅(qū)動(dòng)單元、與光纖驅(qū)動(dòng)單元連接的發(fā)纖發(fā)射單元、接收光纖發(fā)射單元光信號(hào)的光接收單元、接收光接收單元輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元以及控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路通斷的開(kāi)關(guān)單元。
[0022]本實(shí)用新型選用IXYS公司生產(chǎn)的IXDN 609專用驅(qū)動(dòng)芯片，該驅(qū)動(dòng)芯片的峰值驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)9A，前沿小于22ns，傳輸延遲時(shí)間為40ns，輸出阻抗僅為0.4 Ω。IXDN609內(nèi)部采用的是推挽輸出方式?；竟ぷ髟砣缦?當(dāng)輸入的TTL觸發(fā)信號(hào)為高電平時(shí)，P型高速場(chǎng)效應(yīng)管(Ml)導(dǎo)通，N型高速場(chǎng)效應(yīng)管(M2)截止，IXDN609輸出高電平，Vcc通過(guò)Ml對(duì)MOSFET柵極充電，使MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)輸入的觸發(fā)信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Ml截止，M2導(dǎo)通，IXDN609輸出低電平，MOSFET柵極電容通過(guò)M2放電，使MOSFET截止。
[0023]對(duì)于納秒級(jí)高壓快脈沖放電，需要考慮驅(qū)動(dòng)控制回路和固態(tài)Marx電路之間的電氣絕緣問(wèn)題。同時(shí)，固態(tài)Marx電路由多個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)組成，因此觸發(fā)脈沖信號(hào)通過(guò)光纖隔離電路后需要保證觸發(fā)脈沖信號(hào)的同步性。光纖具有隔離電壓高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快和光信號(hào)傳輸同步性好的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全電氣隔離和同步觸發(fā)的要求。由于觸發(fā)脈沖前沿可達(dá)十幾ns，因此選用的光纖發(fā)生與接收電路需要有足夠的帶寬才能使傳輸?shù)挠|發(fā)脈沖不失真。根據(jù)實(shí)際需要，本實(shí)用新型選用AVAG0公司生產(chǎn)的光纖發(fā)射器件與接收器件，具體型號(hào)分別為:HFBR1414TZ和HFBR2412TZ。光纖選用常規(guī)的62.5/125μπι直徑玻璃光纖。光纖發(fā)射與接收電路如圖3所示。
[0024]所述光纖驅(qū)動(dòng)單元包括光纖驅(qū)動(dòng)芯片、第一電容C1、第二電容C2和第一電阻R1，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的正輸入端接外部TTL輸入信號(hào)，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的電源端與電源連接且分別與對(duì)地的第一電容、第二電容連接，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的負(fù)輸入端經(jīng)第一電阻與電源連接。
[0025]所述光纖發(fā)射單元包括光纖發(fā)射器;所述光接收單元包括光接收器。
[0026]所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元包括驅(qū)動(dòng)芯片，所述驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端經(jīng)電阻Rg與開(kāi)關(guān)單元連接。所述開(kāi)關(guān)單元包括二極管D、三極管Q、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS和第三電阻R3，所述三極管的基極與電阻Rg連接，二極管并聯(lián)于三極管的發(fā)射極與基極之間且二極管的陽(yáng)極與基極連接，二極管的陰極與發(fā)射極連接，所述瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)于三極管的發(fā)射極與基極間，所述第三電阻與瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)。
[0027]如圖4，驅(qū)動(dòng)芯片與MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)之間串接了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻Rgjg的作用一方面是對(duì)引線電感和MOSFET結(jié)電容引起的振蕩起阻尼作用，另一方面主要是調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)速度。考慮到納秒級(jí)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高頻特性，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理布局，盡量減小元件之間的引線和閉合回路所圍的面積，以減小分布雜散參數(shù)帶來(lái)的影響。在驅(qū)動(dòng)電阻Rg與柵極極間外接PNP三極管(S8550)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，三極管不能導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平且未產(chǎn)生震蕩時(shí)，PNP三極管基極和集電極的電位都近似為零，三極管不能導(dǎo)通；當(dāng)MOSFET柵源極震蕩時(shí)，PNP三極管集電極電位由于變成正的，三極管飽和導(dǎo)通。此時(shí)，震蕩電壓經(jīng)過(guò)反并聯(lián)關(guān)斷二極管D (1N4148)和PNP三極管迅速進(jìn)行泄放，避免了 MOSFET開(kāi)關(guān)誤導(dǎo)通的發(fā)生。同時(shí)在柵源極并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS和100k電阻R1作為沖擊保護(hù)單元，以進(jìn)一步限制柵源極過(guò)電壓。瞬態(tài)電壓抑制二極管在瞬間高功率的沖擊下，能以極高的速度改變本身的阻抗，從而吸收一個(gè)極大的電流，將瞬態(tài)電壓抑制二極管兩端的電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而有效地防止因柵源極瞬態(tài)電壓過(guò)大導(dǎo)致MOSFET開(kāi)關(guān)燒毀或損壞。選用的TVS型號(hào)為P6KE16CA，鉗制的響應(yīng)時(shí)間僅為1 ps，完全滿足要求。
[0028]以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本實(shí)用新型，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其特征在于:包括光纖驅(qū)動(dòng)單元、與光纖驅(qū)動(dòng)單元連接的發(fā)纖發(fā)射單元、接收光纖發(fā)射單元光信號(hào)的光接收單元、接收光接收單元輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元以及控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路通斷的開(kāi)關(guān)單J L.ο2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:所述光纖驅(qū)動(dòng)單元包括光纖驅(qū)動(dòng)芯片、第一電容(C1)、第二電容(C2)和第一電阻(R1)，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的正輸入端接外部TTL輸入信號(hào)，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的電源端與電源連接且分別與對(duì)地的第一電容、第二電容連接，所述光纖驅(qū)動(dòng)芯片的負(fù)輸入端經(jīng)第一電阻與電源連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:所述光纖發(fā)射單元包括光纖發(fā)射器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:所述光接收單元包括光接收器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元包括驅(qū)動(dòng)芯片，所述驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端經(jīng)電阻Rg與開(kāi)關(guān)單元連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:所述開(kāi)關(guān)單元包括二極管(D)、三極管(Q)、瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)和第三電阻(R3)，所述三極管的基極與電阻Rg連接，二極管并聯(lián)于三極管的發(fā)射極與基極之間且二極管的陽(yáng)極與基極連接，二極管的陰極與發(fā)射極連接，所述瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)于三極管的發(fā)射極與基極間，所述第三電阻與瞬態(tài)電壓抑制二極管并聯(lián)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)芯片為IXDN 609。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包括光纖驅(qū)動(dòng)單元、與光纖驅(qū)動(dòng)單元連接的發(fā)纖發(fā)射單元、接收光纖發(fā)射單元光信號(hào)的光接收單元、接收光接收單元輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元以及控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路通斷的開(kāi)關(guān)單元。其中驅(qū)動(dòng)芯片為IXDN？609。本實(shí)用新型開(kāi)通過(guò)程以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷過(guò)程則為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度；驅(qū)動(dòng)電路的柵極電壓為+12V～+18V，確保被驅(qū)動(dòng)的MOSFET開(kāi)關(guān)的柵極不被擊穿，同時(shí)確保被驅(qū)動(dòng)的MOSFET開(kāi)關(guān)可靠關(guān)斷；4、驅(qū)動(dòng)電路具有良好的頻率特性，MOSFET開(kāi)關(guān)工作在最好電壓和頻率下，其自身?yè)p耗較??；MOSFET開(kāi)關(guān)用于高壓回路中，驅(qū)動(dòng)電路與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，確?？刂齐娐钒踩ぷ?。
【IPC分類】H03K17/04, H03K17/687, H03K5/12
【公開(kāi)號(hào)】CN205105184
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520949602
【發(fā)明人】王建, 張建, 李偉, 李成祥, 張程, 趙仲勇, 姚陳果
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院, 重慶大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年11月24日