脉冲高压电源的实现方法，MOS管串联开关

最近接触了一些使用脉冲电源的朋友，发现他们在需要方波输出的时候，使用全桥加变压器，次级直接输出方波。个人觉得这种方式存在很大的缺陷，比如初级的振荡会传到次级，使输出波形很差；调节输出占空比比较困难；当频率比较低时变压器更难设计，体积也会变得很大；对于短路的抵抗力也相当差。

使用高压开关可以完全解决以上问题。使用一个直流电源，加上一个开关，通过控制开关的导通与关断来实现脉冲输出。这种开关通过简单的电路，将MOS管或IGBT串联，通过低感且较小的布局，实现任意频率任意脉宽的开关，且寿命长，易维修。

开关由大量的MOSFET或IGBT通过串联、并联，并通过紧凑、低感的布局组成的，体积小，性能好。自身包含驱动电路，是一个小体积的组件，具有极高的可靠性和优异的开关性能（包括低的导通阻抗，高的截止阻抗，纳秒量级的控制传输延时和百纳秒量级的开启和关断时间）。同时控制驱动电路和开关电路的全隔离，保证了开关即可以用于高端开关，也可以用于低端开关，还可以用于两个高压开关组成的推挽电路。开关的使用也是极其简单的，只要提供一个5V的供电和TTL的开关控制信号，开关即可以工作在固定的脉宽下，也可以工作在可变的脉宽下。所选用器件均为常用器件，成本低。高压开关可以通过系列化的生产，具有极宽的负载电压和电流范围。

这种开关可以完全代替变压器直接输出的方式，同时可以把各种触发管，如真空管、闸流管等完全代替。

同时控制驱动电路和开关电路的全隔离，保证了开关即可以用于高端开关，也可以用于低端开关，还可以用于两个高压开关组成的推挽电路。开关的使用也是极其简单的，只要提供一个5V的供电和TTL的开关控制信号，开关即可以工作在固定的脉宽下，也可以工作在可变的脉宽下。所选用器件均为常用器件，成本低。高压开关可以通过系列化的生产，具有极宽的负载电压和电流范围。

总体图如下所示：

下面是正电源高端接开关

下面的是负电源高端接开关

下面是正电源双开关，可以实现很好的前后沿。典型应用为行波管阳极调制。

下面的是正负电源双开关，典型应用为雷达发射机栅极调制。

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angryheart

LV.4

2010-09-17 06:15

市场上现在我见到的mos最高耐压1500~1800V之间，若20KV的阳极电源，用n管串联，请教如何解决开关触发脉冲的同步以及各管的均压问题？

fyfandy520

LV.4

2010-09-17 10:57

@angryheart

市场上现在我见到的mos最高耐压1500~1800V之间，若20KV的阳极电源，用n管串联，请教如何解决开关触发脉冲的同步以及各管的均压问题？

我们目前做的最高电压为60kV.对于同步问题，可以采用很多种驱动方式，如脉变及光耦等，因为原信号是一样的，所以同步没有问题。对于均压，可以对每只开关管并联一些均压器件，而电流比较小时基本不用加太多东西。这两点也算是这种开关的技术核心了。

classtwo

LV.6

2010-09-21 08:44

@fyfandy520

光耦是不可能用在这里的，没有耐压十几kv的光偶。用脉冲变压器隔离有可能会实现，但由于每个磁芯的导磁率不相同，会驱动导致脉冲前沿的不一致，所以实现起来也不容易。另外，如何处理微波管打火？还有，你画的栅控调制器的电路不是很正确。

angryheart

LV.4

2010-09-23 09:37

@classtwo

这里的光耦指的应该是光纤发送器吧。耐压没问题，但辅助源的问题怎么解决，可能还是变压器来的实在些

classtwo

LV.6

2010-09-23 15:58

@angryheart

这里的光耦指的应该是光纤发送器吧。耐压没问题，但辅助源的问题怎么解决，可能还是变压器来的实在些

辅助电源是一个问题，另外，几十个光纤的体积也是个问题

fyfandy520

LV.4

2010-09-25 22:29

@classtwo

辅助电源是一个问题，另外，几十个光纤的体积也是个问题

栅控原理没有问题，只是画的示意图，不是详细的，还要加下拉电阻，保证不开脉冲情况下在负偏电位。当输出电压不是很高的情况下用脉变完全可以实现，磁环就更不是问题了，导磁是有差别，但不会差别很大，通过一定方法可以使管子很快导通，导通致性很好。再说，串联管子不可能没有一点差别，要不还要动态均压做什么？如果输出功率很大电压又很高的话，要很多管子串，而且管子很大，那脉变就驱动不了了，就得用光耦。光纤都不是问题，大功率高电压，体积能小吗？光纤那点体积算什么？辅助电源就更不是问题了，用大于输出电压耐压值的高压线做初级就可以很容易实现。这些对于没有做出来的是个问题，但做出来了解决了就不是问题了。国内有个研究所做得就很好，我们虽然还没有达到那种级别，但所说的还是能够很容易做到的。还有他们写了一本书，特别好，大家可以看看的。

classtwo

LV.6

2010-09-26 08:16

@fyfandy520

磁环导初始磁率的允许误差为±20%，如果用在着这里肯定要精挑细选。均压电阻只对直流有用，对脉冲是无效的。你所提到的研究所叫什么名字？

fyfandy520

LV.4

2010-09-26 11:26

@classtwo

磁环导初始磁率的允许误差为±20%，如果用在着这里肯定要精挑细选。均压电阻只对直流有用，对脉冲是无效的。你所提到的研究所叫什么名字？

通过实验及产品结果，磁环对导通一致性基本上没什么太大的影响。均压我说的是动态均压，C、RC或RCD均压，根据不同的电流等因素选择这些参数。

classtwo

LV.6

2010-09-26 15:02

@fyfandy520

通过实验及产品结果，磁环对导通一致性基本上没什么太大的影响。均压我说的是动态均压，C、RC或RCD均压，根据不同的电流等因素选择这些参数。

磁环在这里起信号隔离与传输并影响着冲信号的前沿，而脉冲驱动信号前沿的一致性对晶体管串联起着决定性的作用。当然可以通过调整后级放大电路来达到要求，但前提是磁环的一致性不能相差太大。

另外在脉冲电路中用电阻或电容作为均压元件都是不可取的。

fyfandy520

LV.4

2010-09-26 17:26

@classtwo

磁环在这里起信号隔离与传输并影响着冲信号的前沿，而脉冲驱动信号前沿的一致性对晶体管串联起着决定性的作用。当然可以通过调整后级放大电路来达到要求，但前提是磁环的一致性不能相差太大。另外在脉冲电路中用电阻或电容作为均压元件都是不可取的。

电阻电容均压不可取在什么地方？原因是什么呢？那大家都是按照这种做法做出来的难道都错了？不加均压怎么串管？怎么实现脉冲高压呢？用触发管之类的？

加RC是会增加损耗，加大体积，但开关管导通不可能做到完全致，那么在开关开启时，有的开关慢，那么电压都会加到后开启的管子上，如果不加动态均压，开关管肯定损坏。加电容之后，可以使在这段时间差距内，保证电压不会超过开关管的耐压值。这样方式是必须的。可能有点孤陋寡闻了，不知道还有什么方式可以做到，请赐教！

德国BEHLKE公司在开关方面做得很好，很多都是受他们的启发做出来的。

classtwo

LV.6

2010-09-26 20:11

@fyfandy520

电阻电容均压不可取在什么地方？原因是什么呢？那大家都是按照这种做法做出来的难道都错了？不加均压怎么串管？怎么实现脉冲高压呢？用触发管之类的？加RC是会增加损耗，加大体积，但开关管导通不可能做到完全致，那么在开关开启时，有的开关慢，那么电压都会加到后开启的管子上，如果不加动态均压，开关管肯定损坏。加电容之后，可以使在这段时间差距内，保证电压不会超过开关管的耐压值。这样方式是必须的。可能有点孤陋寡闻了，不知道还有什么方式可以做到，请赐教！德国BEHLKE公司在开关方面做得很好，很多都是受他们的启发做出来的。

在脉冲电路中如果并电容会对调制信号的上升沿产生不利的影响。

你说的德国公司是做的非常好，但应用领域不一样的。

最早做晶体管串联的是一家英国公司，他门专业生产脉冲调制器。

还有，这种技术涉及到很多敏感领域，如果还要继续讨论可以加我的QQ:1293390876

subb

LV.2

2011-01-21 17:04

@classtwo

在脉冲电路中如果并电容会对调制信号的上升沿产生不利的影响。你说的德国公司是做的非常好，但应用领域不一样的。最早做晶体管串联的是一家英国公司，他门专业生产脉冲调制器。还有，这种技术涉及到很多敏感领域，如果还要继续讨论可以加我的QQ:1293390876

14所是最强的，你只是说说，人家产品一堆了

classtwo

LV.6

2011-01-25 16:33

@subb

14所是最强的，你只是说说，人家产品一堆了

此言差矣，14所的第一台样机当初曾经是从我们这里买过去的。国内我们是第一家做这个产品的，也是做得最好的之一。

kevin04021101

LV.3

2011-01-26 10:43

楼主加个朋友吗，我是专门从事脉冲调制器方面研究的。对于，60kV耐压，如何保证数百只mosfet开关管导通时间一致，实现动态静态均压，我没有这方面的经验，楼主有没有过具体的实验电路或是实验数据啊。不知道楼主是不是也是搞发射机的。

classtwo

LV.6

2011-01-27 21:33

@kevin04021101

你这是阴控的吧！请问，你需要的最高重复频率是多少？最小脉宽是多少？

现在mosfet有耐压3kv的了，用25个串联就够了

ccps

LV.7

2011-01-30 21:09

@classtwo

你这是阴控的吧！请问，你需要的最高重复频率是多少？最小脉宽是多少？现在mosfet有耐压3kv的了，用25个串联就够了

学习，严重标记

ccps

LV.7

2011-01-30 21:10

@ccps

学习，严重标记

楼主出产品了？均压均流怎么解决？

classtwo

LV.6

2011-01-31 10:16

@ccps

楼主出产品了？均压均流怎么解决？

产品出来有7年了，现在最高频率做到120khz，脉宽1.0微秒，调制电压20kv，隔离电压120kv。

串联不存在均流问题，均压措施之一是采用TVS管，当然还有其它措施、方法，这里原谅不能多说了，否则就要泄密了

kevin04021101

LV.3

2011-02-08 19:36

@classtwo

同样求问，tvs串联均压方案我看过了，我看过魏智老师的书，书上说有C，R并联静态动态均压的，为什么您说不可取呢？求解谢谢

kevin04021101

LV.3

2011-02-08 19:38

@classtwo

你这是阴控的吧！请问，你需要的最高重复频率是多少？最小脉宽是多少？现在mosfet有耐压3kv的了，用25个串联就够了

重复频率在50kHz左右，最小脉宽1us，问题是我采用的是变压器升压，变压器分布参数对我的波形影响很大，导致脉宽大于1us，求解分布参数如何处理。

angryheart

LV.4

2011-03-20 16:05

@classtwo

产品出来有7年了，现在最高频率做到120khz，脉宽1.0微秒，调制电压20kv，隔离电压120kv。串联不存在均流问题，均压措施之一是采用TVS管，当然还有其它措施、方法，这里原谅不能多说了，否则就要泄密了[图片]

哥们哪个单位的？

fyfandy520

LV.4

2011-03-28 18:15

还有，这个东西其实也没什么要保密的，魏智老师的书上说得很详细了，大家都能看得懂，只是有很多东西还要我们自己去理解，去摸索。

相比以前，主要在驱动方式上做了很大的改进，不但大大降低了驱动所要的功率（100只1000V/8A的MOS管驱动的功率大约为6W），而且可以实现任意脉宽的开关。

还做了一个产品是正负15kV的环保用的脉冲电源，也是用这种方式做的，频率从10Hz~1kHz可调，脉宽2~5us，脉冲电流12A，完成模仿变压器输出的波形，因为以前是用开关变压器做的脉冲电源，失败了。现在已经成功交付使用了，真是不容易。

caidong

LV.3

2013-09-23 22:43

@fyfandy520

我的产品终于出来了，分三种系列，高压小电流，最高50kV；高压大电流，最高40kV，脉冲电流20A，占空比1%；高频系列，电流小，3kV/200kHZ，脉宽最小300ns，上升沿15ns（0%-100%），还有460kHZ/800V，损耗30W，这个是给一个弹载行波管做的栅级高制器，以前损耗70W，现在终于降下来了。还有，这个东西其实也没什么要保密的，魏智老师的书上说得很详细了，大家都能看得懂，只是有很多东西还要我们自己去理解，去摸索。相比以前，主要在驱动方式上做了很大的改进，不但大大降低了驱动所要的功率（100只1000V/8A的MOS管驱动的功率大约为6W），而且可以实现任意脉宽的开关。还做了一个产品是正负15kV的环保用的脉冲电源，也是用这种方式做的，频率从10Hz~1kHz可调，脉宽2~5us，脉冲电流12A，完成模仿变压器输出的波形，因为以前是用开关变压器做的脉冲电源，失败了。现在已经成功交付使用了，真是不容易。

前后延能在50ns之内吗？