一种双极性高压固态电子开关的制作方法

1.本实用新型涉及一种高压电源极性切换控制技术，特别涉及一种双极性高压固态电子开关。


背景技术：

2.目前，在很多高压直流电源中，例如静电吸附系统、电磁兼容测试设备等，要求输出电压能进行正、负极性切换(即从初始的正电压输出变成负电压输出，或由初始的负电压输出变成正电压输出)，这就需要用到正、负极性切换开关来实现正、负极性切换。
3.传统的极性切换开关通常有两种：(1)使用机械开关，如高压继电器、高压接触器等，但是，机械开关存在问题有：噪声大、容易产生拉弧、开关速度低，而且使用寿命短；2)使用高压大功率半导体开关，现有的半导体开关通常是单向的，而且通常耐压3kv以内，只适用于少部分输出电压不高的应用场景。
4.总之，极性切换开关要承受高电压、大冲击电流，设计选型比较复杂，实现难度大。


技术实现要素：

5.为了解决以上的问题，本实用新型提供了一种双极性高压固态电子开关。
6.本实用新型的技术方案是这样实现的：
7.本实用新型公开了一种双极性高压固态电子开关，包括高压输入电路、高压输出电路、转换开关电路及驱动电路，
8.所述高压输入电路用于连接外部高压电源，包括高压正极输入端和高压负极输入端；
9.所述高压输出电路用于输出高压，包括高压第一输出端和高压第二输出端；
10.所述转换开关电路的输入端连接高压输入电路，其输出端连接所述高压输出电路，所述转换开关电路包括第一开关电路单元、第二开关电路单元、第三开关电路单元及第四开关电路单元，所述第一开关电路单元和第二开关电路单元的输入公共端连接所述高压正极输入端，所述第三开关电路单元和第四开关电路单元的输入公共端连接所述高压负极输入端，所述第一开关电路单元和第三开关电路单元的输出公共端连接所述高压第一输出端，所述第二开关电路单元和第四开关电路单元连接所述高压第二输出端；
11.所述驱动电路用于控制所述转换开关电路输出端的极性切换。
12.进一步地，所述第一开关电路单元、第二开关电路单元、第三开关电路单元及第四开关电路单元的电路结构均相同，其中，所述第一开关电路单元包括多个串联连接的mosfet管模块，所述mosfet管模块由mosfet管、电阻r1、电阻r2和电容c1组成，所述电阻r2和电容c1串联连接后一端与所述mosfet管的d极连接，另一端与所述mosfet管的s极连接，所述mosfet管的d极与s极之间并联连接所述电阻r1，所述mosfet管的g极连接所述驱动电路。
13.进一步地，所述驱动电路包括多个驱动电路单元、驱动电源、mos管q1和稳压二极
管z1，所述驱动电路单元串联连接后一端连接所述驱动电源的正极dc端，另一端连接所述mos管q1的d极，所述mos管q1的s极连接所述驱动电源的负极，所述稳压二极管z1的正极连接所述mos管q1的d极，所述稳压二极管z1的负极连接所述mos管q1的s极。
14.进一步地，所述驱动电路单元包括隔离变压器tr1、二极管d451、电阻r477、电阻r478、电阻r479、电容c1009、电容c1010和稳压二极管z2，所述电阻r479和电容c1009串联后一端连接所述隔离变压器tr1的副边脚7，另一端连接所述隔离变压器tr1的副边脚5，所述稳压二极管z2的正极、电阻r478和电容c1010的公共端通过所述电阻r477连接所述二极管d451的正极，所述二极管d451的负极连接所述隔离变压器tr1的副边脚7，所述稳压二极管z2的负极、电阻r478和电容c1010的公共端连接所述隔离变压器tr1的副边脚5。
15.进一步地，所述mos管q1型号为std5n20l。
16.进一步地，所述mosfet管型号为stp10nk70zfp。
17.实施本实用新型的一种双极性高压固态电子开关，具有以下有益的技术效果：
18.实施本实用新型采用固态电子开关控制极性切换，速度快，耐高压及大电流，使用寿命长。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型的双极性高压固态电子开关的功能方框图；
21.图2为本实用新型的双极性高压固态电子开关部份电路结构示意图；
22.图3为本实用新型的双极性高压固态电子开关中驱动电路的结构示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.请参阅图1、图2及图3，本实用新型的实施例，一种双极性高压固态电子开关，包括高压输入电路1、高压输出电路2、转换开关电路3及驱动电路4，
25.所述高压输入电路1用于连接外部高压电源，包括高压正极输入端11和高压负极输入端12；
26.所述高压输出电路2用于输出高压，包括高压第一输出端21和高压第二输出端22；
27.所述转换开关电路3的输入端连接高压输入电路1，其输出端连接所述高压输出电路2，所述转换开关电路3包括第一开关电路单元31、第二开关电路单元32、第三开关电路单元33及第四开关电路单元34，所述第一开关电路单元31和第二开关电路单元32的输入公共端连接所述高压正极输入端11，所述第三开关电路单元33和第四开关电路单元34的输入公共端连接所述高压负极输入端12，所述第一开关电路单元31和第三开关电路单元33的输出
公共端连接所述高压第一输出端21，所述第二开关电路单元32和第四开关电路单元34连接所述高压第二输出端22；
28.所述驱动电路4用于控制所述转换开关电路3输出端的极性切换，即控制高压第一输出端21和高压第二输出端22之间极性切换。
29.其中，第一开关电路单元31、第二开关电路单元32、第三开关电路单元33和第四开关电路单元34均由7个串联连接的mosfet管模块组成，mosfet管模块数量选取可根据实际需求，灵活调整mosfet管模块的串并联数量，以满足高电压、大电流极性切换要求；多个mosfet串联，实现高压，多个mosfet并联，实现大电流控制输出。
30.mosfet管模块由mosfet管、电阻r1、电阻r2和电容c1组成，所述电阻r2和电容c1串联连接后一端与所述mosfet管的d极连接，另一端与所述mosfet管的s极连接，所述mosfet管的d极与s极之间并联连接所述电阻r1，所述mosfet管的g极连接所述驱动电路，mosfet管选取型号为stp10nk70zfp。
31.在第一开关电路单元31中，第一个mosfet管的d极连接高压正极输入端11，第一个mosfet管的s极连接第二个mosfet管的d极，依次串接第三至第七个mosfet管，第七个mosfet管的s极连接高压第一输出端21；
32.在第二开关电路单元32中，第一个mosfet管的d极连接高压正极输入端11，第一个mosfet管的s极连接第二个mosfet管的d极，依次串接第三至第七个mosfet管，第七个mosfet管的s极连接高压第二输出端22；
33.在第三开关电路单元33中，第一个mosfet管的s极连接高压负极输入端12，第一个mosfet管的d极连接第二个mosfet管的s极，依次串接第三至第七个mosfet管，第七个mosfet管的d极连接高压第一输出端21；
34.在第四开关电路单元34中，第一个mosfet管的s极连接高压负极输入端12，第一个mosfet管的d极连接第二个mosfet管的s极，依次串接第三至第七个mosfet管，第七个mosfet管的d极连接高压第二输出端22。
35.根据一个具体的实施例，该驱动电路4包括7个驱动电路单元41、驱动电源42、mos管q1和稳压二极管z1，7个驱动电路单元41串联连接后一端连接所述驱动电源42的正极dc端，另一端连接所述mos管q1的d极，所述mos管q1的s极连接所述驱动电源42的负极(接地)，所述稳压二极管z1的正极连接所述mos管q1的d极，所述稳压二极管z1的负极连接所述mos管q1的s极，mos管q1型号为std5n20l。
36.其中，每个驱动电路单元41包括隔离变压器tr1、二极管d451、电阻r477、电阻r478、电阻r479、电容c1009、电容c1010和稳压二极管z2，所述电阻r479和电容c1009串联后一端连接所述隔离变压器tr1的副边脚7，另一端连接所述隔离变压器tr1的副边脚5，所述稳压二极管z2的正极、电阻r478和电容c1010的公共端通过所述电阻r477连接所述二极管d451的正极，所述二极管d451的负极连接所述隔离变压器tr1的副边脚7，所述稳压二极管z2的负极、电阻r478和电容c1010的公共端连接所述隔离变压器tr1的副边脚5。
37.进一步说明：
38.1、驱动电路单元中，隔离变压器原边串联，副边通过整流、滤波、钳位后输入到转换开关电路中mosfet管的g极和s极，提供驱动信号；
39.2、高压驱动隔离变压器原边串联，这样隔离变压器原边通过相同的电流，使得驱
动隔离变压器副边电流相等，保证开关电路单元中mosfet管模块串里面各个驱动信号之间的同步；
40.3、驱动电路中mos管q1通过pwm信号驱动；
41.4、驱动电路单元另一方式：采用一个原边单线圈和副边多线圈的驱动变压器，副边线圈的数量与需要驱动的mosfet数量相等，各副边线圈的匝数相等，保证mosfet管模块串里面各个驱动信号之间的同步。
42.本实用新型中转换开关电路，输出双极性控制使用高速电子开关实现，相比使用机械开关、高压继电器等方式而言，这种方式的开关噪声小，使用寿命长，对周边环境的噪声影响小。通过电子开关的串并联来实现高压、大电流，电子开关上并联的阻容用于各mos管之间的动态均压和静态均压。
43.实施本实用新型的一种双极性高压固态电子开关，具有以下有益的技术效果：
44.1、通过mosfet管半导体开关实现输出电压双极性切换，开关速度快，开关占空比可在0％～100％之间灵活调整，规避了传统机械开关的噪声大、容易产生拉弧、开关速度低，使用寿命短等缺点；
45.2、可根据实际需求，灵活调整mosfet管串并联数量，以满足高电压、大电流要求，多个mosfet串联，实现高压，多个mosfet管并联，实现大电流。
46.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。