一种固态开关器件串联电路的非均匀均压方法及电路与流程

本发明涉及高压脉冲电源，特别是一种固态开关器件串联电路的非均匀均压方法及电路。

背景技术：

1、高压脉冲电源对气体放电产生的电子能量密度，能耗、活性粒子的效率和种类等具有决定性作用，在电光调制、材料表面处理、环境污染治理、生物医学、等离子体点火和辅助燃烧等国防和民用前沿领域具有广泛的应用前景。在多个固态开关串联实现的高压脉冲产生电路，必须通过均压手段维持单个开关上承受的电压不超过其耐压等级，从而保证串联开关电路能长期稳定工作。

2、目前常用的固态串联开关电路中，均压分为静态均压和动态均压。静态均压一般通过对每个固态开关并联电阻的方式实现，保证固态开关串联器件施加直流电压时，每个开关的承受电压基本一致。但当固态串联开关器件存在开关动作时，由于组成固态串联开关的每个开关参数存在散布，以及驱动固态开关通断的控制信号延时和抖动存在差异，造成每个固态开关的通断时序存在差异。因此在开关通断瞬间，会导致某些开关承受的电压超过理论值较多。而这一现象静态均压电路是难以及时响应和保护开关，严重时会超出器件的耐压，从而损坏某些固态开关，进一步损坏组成串联开关的所有器件。因此，固态开关串联时，必须设计合适的动态均压电路，解决开关通断时序差异，造成某些开关可能承受超过额定耐压的情况。

3、国内外已有众多的期刊论文和专利，提出过多种动态均压电路，不论是哪一种均压电路，对串联开关电路的每一级开关，均压电路的参数均完全一样。实际应用中，组成串联开关的每一级固态开关的参数可能不同，串联开关动态均压和理论分析的情况存在一定偏差，因此，均压电路一般按照每一级电路均工作在最恶劣条件的情况考虑。这种电路设计一方面裕度偏大，另一方面，没有考虑串联开关电路中，高电位侧的开关和低电位侧的开关，实际的工作条件存在较大差异，并不能保证每一级串联开关均得到有效均压，特别在串联开关组成半桥电路时，参数完全相同的均压电路，并不能在每一级开关得到相同的均压结果。

技术实现思路

1、本发明实施例要解决的技术问题在于，提供一种固态开关器件串联电路的非均匀均压方法及电路，以解决现有技术中采用完全相同参数的均压电路会导致部分开关无法被有效均压的问题。

2、本发明公开了一种固态开关器件串联电路的非均匀均压方法，包括：

3、对固态开关器件串联电路中的每级固态开关分别并联一组动态均压电路，所述动态均压电路包括用于均压的电容；

4、根据每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的均压值，分别确定各级所述固态开关对应所述动态均压电路的均压电容值；

5、根据确定的均压电容值，为每级所述动态均压电路选取对应的电容，以通过参数不同的各所述动态均压电路有效均压对应的所述固态开关。

6、可选地，根据每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的均压值，分别确定各级所述固态开关对应所述动态均压电路的均压电容值的方法包括：

7、根据每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的理论均压值和导通时序，确定每级所述固态开关对应所述动态均压电路的初始电容值；

8、为每级所述动态均压电路选取对应初始电容值的电容，根据每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的测量均压值，对每级所述电容的初始电容值进行修正，并得到每级所述电容的修正电容值；

9、为每级所述动态均压电路换取对应修正电容值的电容，并继续对每级所述电容的修正电容值进行二次修正，并得到所述动态均压电路的均压电容值。

10、可选地，根据每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的理论均压值和导通时序，确定每级所述固态开关对应所述动态均压电路的初始电容值的方法包括：

11、根据输出高压脉冲电压的幅值确定每级所述固态开关的理论均压值，所述输出高压脉冲电压的幅值的计算公式为：u＝vp-vn，所述理论均压值的计算公式为：u0＝(vp-vn)/n；

12、根据每级所述固态开关在耐压小于其额定电压工况下的导通时序，通过所述固态开关的最高耐压值计算公式，反推计算得到每级所述固态开关对应所述动态均压电路的初始电容值，所述最高耐压值计算公式为：

13、

14、其中，vp和vn分别是所述固态开关高端和低端的电压，n是所述固态开关的级数，vmax是串联开关的最高耐压值，t0n是最后一个导通的所述固态开关在导通时需要的时间，r0(n-1)是n-1级先导通所述固态开关的内阻之和，c是所述动态均压电路的初始电容值。

15、可选地，根据每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的测量均压值，对每级所述电容的初始电容值进行修正的方法包括：

16、选取n级所述动态均压电路中均压最接近所述理论均压值的测量均压值和等效电容值作为参考，根据每级所述固态开关的充电电荷公式计算n-1级所述动态均压电路的修正电容值；

17、充电电荷公式为：q＝c0u0；

18、修正电容值的计算公式为：c0ui＝cxux；

19、其中，n是所述固态开关的级数，q为充电电荷，c0是每级所述固态开关的寄生电容值和对应所述动态均压电路的初始电容值之和，u0是所述固态开关的理论均压值，ui是所述固态开关在输出高压脉冲电压下的测量均压值，ux也是某一级所述固态开关的测量均压值，cx是某一级所述动态均压电路的修正电容值。

20、可选地，对每级所述电容的修正电容值进行二次修正的方法包括：

21、根据每级所述电容的修正电容值，继续对每级所述固态开关在输出高压脉冲电压下的均压值进行测量，直到每级所述固态开关的测量均压值和理论均压值的相对误差小于预设的参考值；

22、选取相对误差小于预设参考值的测量均压值和理论均压值作为参考，通过对所述动态均压电路进行修正电容值的计算获取所述动态均压电路的均压电容值。

23、可选地，还包括在每级所述动态均压电路的初始电容值修正之后确定每级所述动态均压电路的均压电容值的方法：

24、根据每级所述动态均压电路修正后的均压电容值分析各级所述动态均压电路均压电容值的趋势；

25、若各级所述电容均压电容值的趋势满足沿高压脉冲输出方向呈增长趋势，则为每级所述动态均压电路换取对应均压电容值的电容。

26、可选地，还包括在每级所述动态均压电路的初始电容值进行修正之前对所述固态开关进行均压测定的方法：

27、根据为每级所述动态均压电路选取对应初始电容值的电容，给每级所述固态开关施加高端和低端的直流电压；

28、对每级所述固态开关施加驱动脉冲，测量高压脉冲和每级所述固态开关在输出高压脉冲时的电压变化，并记录每级所述固态开关的测量均压值；

29、根据记录的测量均压值作参考，对每级所述电容的初始电容值进行修正，直至每级所述固态开关的测量均压值和理论均压值的相对误差小于预设的参考值。

30、可选地，还包括所述动态均压电路有效均压对应所述固态开关的基础上进行静态均压的方法：对固态开关器件串联电路中的每级固态开关分别并联一组静态均压电路，所述静态均压电路包括用于均压的电阻。

31、本发明还提供一种电路，所述电路包括串联电路模块、动态均压模块以及静态均压模块，所述串联电路模块包括若干个串联的固态开关，每个所述固态开关上分别并联一个所述动态均压模块和一个所述静态均压模块；

32、所述动态均压模块包括第一电阻、二极管以及电容，所述二极管和所述第一电阻并联后与所述电容串联，且每个所述固态开关对应所述电容的均压电容值不同，以使每个所述固态开关在对应所述动态均压模块的作用下动态均压；

33、所述静态均压模块包括第二电阻，以使所述第二电阻对所述固态开关静态均压。

34、可选地，所述电路包括一组所述串联电路模块，或

35、至少两组所述串联电路模块，其中一组所述串联电路模块构成上半桥电路，且上半桥电路接高电压，另一组所述串联电路模块构成下半桥电路，且所述下半桥电路接低电压。

36、与现有技术相比，本发明实施例提供的固态开关器件串联电路的非均匀均压方法有益效果在于：

37、针对固态开关器件串联电路中每级固态开关在电路中的寄生参数不同、驱动信号时延不一致等场景，通过根据每级固态开关在输出高压脉冲电压下的均压值，分别确定各级固态开关对应动态均压电路的均压电容值，并根据确定的均压电容值，为每级动态均压电路选取对应的电容，即对每级固态开关采用原理相同，但具体电路参数不同的动态均压电路，实现固态开关器件串联电路中每级固态开关的有效均压，以消除传统均压电路中采用完全相同参数的均压电路，可能导致某些开关无法被有效均压的问题，从而保证固态开关器件串联电路中的每级固态开关在额定的电压范围内、开关速度、重复频率等参数范围内可靠工作。