CN101611546A - 使用谐振电路中的交流来同时操作晶闸管的谐振电流源门极驱动 - Google Patents
使用谐振电路中的交流来同时操作晶闸管的谐振电流源门极驱动 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用于通过包括两个一次绕组(171,173)的电流互感器(163)来提供极性交替的电流脉冲以操作晶闸管的系统、电路和方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年8月21日提交的美国专利申请No.11/842,764的优先权,申请No.11/842,764是于2006年4月17日提交的、名称为“使用谐振电路中的交流来同时操作晶闸管的谐振电流源门极驱动”的美国申请No.11/405,184的部分继续申请,这两件申请都通过引用完全结合于此。
背景技术
通常使用电子电路来提供使用于电开关的晶闸管导通的门极脉冲信号。当在高电压下使用晶闸管时,需要将电子门极驱动电路与高电压进行电隔离。通常的隔离方法包括光纤以及电压和电流互感器。
一般的门极驱动使用两个分离的电路来向晶闸管提供门极脉冲。当使用互感器来耦合门极驱动器时,由于门极驱动脉冲中的直流(DC)分量导致互感器中的磁性材料未被有效利用。直流分量导致在互感器的磁芯中形成了剩磁。结果,随着脉冲数量增加,来自互感器的输出脉冲被劣化。因此,后续的脉冲可能无法有效地使晶闸管导通。在这种情况下,需要高得多的输入电流来提供合适的输出脉冲。
晶闸管通过电流信号导通(其他类型的电气设备可以通过电压信号导通)。通常,使用电流源门极驱动来使晶闸管导通。当在高电压下使用晶闸管时,通常使用电流互感器来将电子门极驱动电路与高电压进行电隔离。一般的门极驱动使用提供交变脉冲的两个电路(图1中的环路1和环路2)。每个环路都耦合到单独的电流互感器。通常使用谐振电路来生成脉冲。每个脉冲的正的部分提供使晶闸管导通的电流信号。较小负值部分(negative loop)为谐振电路再充电,以提高门极驱动的效率。因为正脉冲大于负脉冲,所以在门极驱动信号中存在正的直流分量。在美国专利No.5,585,758中更详细地描述了这种操作模式,该美国专利通过引用完全结合于此。
图1示出用于两个一般的门极驱动电路(被命名为环路1和环路2)的电流互感器的一次侧上的输入电流10和12。这两个环路使用单独的电流互感器。电流互感器的输出被整流并组合以提供晶闸管门极电流i(门极)14。输入电流10和12都随时间保持着近似相同的幅度,但是门极电流i(门极)14随时间而劣化。门极电流14随着时间而减小,这是由于门极驱动信号的直流分量导致在电流互感器芯(除其他磁性材料外,通常是铁氧体)中形成剩磁。
图2示出了磁性材料的典型B-H曲线。在水平轴(B)上的信号变化提供了垂直轴(H)上的输出。对于磁性材料,B-H曲线的输出不是线性的。例如,如图2所示,输入X1引起输出Y1(如线22所示)。如果输入加倍(X2),输出(Y2)却没有加倍,而是仅增加了较小的量。如上面的图1所示,如果在输入信号(例如门极脉冲)中存在直流分量,则第一输入从零开始,但是由于剩磁导致输出随着时间而减小。正的输入导致B值向垂直轴的右侧偏移(如线24所示)。负的输入脉冲导致B值向垂直轴的左侧偏移(如线20所示)。交流(AC)驱动既包含正脉冲又包含负脉冲。与X1幅度相同但是关于垂直轴对称的输入(X1’)在H方向产生的变化(Y1’)比输入不对称时在H方向产生的变化(Y1)更大。
图3示出一般的耦合了电流互感器的门极驱动电路30。两个门极驱动环路32和34经过几个电流互感器42、43、44、45、46和47,每个晶闸管36、38和40都被提供了一对电流互感器。电流互感器的输出相连使得每对电流互感器都操作一个晶闸管36、38和40。例如,互感器42和43连接到晶闸管36。门极驱动电路30包括在互感器的端子和晶闸管之间连接的串联二极管DS。串联二极管DS阻止负电压施加在晶闸管门极上。门极驱动电路30还包括为门极驱动信号的负值部分提供返回路径的二极管DB。
图4示出一般的谐振门极驱动电路50。该门极驱动电路使用两个电路。每个电路包括电容器C,该电容器C交替地通过再充电电路52充电然后通过门极环路62和发射电路60放电以产生门极信号。再充电电路56和发射电路60可以是由电子控制定时电路54和58导通和关断的晶体管。门极环路62的返回路径(发射电路60的顶部)连接到电源52,以限制在发射电路60中使用的晶体管上的电压。
图5A和5B分别示出了推挽式电流电路70和推挽式电压电路80的电路图。推挽式电流电路70和推挽式电压电路80产生基本上连续的门极驱动信号(如信号71和81所示)。诸如推挽式电流电路70和推挽式电压电路80等的门极驱动产生具有快速的上升时间的方波输入。在电路70和80中,在低电压驱动电路和晶闸管之间的电流路径中设置了隔离互感器72、74、82和84。为了保持快速的上升时间,隔离互感器72、74、82和84必须是非常有效率的并且具有低阻抗值。在一些实现方案中,电压源连续门极驱动使用较高阻抗隔离互感器,并且在高电压电平下常常包括快速前端电路(fast front circuit)。
发明内容
本公开涉及使用晶闸管门极驱动来同时操作晶闸管。更具体地,本公开涉及包括交流门极驱动的门极驱动,该交流门极驱动提高了门极驱动电路的效率。
在一些方面,谐振门极驱动电路包括隔离互感器,该隔离互感器包括第一一次绕组、第二一次绕组以及二次绕组。谐振门极驱动电路还包括耦合到第一一次绕组的第一谐振电路。第一一次绕组相对于二次绕组以第一极性设置。谐振门极驱动电路还包括耦合到第二一次绕组的第二谐振电路。第二一次绕组相对于二次绕组以第二极性设置。第二极性与第一极性相反。谐振门极驱动电路还包括电连接到隔离互感器的整流电路。
实施例可以包括以下实施方式中的一个或更多。
第一谐振电路可以被配置为在隔离互感器的二次绕组上生成正的信号。第二谐振电路可以被配置为在隔离互感器的二次绕组上生成负的信号。整流电路可以被配置为对正的信号和负的信号进行整流。谐振门极驱动电路可以被配置为向晶闸管提供基本上连续的门极驱动信号。
谐振门极驱动电路还可以包括电连接到整流电路的输出的电容器。谐振门极驱动电路还可以包括电连接到电容器的晶闸管。谐振门极驱动电路还可以包括在电容器与晶闸管之间的电流路径中设置的电阻器。
在一些方面,用于生成门极驱动信号的方法可以包括在隔离互感器处接收由以相反极性耦合到隔离互感器的第一谐振电路和第二谐振电路所提供的极性交替的电流脉冲。该方法还可以包括对隔离互感器生成的信号进行整流以及将整流后的信号施加到晶闸管。
实施例可以包括以下实施方式中的一个或更多。
极性交替的电流脉冲可以包括具有正电流值的第一电流脉冲和具有负电流值的第二电流脉冲。隔离互感器可以包括第一一次绕组、第二一次绕组以及二次绕组。第一谐振电路可以耦合到第一一次绕组并相对于二次绕组以第一极性设置。第二谐振电路可以耦合到第二一次绕组并相对于二次绕组以第二极性设置,其中第二极性与第一极性相反。在隔离互感器处接收由第一谐振电路和第二谐振电路所提供的极性交替的电流脉冲的步骤可以包括:在二次绕组处接收来自第一一次绕组的正电流,以及在二次绕组处接收来自第二一次绕组的负电流。
在一些方面,电路可以包括第一谐振电路、第二谐振电路以及电流互感器。第一谐振电路和第二谐振电路可以被配置为通过电流互感器来提供极性交替的电流脉冲以操作晶闸管。
实施例可以包括以下实施方式中的一个或更多。
该电路可以包括被配置为对来自互感器的信号进行整流的整流电路。该电路可以被配置为将正的晶闸管电流脉冲与负的再充电电流脉冲分隔开。
在一些方面,系统包括电流互感器和一个或更多电路以通过电流互感器提供极性交替的电流脉冲以操作晶闸管。
实施例可以包括以下实施方式中的一个或更多。
该系统还可以包括整流电路,该整流电路被配置为对来自互感器的信号进行整流。该电路可以被配置为将正的晶闸管电流脉冲与负的再充电电流脉冲分隔开。该系统还可以包括电连接到电路的二极管,该二极管被配置为向该电路提供负值部分返回环路。所述一个或更多电路可以包括第一谐振电路和第二谐振电路。该互感器可以包括第一一次绕组、第二一次绕组以及二次绕组。第一谐振电路可以耦合到相对于二次绕组处于第一极性的第一一次绕组。第二谐振电路可以耦合到相对于二次绕组处于第二极性的第二一次绕组,其中第二极性与第一极性相反。
在一些实施例中,门极驱动电路生成基本上连续的晶闸管门极驱动信号,并阻止在出现高次谐波电流时晶闸管关断。
在一些实施例中,谐振电路门极驱动通过将低电压电路中的正的晶闸管电流脉冲和负的再充电电流脉冲分隔开来提供连续的门极驱动信号。将正的晶闸管电流脉冲和负的再充电电流脉冲分隔开减少了隔离互感器的数量。这样的门极驱动允许对于每对门极驱动电路而言在电路中包括单个隔离互感器,并使得能够在高电压下使用信号调节电路以向晶闸管提供连续的门极驱动信号。
根据下面的描述并根据权利要求应当清楚本发明的其他特性和优点。
附图说明
图1示出利用很多脉冲来提供晶闸管门极信号的“栅栏”(picketfence)门极驱动。
图2示出在互感器中使用的磁性材料的工作特性。
图3示出耦合了电流互感器的门极驱动电路。
图4示出谐振门极驱动电路。
图5A示出谐振门极驱动电路。
图5B示出谐振门极驱动电路。
图6示出交流“栅栏”门极驱动。
图7示出耦合了电流互感器的交流门极驱动电路。
图8示出谐振门极驱动的“再充电”节能特性。
图9示出改进的交流门极驱动电路。
图10示出谐振门极驱动电路。
具体实施方式
电流源门极驱动常被用于同时操作一系列并行的晶闸管。谐振电路通常被用于提供高效的门极电流源。门极电流源耦合到具有包括磁芯的互感器的晶闸管。谐振电路经常使用在互感器的磁芯中形成剩磁的单极性电流脉冲(例如直流脉冲),从而降低了门极驱动电路的效率,并需要高的输入能量来提供可靠的晶闸管操作。
本公开涉及使用改进的晶闸管门极驱动电路来同时操作晶闸管。更具体地,本公开描述的门极驱动电路特征在于提高了门极驱动电路效率的交流(AC)门极驱动电路。本公开还描述耦合了电流互感器的晶闸管门极驱动。对于在电流互感器芯中使用的给定尺寸和材料,所述电路-互感器提供了高的效率,或者允许使用更小、更低成本的芯同时保持相同的效率。另外,所述电路-互感器使用的电流互感器的数量是传统的晶闸管门极驱动(例如上面图5A和图5B所示的那些)使用的电流互感器的数量的一半。
图6示出了来自交流门极驱动的输入和输出信号。两个门极脉冲电路生成具有相反极性的输入信号。输入信号以相反方向施加到互感器,产生如线102所示的交变电流。该交变电流102在每个方向(例如正和负方向)交替地磁化磁芯,使得在互感器的芯中基本上不产生磁的累积,导致门极驱动的效率提高。与传统的电路(图1)相比,用于产生门极电流106 i(门极)的输入电流环路(环路1)的幅度可以更小。另外,因为在互感器的磁芯中基本上没有剩磁,所以在交流门极驱动中门极电流106保持基本恒定(例如幅度不随时间降低)。在一些实施例中,第一脉冲稍微小于第二脉冲,因为第一脉冲在磁性材料的B-H曲线上的零点处开始,而第二脉冲的方向相反,从而更加关于垂直轴对称(参见上面的图2)。
图7示出本公开的耦合了电流互感器的交流(AC)门极驱动电路110。耦合了电流互感器的交流门极驱动电路110包括一组电流互感器113、117和121。使用桥式整流器(例如桥式整流器114、118和122)来对电流互感器113、117和121的输出进行整流,以向晶闸管(例如晶闸管112、116和120)门极仅提供正脉冲。
图8示出耦合了电流互感器的交流门极驱动电路110的工作。门极驱动电路的输出130是正脉冲大于负脉冲的阻尼正弦波(damped sinewave)。输出信号130是通过使正向充电电容器经感应器放电来产生的。图8还示出了电容器电压132(充电)。该电压在正电平开始,然后随着脉冲形成而变为负值。如果不存在负值部分,则电容器保持在该负值并且使用相当大的能量用于再充电至净脉冲(总能量136)。该负值部分将一些能量恢复到电容器,从而使用较少量的能量来对电容器进行再充电(再充电134)。用于对电容器进行再充电的能量近似等于如果没有实现谐振电路而使用的能量的1/4。
图9示出了用于耦合了电流互感器的交流门极驱动电路110的谐振门极驱动150。使用两个门极驱动电路来为单一的共享的隔离互感器(诸如图7所示的隔离互感器113、117或121)提供信号。更具体地,谐振门极驱动150的输出(门极环路)连接到图7所示的隔离互感器。这样,当两个谐振门极驱动150连接到该隔离互感器时,两个谐振门极驱动150向该隔离互感器提供交变电流。
谐振门极驱动电路150包括为负值部分提供返回路径的二极管D2。二极管D2对谐振门极驱动150进行再充电并阻止来自负值部分的信号被施加到晶闸管门极。二极管D2被包括在谐振门极驱动电路150中,这是因为电连接到电流互感器的输出的桥式整流器114、118和122(图7所示)没有为负值部分提供低阻抗返回路径。
在来自每个门极驱动电路的环路通过同一电流互感器的情况下,每个环都将电流感应到另一个环中。该感应电流在另一个门极驱动电路中消耗,从而降低了晶闸管门极的输出。为了限制晶闸管输出的降低效应,谐振门极驱动电路150包括高阻抗电阻器,即R。电阻器R形成该感应电流的高阻抗返回路径。该高阻抗路径使感应电流最小化并限制在发射电路中使用的晶体管上的过电压。
图10示出了提供基本上连续的门极驱动信号162的谐振电路门极驱动电路160的另外的实施例。门极驱动电路160包括耦合到单一的隔离互感器163的两个谐振电路164和166。谐振电路164耦合到隔离互感器163的第一一次绕组171,谐振电路166耦合到隔离互感器163的第二一次绕组173。第一和第二一次绕组171和173电耦合到隔离互感器163的二次绕组175。
两个谐振电路164和166的输出以相反极性耦合到隔离互感器163。例如,谐振电路164的输出以与互感器163相同的极性取向被耦合,而谐振电路166的输出以相反的极性被耦合。这样,谐振电路164的输出在隔离互感器163处生成正的门极驱动电流,而谐振电路166的输出在隔离互感器163处生成负的门极驱动电流。包括二极管168、170、172和174的桥式整流器对正的和负的电流进行整流。门极驱动电路160将负值再充电脉冲电路与再充电电路的下部的正值门极驱动脉冲电路分隔开。这样,只有正值门极驱动脉冲被通过隔离互感器163耦合到晶闸管,从而允许对于谐振电路只使用一个隔离互感器163。在高电压状态下,整流器的输出耦合到电容器176以提供基本上连续的直流门极驱动电流162。提供了旁路电路以将快速前端信号直接转移给晶闸管。
谐振门极驱动电路150和160通过提供交流的谐振门极驱动,消除了互感器磁芯中的剩磁。相信使用这样的交流的谐振门极驱动提高了门极驱动的效率并允许以较少的输入能量进行门极驱动操作,和/或在不增加门极驱动的能量的情况下操作大量的串行或并行的晶闸管。
应当理解,前面的描述旨在说明而非限制本发明的范围,本发明的范围由所附权利要求的范围来限定。
其他的实施例在下面的权利要求的范围之内。
Claims (18)
1.一种谐振门极驱动电路,包括:
隔离互感器,所述隔离互感器包括第一一次绕组、第二一次绕组以及二次绕组;
耦合到所述第一一次绕组的第一谐振电路,所述第一一次绕组相对于所述二次绕组以第一极性设置;
耦合到所述第二一次绕组的第二谐振电路,所述第二一次绕组相对于所述二次绕组以第二极性设置,所述第二极性与所述第一极性相反;以及
电连接到所述隔离互感器的整流电路。
2.如权利要求1所述的谐振门极驱动电路,其中:
所述第一谐振电路被配置为在所述隔离互感器的二次绕组上生成正的信号;
所述第二谐振电路被配置为在所述隔离互感器的二次绕组上生成负的信号;以及
所述整流电路被配置为对所述正的信号和负的信号进行整流。
3.如权利要求1所述的谐振门极驱动电路,其中,所述谐振门极驱动电路被配置为向晶闸管提供基本上连续的门极驱动信号。
4.如权利要求1所述的谐振门极驱动电路,还包括电连接到所述整流电路的输出的电容器。
5.如权利要求4所述的谐振门极驱动电路,还包括电连接到所述电容器的晶闸管。
6.如权利要求5所述的谐振门极驱动电路,还包括在所述电容器与所述晶闸管之间的电流路径中设置的电阻器。
7.一种用于生成门极驱动信号的方法,所述方法包括:
在隔离互感器处接收由以相反极性耦合到所述隔离互感器的第一谐振电路和第二谐振电路所提供的极性交替的电流脉冲;
对所述隔离互感器生成的信号进行整流;以及
将整流后的信号施加到晶闸管。
8.如权利要求7所述的方法,其中,所述极性交替的电流脉冲包括具有正电流值的第一电流脉冲和具有负电流值的第二电流脉冲。
9.如权利要求7所述的方法,其中:
所述隔离互感器包括第一一次绕组、第二一次绕组以及二次绕组;
所述第一谐振电路耦合到所述第一一次绕组,所述第一一次绕组相对于所述二次绕组以第一极性设置;
所述第二谐振电路耦合到所述第二一次绕组,所述第二一次绕组相对于所述二次绕组以第二极性设置,所述第二极性与所述第一极性相反;以及
在所述隔离互感器处接收由所述第一谐振电路和所述第二谐振电路所提供的极性交替的电流脉冲的步骤包括:在所述二次绕组处接收来自所述第一一次绕组的正电流,以及在所述二次绕组处接收来自所述第二一次绕组的负电流。
10.一种电路,包括:
第一谐振电路;
第二谐振电路;以及
电流互感器,其中,所述第一谐振电路和所述第二谐振电路被配置为通过所述电流互感器来提供极性交替的电流脉冲以操作晶闸管。
11.如权利要求10所述的电路,还包括被配置为对来自所述互感器的信号进行整流的整流电路。
12.如权利要求10所述的电路,其中,所述电路被配置为将正的晶闸管电流脉冲与负的再充电电流脉冲分隔开。
13.一种用于同时操作晶闸管的耦合了电流互感器的交流门极驱动,包括:
电流互感器;以及
一个或更多电路,通过所述电流互感器来提供极性交替的电流脉冲以操作所述晶闸管。
14.如权利要求13所述的耦合了电流互感器的交流门极驱动,还包括整流电路,所述整流电路被配置为在来自所述电流互感器的信号被施加到所述晶闸管之前对该信号进行整流。
15.如权利要求13所述的耦合了电流互感器的交流门极驱动,其中,所述电路被配置为将正的晶闸管电流脉冲与负的再充电电流脉冲分隔开。
16.如权利要求13所述的耦合了电流互感器的交流门极驱动,还包括:
电连接到所述电路的二极管,所述二极管被配置为向所述电路提供负值部分返回环路。
17.如权利要求13所述的耦合了电流互感器的交流门极驱动,其中,所述一个或更多电路包括:
第一谐振电路;以及
第二谐振电路。
18.如权利要求13所述的耦合了电流互感器的交流门极驱动,其中:
所述互感器包括第一一次绕组、第二一次绕组以及二次绕组;
所述第一谐振电路耦合到所述第一一次绕组,所述第一一次绕组相对于所述二次绕组以第一极性设置;
所述第二谐振电路耦合到所述第二一次绕组,所述第二一次绕组相对于所述二次绕组以第二极性设置,所述第二极性与所述第一极性相反。
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