CN1018127B - 一种改善了的可控硅整流(scr)起动和清除电路装置 - Google Patents

Abstract

一个改进了的起动和清除电路，由于将这些过程的能量转输到电源，避免了电路损失或被限制到最小，而且可饱和铁芯电感变压器的次级绕组电路采用了单一的共用存贮电感，其初级与SCR开关能量存贮和释放脉冲发生电路串联，适合于起动与清除两种功能，其中复位电路电感不参于能量转换和存贮过程。

Description

本发明涉及可控硅（SCR）控制的或类似的能量开关电路，在下文中一般指可控硅开关器件或装置，特别是指改善了的电路，用来减少在初始起动和载流清除网络中的损耗和反向电压的瞬变过程。

这里在共同受让人的专利号4，230，955中，在SCR开关装置的饱和电抗器起动和用来限制SCR开关将反向电流的少数载流清除电路里，发现了一种避免分散损耗的重大改进，这种改进是通过各自的饱和电抗器网络，将来自起动和清除过程的能量送回到电源，这些网络在再置过程中有效地参与了数量的交换和存贮功能（图4）。尽管在实践中发现解决这些损耗问题的好办法，但其实施方案却要求有两个分立功能的饱和电抗器，其中一个用来控制起动，另一个用来控制清除。

按照本发明，已发现了用一个饱和电抗器网络控制两个功能的可能性，而不用参与能量交换或做为存贮电抗器的再置网络，这样大大简化了电路，降低了成本，改进了效率。下面将给与更充分地说明。

本发明的宗旨是提供一个新的和改良了的饱和电抗器电路装置，去消除可控硅起动与清除电路的损耗和反向电压瞬变过程，并具有上述及其它先进性。

下文将解释本发明其它的以及进一步的目的

总之，一方面本发明包括一个为SCR脉冲发生器用的起动与清除电路，此电路由饱和铁芯电感器装置组成，在用于串联可控硅开关装置门控条件下，能够进行能量的存贮和释放。所述的电路的次级绕组由变压器同饱和铁芯电感器装置耦合。次级绕组的每个终端通过各自的二极管和存贮电感联结到直流电源的一端，而电源的另一端联结到该绕组的中间抽头，关于优先和最佳形式的实施方案和细节将在下面讨论。

现参照附图来描述本发明，图1是一个以优选形式说明本发明的线路图;

图2A到2B是波形图，图2F是说明图1动作的时限图。

图1说明了应用本发明的SCR脉冲发生器的一部分。此脉冲发生器采用了熟知的谐振充电原理。用饱和铁芯电感器L₁将来自直流电源Edc的半个电流正弦脉冲传送到电容C₁和一个标有“LOAD”的负载电路，它可能是一个电阻，一个磁饱和脉冲压缩器或另一个可控硅整流电路等等。饱和铁芯电感器L₁作为变压器的初级绕组“P”，耦合到初级的，变压器的次级绕组S₁-S₂在其端子上与各自的二极管D₁和D₂相联，而S₁-S₂的中间抽头联到电源Edc的负端或负极。二极管D₁与D₂的公共端通过存贮电感L₂联结到直流电源Edc的正极。

当t＝0时串联可控硅整流器SCR₁导通，电流脉冲开始，见图2c和2F，可持续半个谐振周期t＝ $\pi \sqrt{L{}_{1}C{}_1}$ 秒，而固有振荡使通过可控硅SCR₁的电源反向并使SCR₁关闭。在SCR₁关闭时，电容上的正电压ec₁超过Edc，所以一个净的反向电压加在SCR₁的两端。在几十毫秒反向偏置以后，可控硅SCR将重 新获得它的正向电压闭锁能力。一旦SCR₁恢复闭锁，已充电的电容就与充电电路隔离，它的能量可传送给负载。通常，在向多载电路放电以后，在C₁上将剩有一个负电压e_c1。当SCR₁导通时，此负电压将叠加到电源电压上，以驱使电感L₁和C₁产生固有振荡。在“无损耗”谐振充电时，电容电压达到一个正电平，此正电平是二倍电源电压及电容器残留负电压的和。这样，在脉冲发生器稳态工作期间，电容的峰-峰值电压可能是直流电源电压Edc的好多倍，如图2A中的6Edc所示。图2C表明通过SCR₁的半正弦电流脉冲相当大，通常达到数千安培。

一个SCR的载流能力和电流开关能力受到由于电阻性损耗所引起的结温上升的限制。当全部电压都加到靠近门的结区的小的导通面积上，SCR刚好导通后，以及当存贮于结区中的少数载流子被反向清除使SCR关闭，导通结面积缩小到零时，电阻性损耗特别高。图1的电路结构为设计人员提供了在临界导通和关闭期间减少SCR电流变化率（di/dt）的方法。在临界导通和关闭期间，该电路使充电电感大大增加，超过了其饱和值L₁，因此减少了di/dt。在导通时，用一个小的斜坡电流注入SCR结，使导通结面积于主电流脉冲之前扩展。在关闭时，由反向电压清除存贮于导通结中的少数载流子，反向SCR电流受到相似的限制（见时间图，图2F），使得反向电流很快终止。由于有关电路电感上产生的di/dt，在现已处于绝缘状态的SCR结两端出现了一个反向电压瞬时脉冲。图1的电路可抑制反向电流，使此瞬态值很小，这就避免了先有技术中在SCR两端必须采用的RC串联阻尼网络带来的附加损失。

返回到图2A，表明在SCR₁导通后电容电压e_c1的变化c₁ 通过负载予先放电，使其电压器正电平6Edc反向到负电平-4Edc，与图中右边虚线所示的相似。但那些电压水平是任意的，仅是说明上述谐振放电的基本规律。另一个初始条件是电感L₁可饱和铁心的磁状态。如图1中的圆点和恢复电流Ir的极性或方向所示，L₁的铁芯在放电周期之间将完全复原，复位直流源Er通过Lr与复位次级绕组S₃相联，S₃由变压器耦合到L₁。调整复位电感Lr和绕组对L₁的匝数比，在所述的工作周期中，使复位电流基本保持恒定。本发明的特点是，在可控硅SCR起动与清除期间发生了能量交换;能量通过饱和铁芯变压器绕组L₁-S₁-S₂，经过二极管D₁与D₂进入比较小的存贮电感器L₂并由L₂释放出来。当可饱和电感器的铁心不饱和时，卷绕着的铁芯性能像一个紧耦合的变压器，若其饱和时，初级绕组L₁与次级绕组S₁-S₂之间的相互耦合将大量消失。

如图2F在门脉冲之前当时间t＝0时，SCR₁上加有一个正向电压，比如为5Edc。当导通发生时，SCR结电阻由于雪崩几乎立即接近于零。于是5Edc电路电压转移到饱和电感器L₁的“P”匝初级绕组上。由于在图1的打点方向上施加电压时，铁芯是不饱和的，因此变压器的作用产生在次级S₁上（图2B），在S₁两端出现的感应电压为5Edc (S1)/(P) （ (S₁)/(P) 为匝数比）。二极管D₂是反向偏压，二极管D₁是正向偏压，所以，一个净电压〔5（Si/P）-1〕Edc加于存贮电感器L₂上。因电感的端电压为E＝L (di)/(dt) ，经次级S₁，二极管D₁和L₂流到电源的电流将按下面的速率上升：

(di₂)/(dt) = 1/(L₂) [( (S₁)/(P) )5-1]Edc

由于可饱和电感器的变压器作用，一个类似于 (P)/(S₁) 倍大的上升电流将经过初级“P”SCR₁流进负载电容器。

如图2C，2B和2D所示，存贮电感器电流i₂和SCR电流各自按线性持续上升，直到L₁的矩形环状铁芯在时刻t₁突然饱和时为止，见图2F。按设计，SCR电流在起动时间间隔（0到t₁）终止时还有几十安培;虽然相对于数千安培的SCR的主脉冲电流而言是小的，但是可以去扩大SCR的导通结区面积。当铁芯饱和时，初级与次级“P”（L₁）-S₁-S₂之间的相互耦合突然减少，如图2B所示。在初级侧，全部电路电压（略低于5Edc）加于初级绕组饱和电感L₁上，并且在 $\sqrt{L{}_{1}C{}_1}$ 秒的期间中由主电路对负载电容进行正弦再充电。

再回到次级侧，在时刻t₁，来自初级耦合的主电路的电压近似消失，剩余的（转换后）SCR的起动电流，经存贮电感L₂，二极管D₁、次级S₁的小饱和电感流入电源Edc。此流入电源的回路电流近似以下面的速率降为零：

(di₂)/(dt) ≈ (Edc)/(L₂)

这样就完成了所要求的过程，将存贮在L₂中（转换后的）SCR起动能量返回到电源中去。按饱和电感L₁的设计，在t₁到t₂的饱和时间间隔中（见图2F）初级与次级的耦合很少，仅有一小部分主放电能量转移到L₂中，与上述专利中的电路作用不同。如图2D所示，在主放电于t₂时刻终止之前，起动能量通过D的返回已全部完 成了。

主谐振放电电流，从峰值降到接近零时，具有相似的电路特性。由于主脉冲 (di)/(dt) 是负的，加在仍处于饱和状态的可饱和电感的初级L₁两端的电路电压，相对于图1的圆点是负的。当L₁的铁芯被脱离正向饱和区时，整个电路电压（此时，来至C₁的6Edc减去来至电源的Edc＝5Edc）以负的方向加在L₁的初级两端，见图2B。此时，经过次级S₂，二极管D₂和存贮电感L₂，在次级出现了一个流入电源Edc的电流跃升。当初级电流为负时，SCR的清除时间间隔就开始了，只要在SCR结中还剩有少数载流子，SCR两端的电压降就保持低值，反向通过SCR的电流保持直线增加，通过D₂的相应的次级电流也沿直线保续增长，如图2E所示，按照设计，当SCR关闭时，在反向SCR结电流终止前，在复位方向上L₁的铁芯不会饱和。当开始关闭时，SCR的反向电流很快下降到零，使可饱和电感初级上的电流变化 (di)/(dt) 由负向到正。相应地，存贮电感电流很快由D₂转换到D₁，其速率受次级S₁与S₂之间漏电感的限制，如图2D和2E所示，在一个短时间内，两个二极管D₁和D₂同时导通，使L₁的次级短路。此时，SCR结迅速重新获得了反向电压闭锁能力，从而除去了加于L₁初级的电路电压。二极管D₁和存贮电感L₂的作用是传送转换后的SCR清除电流，使其流入电源。在起动情况下，电流与Edc方向相反，可使清除能量返回电源。当通过D₁的导通中止时，仅有复位电流的磁动势加于可饱和铁芯。如图2B所示，在铁芯复原时，二次电压波形的末端，出现了一个小的相当长的电压脉冲。

图1电路的一个有用的特点是可饱和铁芯上的二个次级绕组 S₁-S₂，不需要有相同的匝数。例如此种类型的一个成功的电路，其匝数比对于起动电路部分为12∶5，对于清除电路为12∶7。这样，当SCR起动时，对于初级的有效电感可能不同于SCR清除时呈现的有效电感，因此，在峰起动电路与峰清除电路之间可选用互相独立的设计标准。一个不具有这种独立性的替换电路可采用有一个中心抽头的次级绕组，即S₁＝S₂，或者在一个单一的次级绕组两端采用一个常规的全波四个二极管桥路（未示出）。

本发明由图1所示的电路与前面提及的专利（图4）具有一些共同的目的，（a）减少SCR在导通和关闭期间的损耗是通过减少在这些临界期间加在SCR上的电压来实现的。（b）与采用电阻的先有技术电路相比，本电路以小得多的损耗实现了（a）的目的。还有一个附加的优点是基本上消除了SCR截止时的反向电压瞬变过程。如前所述，通常补救办法是在SCR₁两端采用一个串联的RC阻尼网路，但此网路要消耗掉很多功率。此外，本发明的二个电路减少了截止时的电流变化 (di)/(dt) ，从而使比例于L₁(di)/(dt) 的瞬态电压相应减少。本发明与其新电路的更为重要和新颖的贡献是除去了一个昂贵和有损耗的可饱和电感器，并且实现了使起动与清除能量立即返回电源。在前述专利电路中，复位电感器（L₃）在整个充电期间，保留了起动能量引起了某些功率损失（在R^′ ₁上）。采用本发明，图1中的第二电感L₂，如复位电感Lr一样，是一个小的廉价的电感，如前所述，其优点是不参与能量的交换或存贮。

这样，图1使单一的公共的可饱和电感网络能够适合于起动与清除两种电路的需要，这对SCR开关充电（或存贮）及放电能量供给主电路是必需的。如果需要，可以以推挽方式采用一对这样的电路， 每一个电路都具有一个上述的可饱和电感器（变压器）网络L₁-S₁-S₂。在本技术所擅长的领域中也会有进一步改进，这些改进被认为是本发明的精神与范围之中，正如在权利要求书中所确定的那样。

Claims (5)

1、由可饱和铁芯电感器装置组成的用于SCR脉冲发生器的起动和清除电路，在串联SCR开关装置的门控条件下，它能够进行能量的存贮和释放，特征在于上述电路的次级绕组装置由变压器形式同上述可饱和电感器装置耦合，此次级绕组的每一端通过各自的二极管装置和存贮电感同直流电源的一端相联，而电源的另一端联到上述次级绕组装置的中间抽头。

2、如权利要求1中所要求的起动和清除电路，其特征在于，上述的可饱和铁芯电感器装置进一步以变压器方式耦合到另一个绕组，通过一个复位电感提供复位电流。

3、如权利要求1中所要求起动与清除电路装置，其特征在于，它包括一个接收通过一个二极管装置来的电流跃升的装置，它利用流过SCR开关装置的相似的电流跃变去进行起动，直到上述的可饱和铁芯电感器装置饱和为止，并使此电流消失到零，同时，来自上述存贮电感的电流流进上述的电源;还包括一个电流接近于零时动作的装置，当放电电流反转时，饱和铁芯电感器装置脱离饱和，以产生另一个电流跃升，通过一个二极管装置并经存贮电感流入上述电源，它的作用是清除SCR结中的少数载流子和阻止反向电压瞬变过程，直到SCR开关装置复位并关闭为止。

4、如权利要求3中所要求的起动和清除电路，其特征在于，可饱和铁芯电感器装置与次级绕组装置的匝数比在所述的次级中间抽头每一边大约为12∶7和12∶5。

5、如权利要求1中所要求的起动与清除电路，其特征在于，装设有复位电路电感，它的耦合方式使此电感实质上不参与上述起动与清除电路的能量存贮和转换过程。