CN108075757B - 一种大功率gto的驱动控制电路 - Google Patents

一种大功率gto的驱动控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率GTO的驱动控制电路，属于大功率可控晶闸管驱动控制技术领域。本发明将驱动控制电路分为逻辑控制电路和能量输出电路两部分，两部分从电源能量的提供和控制信号的输出都实现了可靠的电气隔离，同时，所述驱动控制电路的逻辑控制均通过模拟电路实现，没有代码编程的需要，大大增加了所述驱动控制电路的抗电磁干扰能力。同时，逻辑控制电路通过各个控制单元间的精确配合，在导通关断的不同阶段，实现能量输出电路各个能量单元平滑切换和无缝连接。最终驱动控制电路可以安全可靠地驱动控制GTO，实现开通和关断幅值最高为3500A的直流电流。

Description

一种大功率GTO的驱动控制电路
技术领域
大功率GTO(门极可关断晶闸管)的驱动实现问题一直是制约GTO大规模应用的主要因素。本发明设计了一种大功率GTO的驱动控制电路，可靠稳定地实现GTO开通和关断，属于大功率可控晶闸管驱动控制技术领域。
背景技术
GTO作为一种高电压大电流双极性全控型器件，具备耐压高、容量大、抗浪涌能力强、控制方便等优点，现已在机车牵引、高功率交流电机调速系统、大功率电力电子变换等多个领域做为核心部件得到广泛应用。由于GTO本身的结构特点，其开通和关断是靠门极控制，驱动功率远远高于普通的晶闸管，硬件实现难度大。同时，驱动GTO的能量脉冲的陡度、宽度、幅值以及后沿均是影响GTO能否可靠关断的重要因素。因此对GTO的门极驱动性能提出了很高的要求。
申请号为2016104040878的发明专利公开了一种门极可关断晶闸管低导通维持电路及控制方法，虽然可实现GTO驱动电路的逻辑控制，但是控制单元采用FPGA控制芯片，需要针对控制逻辑进行代码编写，实现过程复杂，控制芯片的引入也降低了驱动电路的电磁兼容性，而逻辑控制芯片与驱动能量电路没有可靠进行电气隔离，也降低了整体驱动控制的可靠性。
发明内容
本发明给出了一种大功率GTO的驱动控制电路，将驱动控制电路分为逻辑控制电路和能量输出电路两部分，两部分从电源能量的提供和控制信号的输出都实现了可靠的电气隔离，同时，所述驱动控制电路的逻辑控制均通过模拟电路实现，没有代码编程的需要，大大增加了所述驱动控制电路的抗电磁干扰能力。同时，逻辑控制电路通过各个控制单元间的精确配合，在导通关断的不同阶段，实现能量输出电路各个能量单元平滑切换和无缝连接。最终驱动控制电路可以安全可靠地驱动控制GTO，实现开通和关断幅值最高为3500A的直流电流。
本发明提供的一种大功率GTO的驱动控制电路，包括逻辑控制电路和能量输出电路，所述的逻辑控制电路包括+15V逻辑回路、+5V逻辑回路和-15V逻辑回路三部分，三个逻辑回路完成GTO驱动控制电路的逻辑控制功能，并将各自的逻辑控制驱动信号传输给能量输出电路的各个能量回路；所述的能量输出电路包括+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路、-15V关断能量回路、-5V反偏回路和驱动主回路五部分，其中+15V开通能量回路是使得GTO开通的能量提供电路，+5V正偏能量回路是为了有效维持GTO导通状态的电路，-15V关断能量回路是使得GTO关断的能量电路，-5V反偏回路是保证GTO可靠关断的电路；所有能量回路均通过驱动主回路最后到达GTO门阴极。
本发明的优点在于：
1、本发明的驱动控制电路由模拟电路构成，无需软件编程，减少了因逻辑编写错误导致的驱动电路故障。同时模拟电路抗电磁干扰能力强，提高了驱动控制电路在大功率场合下运行时的功能可靠性。
2、通过对逻辑控制电路的合理设置，保证GTO开通前、开通、维持导通、关断、维持关断等不同阶断，均对GTO进行平稳可靠的驱动控制。各个阶断不间断切换和过渡平滑的优点，保证了驱动控制的可靠性。正偏和反偏回路的加入有效保证了GTO维持导通和关断状态，防止GTO因外界干扰而导致误动作或损坏。其中反偏回路通过合理设置，对其他回路均不构成干扰和影响。
3、通过对能量输出电路的合理设计，为GTO提供了足够的驱动能量和足够快的能量输出速度，保证GTO在大电流时的有效关断。同时，能量输出回路的限幅设置，保证了驱动电路自身的安全性和GTO的安全性。
附图说明
图1为+15V开通能量回路示意图。
图2为+5V正偏能量回路示意图。
图3为-15V关断能量回路示意图。
图4为-5V反偏能量回路示意图。
图5为驱动主回路示意图。
图6为能量回路驱动输出时序示意图。
图7为本发明的一种大功率GTO的驱动控制电路的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种大功率GTO的驱动控制电路进行详细说明。
本发明提供一种大功率GTO的驱动控制电路，如图7所示，包括：逻辑控制电路和能量输出电路。所述的逻辑控制电路包括+15V逻辑回路、+5V逻辑回路和-15V逻辑回路三部分，三个逻辑回路完成GTO驱动控制电路的逻辑控制功能，并将各自的逻辑控制驱动信号传输给能量输出电路的各个能量回路。所述的能量输出电路包括+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路、-15V关断能量回路、-5V反偏回路和驱动主回路五部分。其中+15V开通能量回路是使得GTO开通的能量提供电路，+5V正偏能量回路是为了有效维持GTO导通状态的电路，-15V关断能量回路是使得GTO关断的能量电路，-5V反偏回路是保证GTO可靠关断的电路。所有能量回路均需通过驱动主回路最后到达GTO门阴极。
+15V开通能量回路如图1所示，由隔离电源1、电阻R1、二极管D1、极性电解电容C1、贴片电容C2、电阻R2、N型场效应管MOS1、电阻R3、+15V逻辑回路、二极管D2构成。隔离电源1和极性电解电容C1的正向之间设置电阻R1和二极管D1，隔离电源1和极性电解电容C1的负极接地GND，贴片电容C2与极性电解电容C1并联，在贴片电容C2正极和场效应管MOS1漏极之间串接电阻R2，场效应管MOS1的栅极和源极之间并联接入电阻R3和+15V逻辑回路，场效应管MOS1源极接二极管D2的正极，二极管D2负极接后端的驱动主回路。其中隔离电源1通过电阻R1、二极管D1向极性电解电容C1和贴片电容C2充电。电阻R1用于控制充电速度。二极管D1用于防止电容能量倒灌，保护隔离电源1。极性电解电容C1和贴片电容C2用于给GTO开通提供驱动能量，其中极性电解电容C1是主要能量来源，贴片电容C2用于提高场效应管MOS1开通瞬间驱动电流的产生速度。场效应管MOS1是用于控制驱动能量是否流向GTO门阴极的开关。电阻R3用于泄放场效应管MOS1门极电容能量，以提高场效应管MOS1开通和关断速度。+15V逻辑回路用于给场效应管MOS1开通和关断信号。二极管D2用于控制能量流动方向。
+5V正偏能量回路如图2所示，由隔离电源2、电阻R3、二极管D3、极性电解电容C3、贴片电容C4、电阻R4、N型场效应管MOS2、电阻R5、+5V逻辑回路、二极管D4构成。隔离电源2和极性电解电容C3的正向之间依次设置电阻R3和二极管D3，隔离电源2和极性电解电容C3的负极接地GND，极性电解电容C3与贴片电容C4并联，在极性电解电容C3正极和场效应管MOS2漏极之间串接电阻R4，场效应管MOS2的栅极和源极之间接入并联的电阻R5和+5V逻辑回路，场效应管MOS2源极接二极管D4的正极，二极管D4负极接后端的驱动主回路。其中隔离电源2通过电阻R3、二极管D3向极性电解电容C3和贴片电容C4充电。电阻R3用于控制充电速度。二极管D3用于防止电容能量倒灌，保护隔离电源2。极性电解电容C3和贴片电容C4用于给GTO开通提供驱动能量，其中极性电解电容C3是主要能量来源，贴片电容C4用于提高场效应管MOS2开通瞬间驱动电流的产生速度。场效应管MOS2是用于正偏电压是否接入GTO门阴极的开关。电阻R5用于泄放场效应管MOS2门极电容能量，以提高场效应管MOS2开通和关断速度。+5V逻辑回路用于给场效应管MOS2开通和关断信号。二极管D4用于控制能量流动方向。
-15V关断能量回路如图3所示，由隔离电源3、电阻R6、二极管D5、极性电解电容C5、贴片电容C6、贴片电容C7、贴片电容C8、IGBT功率模块、电阻R7、-15V逻辑回路构成。隔离电源3和极性电解电容C5的负极之间依次设置电阻R6和二极管D5，隔离电源3和极性电解电容C5的正极接地GND，极性电解电容C5与贴片电容C6～C8并联，极性电解电容C5负极接IGBT功率模块的发射极，IGBT功率模块的门极和发射极之间接入并联的电阻R7和-15V逻辑回路，IGBT功率模块的集电极接驱动主回路。其中隔离电源3通过电阻R6和二极管D5向极性电解电容C5和三个贴片电容C6、C7和C8充电。电阻R6用于控制充电速度。二极管D5用于防止电容能量倒灌，保护隔离电源3。极性电解电容C5、贴片电容C6、贴片电容C7和贴片电容C8用于给GTO关断提供驱动能量，其中极性电解电容C5是主要能量来源，贴片电容C6、贴片电容C7和贴片电容C8用于提高IGBT功率模块开通瞬间驱动电流的产生速度。IGBT功率模块是用于反偏驱动能量是否接入GTO门阴极的开关。电阻R7用于泄放IGBT功率模块的门极电容能量，以提高IGBT功率模块开通和关断速度。-15V逻辑回路用于给IGBT功率模块开通和关断信号。
-5V反偏回路如图4所示，由隔离电源4、电阻R8、二极管D6、极性电解电容C9构成。隔离电源4与极性电解电容C9并联后正极接地GND，极性电解电容C9负极和二极管D6负极之间串接电阻R8，二极管D6正极接的驱动主回路。其中隔离电源4用于给极性电解电容C9提供反偏能量。电阻R8用于与+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路和-15V关断能量回路导通时进行能量限制，进而不影响其他回路的正常工作。二极管D6用于控制反偏能量流动方向。
驱动主回路如图5所示，由电感L1、电阻R9～R12、二极管D7～D10、电阻R13～R17、稳压管DZ1、稳压管DZ2、电阻18构成。二极管D7与电阻R9、二极管D8与电阻R10、二极管D9与电阻R11、二极管D10与电阻R12分别串联后再与电感L1并联，电感L1前接能量回路，包括+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路、-15V关断能量回路和-5V反偏回路，电感L1后接由电阻13、电阻14、电阻15、电阻16和电阻18构成的电阻并联组合，电阻并联组合的另一端接GTO的门极，GTO的阴极接地，稳压管DZ1和DZ2串联后与电阻R18并联接入GTO的门极和阴极之间。其中稳压管DZ1的负极与GTO门极连接，DZ1的正极与DZ2的正极连接，DZ2的负极接地。驱动主回路是+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路、-15V关断能量回路和-5V反偏回路的能量流向GTO门阴极的必经通道。其中电感L1用于控制-15V关断能量回路的电流上升速度。二极管D7～D10和电阻R9～R12用于给+15V开通能量回路和+5V正偏能量回路提供快速的能量流通路径，并且电阻R9～R12用于限值开通时刻驱动电流幅值而设置的电阻。电阻R13～R17是用于进一步限制开通和关断时刻驱动主回路电流幅值而设置的保护电阻。稳压管DZ1和稳压管DZ2用于限制驱动电压幅值，防止过大的驱动电压对GTO构成损坏。电阻R18用于泄放GTO门极电容能量，提高GTO导通和关断速度。
应用本发明的驱动控制电路，结合图6和图7，在T0时刻，驱动控制电路的电源上电，同时-5V反偏回路导通，并且该-5V反偏回路不会因为其他控制回路的导通动作而切断。在GTO门阴极便施加-5V的反偏电压，一方面防止外界干扰信号的误动作影响，另一方面，可在关断能量输出结束后持续给门阴极之间施加反压，保证有效关断。
T1时刻，逻辑控制电路动作电平检测，检测到了动作指令信号且对于信号电压值大于等于Ua时，信号经过削抖后，同时进入到+15V逻辑回路、+5V逻辑回路和-15V逻辑回路。其中+15V逻辑回路在监测到动作指令信号的同时，该+15V逻辑回路输出一个脉宽为51.7us(T2-T1)脉冲信号，该脉冲信号进入能量输出电路中驱动+15V开通能量回路的MOSFET，使得该回路向GTO门极施加+15V的驱动电压，R2决定驱动电流的幅值，使得GTO导通。在+15V逻辑回路输出脉冲信号的同时，+5V逻辑回路输出一个脉宽为640ms(该脉宽需大于所能预设的最大导通时间)的脉冲信号，该脉冲信号进入能量回路中驱动开通+5V正偏能量回路的MOSFET，但由于+15V开通能量回路输出电压+15V高于+5V正偏能量回路的+5V和二极管D4的电压箝位作用，使得GTO门极在T2时刻之前始终处于被+15V开通能量回路驱动的状态。
T2时刻，+15V开通能量回路输出结束，GTO门阴极自动接入+5V正偏电压，R4决定驱动电流，可靠地保证GTO维持导通状态。
动作指令信号进入时间延迟电路，经过预设的延迟时间(T3-T2)后的T3时刻，一方面输出给+5V逻辑回路NE555一个闭锁信号，使得+5V逻辑回路的输出脉冲结束，另一方面使得-15V逻辑回路输出脉宽为100us的脉冲信号，该脉冲信号进入能量输出电路驱动开通-15V关断能量回路的IGBT功率模块，GTO门极被施加-15V的驱动电压，驱动主回路中电阻R13～R17决定驱动电流，该驱动电流反向灌入GTO门阴极，抽出载流子，使得GTO由导通态变为关断态。
T4时刻，-15V关断能量回路输出结束，-5V反偏回路自动接入GTO门阴极，使得驱动电压后沿更加平缓，保证GTO的可靠关断，抑制GTO的误导通。

Claims (2)

1.一种大功率GTO的驱动控制电路，其特征在于：包括：逻辑控制电路和能量输出电路，所述的逻辑控制电路包括+15V逻辑回路、+5V逻辑回路和-15V逻辑回路三部分，三个逻辑回路完成GTO驱动控制电路的逻辑控制功能，并将各自的逻辑控制驱动信号传输给能量输出电路的各个能量回路；所述的能量输出电路包括+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路、-15V关断能量回路、-5V反偏回路和驱动主回路五部分，其中+15V开通能量回路是使得GTO开通的能量提供电路，+5V正偏能量回路是为了有效维持GTO导通状态的电路，-15V关断能量回路是使得GTO关断的能量电路，-5V反偏回路是保证GTO可靠关断的电路；所有能量回路均通过驱动主回路最后到达GTO门阴极；
+15V开通能量回路由隔离电源1、电阻R1、二极管D1、极性电解电容C1、贴片电容C2、电阻R2、N型场效应管MOS1、电阻R3、+15V逻辑回路、二极管D2构成，隔离电源1和极性电解电容C1的正向之间设置电阻R1和二极管D1，隔离电源1和极性电解电容C1的负极接地GND，贴片电容C2与极性电解电容C1并联，在贴片电容C2正极和场效应管MOS1漏极之间串接电阻R2，场效应管MOS1的栅极和源极之间并联接入电阻R3和+15V逻辑回路，场效应管MOS1源极接二极管D2的正极，二极管D2负极接后端的驱动主回路；
+5V正偏能量回路由隔离电源2、电阻R3、二极管D3、极性电解电容C3、贴片电容C4、电阻R4、N型场效应管MOS2、电阻R5、+5V逻辑回路、二极管D4构成，隔离电源2和极性电解电容C3的正向之间依次设置电阻R3和二极管D3，隔离电源2和极性电解电容C3的负极接地GND，极性电解电容C3与贴片电容C4并联，在极性电解电容C3正极和场效应管MOS2漏极之间串接电阻R4，场效应管MOS2的栅极和源极之间接入并联的电阻R5和+5V逻辑回路，场效应管MOS2源极接二极管D4的正极，二极管D4负极接后端的驱动主回路；
-15V关断能量回路由隔离电源3、电阻R6、二极管D5、极性电解电容C5、贴片电容C6、贴片电容C7、贴片电容C8、IGBT功率模块、电阻R7、-15V逻辑回路构成，隔离电源3和极性电解电容C5的负极之间依次设置电阻R6和二极管D5，隔离电源3和极性电解电容C5的正极接地GND，极性电解电容C5与贴片电容C6～C8并联，在极性电解电容C5负极接IGBT功率模块的发射极，IGBT功率模块的门极和发射极之间接入并联的电阻R7和-15V逻辑回路，IGBT功率模块的集电极接驱动主回路；
-5V反偏回路由隔离电源4、电阻R8、二极管D6、极性电解电容C9构成，隔离电源4与极性电解电容C9并联后正极接地GND，极性电解电容C9负极和二极管D6负极之间串接电阻R8，二极管D6正极接的驱动主回路；
驱动主回路由电感L1、电阻R9～R12、二极管D7～D10、电阻R13～R17、稳压管DZ1、稳压管DZ2、电阻18构成；二极管D7与电阻R9、二极管D8与电阻R10、二极管D9与电阻R11、二极管D10与电阻R12分别串联后再与电感L1并联，电感L1前接能量回路，包括+15V开通能量回路、+5V正偏能量回路、-15V关断能量回路和-5V反偏回路，电感L1后接由电阻13、电阻14、电阻15、电阻16和电阻18构成的电阻并联组合，电阻并联组合的另一端接GTO的门极，GTO的阴极接地，稳压管DZ1和DZ2串联后与电阻R18并联接入GTO的门极和阴极之间；其中稳压管DZ1的负极与GTO门极连接，DZ1的正极与DZ2的正极连接，DZ2的负极接地。
2.根据权利要求1所述的一种大功率GTO的驱动控制电路，其特征在于：
在T0时刻，驱动控制电路的电源上电，同时-5V反偏回路导通，并且该-5V反偏回路不会因为其他控制回路的导通动作而切断；在GTO门阴极便施加-5V的反偏电压；
T1时刻，逻辑控制电路动作电平检测，检测到了动作指令信号且对于信号电压值大于等于Ua时，信号经过削抖后，同时进入到+15V逻辑回路、+5V逻辑回路和-15V逻辑回路；其中+15V逻辑回路在监测到动作指令信号的同时，该+15V逻辑回路输出一个脉宽为51.7us脉冲信号，该脉冲信号进入能量输出电路中驱动+15V开通能量回路的MOSFET，使得该回路向GTO门极施加+15V的驱动电压，使得GTO导通；在+15V逻辑回路输出脉冲信号的同时，+5V逻辑回路输出一个脉宽为640ms的脉冲信号，该脉冲信号进入能量回路中驱动开通+5V正偏能量回路的MOSFET，GTO门极在T2时刻之前始终处于被+15V开通能量回路驱动的状态；
T2时刻，+15V开通能量回路输出结束，GTO门阴极自动接入+5V正偏电压；
动作指令信号进入时间延迟电路，经过预设的延迟时间后的T3时刻，一方面输出给+5V逻辑回路NE555一个闭锁信号，使得+5V逻辑回路的输出脉冲结束，另一方面使得-15V逻辑回路输出脉宽为100us的脉冲信号，该脉冲信号进入能量输出电路驱动开通-15V关断能量回路的IGBT功率模块，GTO门极被施加-15V的驱动电压，驱动主回路中电阻R13～R17决定驱动电流，该驱动电流反向灌入GTO门阴极，抽出载流子，使得GTO由导通态变为关断态；
T4时刻，-15V关断能量回路输出结束，-5V反偏回路自动接入GTO门阴极，保证GTO的可靠关断，抑制GTO的误导通。
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