CN1140043C - 大功率门极可关断晶闸管门极驱动控制单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率门极可关断晶闸管门极驱动控制单元，包括电源环节、开通环节、关断及反偏环节、逻辑环节、导通恒流环节和关断恒压恒流环节，对外部门控电源冲击小，精度高，充电时间短，同时，导通恒流环节和关断恒压恒流环节的恒流作用使门控单元在负载发生故障时具有自保功能。
Description
本发明涉及一种大功率GTO门权驱动控制单元。
对于由功率开关元件GTO(GATE TURN off Thyristor)组成的变流器，门极驱动技术是其中的一项关键技术，现有的GTO门控单元虽然能够完成门极驱动的基本功能，但也存在以下缺点：
(1)门扭维持电流由+5V电源通过限流电阻产生，电阻损耗大；且门极维持电流的大小随GTO门、阴极间负载的变化而变化；
(2))门控单元输出特性依赖外部门控电源的输出精度，自身无调节能力；
(3)在负载发生故障时，门控单元无自保护功能；
(4))在门控单元开通、关断过程结束后，给开通电容、关断电容充电的过程中，充电电流初期大，对外部门控电源冲击大，在充电过程后期，充电电流过小，以至充电时间过长。
本发明的目的即是为克服以上现有大功率GTO门极驱动控制单元的缺点，提供一种损耗小、门极维持电流稳定、精度高、对外部门控电源冲击小、充电时间短，并且具有自保护功能，尤其适合工作在高压大电流场合的大功串GTO门极控制单元。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：包括电源环节1、开通环节2、关断及反偏环节3、逻辑环节4；从上级门控电源来的脉冲信号输入至电源坪节1，产生的直流电源输出至门控单元各环节；控制系统的控制信号由光纤输入逻辑环节4，GTO工作状态通过光纤传输至控制系统；逻辑环节4的开通信号输入至开通坪节2，在开通期间，该开通环节2产生门极电流中高而陡(即di/dt较大)的正脉冲电流输出至GTO门极；逻辑环节4的关断信号输入至关断及反偏环节3，在关断期间，该关断及反偏环节3产生门极电流中高而陡的负脉冲电流输出至GTO门极；其特征是还包括导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6，所述的导通恒流环节5的输出端与开通环节2相连接，导通恒流环节5的控制输入端与逻辑环节4相连接；所述的关断恒压恒流环节6的输出端与关断及反偏环节3相连接，关断恒压恒流环节6的控制输入端与逻辑环节4相连接，所述的导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6均通过电源环节1与上级门控电源来的脉冲信号相连；在GTO关断期间，导通恒流环节5以恒定的电流给导通电容充电；在GTO开通期间关断恒压恒流环节6给关断电容充电。
所述的导通恒流环节5中，场效应管均采用N沟道；第一场效应管Vcp1的栅极与逻辑环节4中的第一控制器Controller1输出端相连接，该导通恒流环节5中门极可关断晶闸管门极电流回路中的第一采样电阻Rf1的高电位端与第一控制器Controller1的输入端相连接；第一场效应管Vcp1的漏极与电源环节1中的第一直流电源输出端的正极相接，其源极与第一二极管Vd1的阳极相接，第一二极管Vd1、第二二极管Vd2的阴极相接后与电感器第一L1相连，该第一电感器L1的另一端则连接开通环节2中第三场效应管Von漏极与电容器Con和电阻器Ron串联电路的连接点；开通环节2中门极可关断晶闸管的阴极与第一采样电阻器Rf1相连，其连接点同时与第一控制器Controller1的输入端相连接，第一采样电阻器Rf1的另一端与第二二极管Vd2阳极相连后与电源环节1的电源地相连；
所述的关断恒压恒流环节6的场效应管均为N沟道型的，第二场效应管Vcp2的栅极与逻辑环节4中的第二控制器Controller2输出端相连接，关断恒压恒流环节6中GTO门极电流回路中的第二采样电阻器Rf2的高电位端与第二控制器Controller2的第一输入端连接，第三电感器L3与关断及反偏环节3电路中关断电容Coff与GTO阴极的连接点与第二控制器Controller2的第二输入端相连接，所述第二场效应管Vcp2的漏极与电源环节1中的第二直流电源输出端的正极相接，其源极与第四二极管Vd4的阳极相接，第三二极管Vd3、第三二极Vd4的阴极相接后与第三电感器L3相连，该第三电感器L3的另一端则连接关断电容器Coff；该关断电容器Coff的另一端与第二采样电阻器Rf2相连，其连接点同时与第二控制器Controller2的第一输入端相连接，第二采样电阻器Rf2的另一端与第三二极管Vd3阳极相连后与电源环节1的电源地相连。
所述的导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6的场效应管也可以均为P沟道型。
所述的导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6的控制导通与关断的元件为三极管。
与现技术相比，本发明的大功率GTO门极驱动控制单元具有电源环节以及导通恒流环节和关断恒压怀流环节，对外部门控电源冲击小，精度提高，具有自保功能；又由于开通电容和关断电容经过导通恒流环节和关断恒压恒流环节的预充电，充电时间缩短了，同时，逻辑环节实时监测GTO门极电流，向控制系统反馈。
以下结合实施例和附图详细描述本发明。
图1为本发明的原理框图；
图2为电源环节电路原理图；
图3为逻辑环节门极电流检测电路；
图4为导通恒流环节电路原理图；
图5为Vcp1导通时导通恒流环节电路拓扑原理图；
图6为导通恒流环节的Vcp1的控制信号及门极电流波形图；
图7为Vcp1关断时导通恒流环节电路拓扑原理图；
图8为关恒压恒流环节电路原理图。
如图1所示，本实施例采用的技术方案是：包括电源环节1、开通环节2、关断及反偏环节3、逻辑环节4；从上极门控电源来的脉冲信号输入至电源环节1，产生的直流电源输出至门控单元各环节；控制系统的控制信号由光纤输入逻辑环节4，GTO工作状态通过光纤传输至控制系统；逻辑环节4的开通信号输入至开通环节2，在开通期间，该开通环节2产生门极电流中高而陡(即di/dt较大)的正脉冲电流输出至GTO门极；逻辑环节4的关断信号输入至关断及反偏环节3，在关断期间，该关断及反偏环节3产生门极电流中高而陡的负脉冲电流输出至GTO门极；其特征是还包括导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6，所述的导通恒流环节5的输出端与开通环节2相连接，导通恒流环节5的控制输入端与逻辑环节4相连接；所述的关断恒压恒流环节6的输出端与关断及反偏环节3相连接，关断恒压恒流环节6的控制输入端与逻辑环节4相连接，所述的导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6的控制输入端与逻辑环节4相连接，所述的导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6均通过电源环节1与上极门控电源来的脉冲信号相连；在GTO关断期间关断恒压恒流环节6给关断电容充电。
如图2所示，在电源环节1中，从上级门控电源来的脉冲电压信号由电源变压器T1变压后经整流二极管D1、D2、滤波电容器C1整流滤波，二极管D1、D2的阴极相连接成为第一直流电源输出端，输出至导通恒流环节5，整流二级管D1、D2的阳极分别与电源变压器T1第一次级的两端相连，滤波电容器C1接于第一直流电源输出端与第一次级中间抽头之间；整流二极管D3、D4的阳极分别与电源变压器T1的第二次级的两端相连。阴极相连成为第二直流电源输出端，输出至关断恒压恒流环节6，滤波电容器C2接于第二直流电源输出端与第二次级中间抽头之间。
如图3所示，在逻辑环节4中设有一个门极电流检测电路。该电路包括一个门极电流感应线圈L2，感应线圈L2的两端分别与桥式整流器B1的输入端相连接，桥式整流器B1的输出端通过电阻器R4与比较器NB的一个输入端相连接，而比较器的另一个输入端与接于+5V基准电压和电源地之间的，由电阻器R3、R5组成的串联电路的中间接点相连接。比较器NB的输出端信号输出至逻辑环节4。
如图4所示，图中点划线框中的电路为导通恒流环节5，在本实施例的导通恒流环节5中，场效应管均为N沟道型的，第一场效应管Vcp1的栅极与逻辑环节4中的第一控制器Controller1输出端相连接，导通恒流环节5中GTO门极电流回路中的第一采样电阻器Rf1的高电位端与第一控制器Controller1的第一输入端连接，第一场效应管Vcp1的漏极与电源环节1中的第一直流电源输出端的正极相接，第一场效应管Vcp1的漏极与电源环节1中的第一直流电源输出端的正极相接，其源极与第一二极管Vd1的阳极相接，第一二极管Vd1、第一二极管Vd2的阴极相接后与第一电感器L1相连，该第一电感器L1的另一端则连接开通环节2中第三场效应管Von漏极与电容器Con和电阻器Ron串联电路的连接点；开通环节2中GTO的阴极与第一采样电阻器Rf1相连，其连接点同时与第一控制器Controller1的输入端相连接，第一采样电阻器Rf1的另一端与第二二极管Vd2阳极相连后与电源环节1的电源地相连。
该导通恒流环节5是这样工作的，图5为Vcp1导通时导通恒流环节电路拓扑原理图；图6为Vcp1的控制信号及门极电流波形图。在GTO导通期间，场效应管Von一直为通态，当GTO门极维持电流iG小于给定值IG时，控制器Controller1从第一采样电阻器Rf1上获得该电流信号iG与给定值IG进行比较，经调节后，于t1时刻场效应管Vcp1导通，由于第一电感器L1的作用，GTO门极维持电流iG以一定的di/dt上升，如图6中t1～t2时间间隔的波形；当门极维持电流iG大于给定值IG后，经控制器Controller1的调节，于t2时刻场效应管Vcp1关断，Vcp1关断后的电路拓扑图如图7，门极维持电流iG开始下降，如图6中t2～t3时间间隔内的波形所示，至t3时刻后又开始重复上述过程。
导通恒流环节5的引入使GTO门极维持电流iG稳定，门控单元输出特性输出精度提高，有效地克服了上述第1、2、4条缺点。
如图8所示，图中点划线框内的电路为关断恒压恒流环节6的电路原理图，同样地，本实施例中的关断恒压恒流环节6的场效应管均为N沟道型的，第二场效应管Vcp2的栅极与逻辑环节4中的第二控制器Controller2输出端相连接，关断恒压恒流环节6中GTO门极电流回路中的第二采样电阻器Rf2的高电位端与第二控制器Controller2的第一输入端连接，第三电感器L3与关断及反偏环节3电路中关断电容Coff与GTO阴极的连接点与第二控制器Controller2的第二输入端相连接，所述第二场效应管Vcp2的漏极与电源环节1中的第二直流电源输出端的正极相接，其源极与第四二极管Vd4的阳极相接，第三二极管Vd3、第三二极Vd4的阴极相接后与第三电感器L3相连，该第三电感器L3的另一端则连接关断电容器Coff；该关断电容器Coff的另一端与第二采样电阻器Rf2相连，其连接点同时与第二控制器Controller2的第一输入端相连接，第二采样电阻器Rf2的另一端与第三二极管Vd3阳极相连后与电源环节1的电源地相连。
关断恒压恒流环节6在控制器上增加了一个恒压环节，完成以恒定的电流给关断电容器Coff充电，并使该关断电容器Coff上的电压恒定在-15V。
导通恒流环节5和关断恒压恒流环节6两个环节恒流环的恒流作用，使得门控单元在负载发生故障时具有自保护能力。此外，电源环节1还能隔离上极门控电源与主电路，提高系统抗干扰能力。
以上实施例中场效应管采用N沟道型，但P沟道场效应管也同样可以达到同样效果，只是在采用P沟道场效应管时，电路的具体连接方式要有相应改变；同样地，还可用其它控制电路通断的元件如三级管来等效替代场效应管，其效果也是一样的。
Claims (3)
1、一种大功率门极可关断晶闸管门极驱动控制单元，包括电源环节(1)、开通环节(2)、关断及反偏环节(3)、逻辑环节(4)，其特征是还包括导通恒流环节(5)和关断恒压恒流环节(6)；所述的导通恒流环节(5)的输出端与开通环节(2)相连接，导通恒流环节(5)的控制输入端与逻辑环节(4)相连接；所述的关断恒压恒流环节(6)的输出端与关断及反偏环节(3)相连接，关断恒压恒流环节(6)的控制输入端与逻辑环节(4)相连接，所述的导通恒流环节(5)和关断恒压恒流环节(6)均通过电源环节(1)与上级门控电源来的脉冲信号相连；在GTO关断期间，导通恒流环节(5)以恒定的电流给导通电容充电；在GTO开通期间关断恒压恒流环节(6)给关断电容充电；
所述的导通恒流环节(5)中，场效应管均采用N沟道； 第一场效应管(Vcp1)的栅极与逻辑环节(4)中的第一控制器(Controller1)输出端相连接，该导通恒流环节(5)中门极可关断晶闸管门极电流回路中的第一采样电阻器(Rf1)的高电位端与第一控制器(Controller1)的输入端相连接；第一场效应管(Vcp1)的漏极与电源环节(1)中的第一直流电源输出端的正极相接，其源极与第一二极管(Vd1)的阳极相接，第一二极管(Vd1)、第二二极管(Vd2)的阴极相接后与第一电感器(L1)相连，该第一电感器(L1)的另一端则连接开通环节(2)中第三场效应管(Von)漏极与电容器(Con)和电阻器(Ron)串联电路的连接点；开通环节(2)中门极可关断晶闸管的阴极与第一采样电阻器(Rf1)相连，其连接点同时与控制器第一(Controller1)的输入端相连接，第一采样电阻器(Rf1)的另一端与第二二极管(Vd2)阳极相连后与电源环节(1)的电源地相连；
所述的关断恒压恒流环节(6)的场效应管均为N沟道型的，第二场效应管(Vcp2)的栅极与逻辑环节(4)中的第二控制器(Controller2)输出端相连接，关断恒压恒流环节(6)中门极可关断晶闸管门极电流回路中的第二采样电阻器(Rf2)的高电位端与第二控制器(Controller2)的第一输入端连接，第三电感器(L3)与关断及反偏环节(3)电路中关断电容(Coff)与门极可关断晶闸管阴极的连接点与第二控制器(Controller2)的第二输入端相连接，所述第二场效应管(Vcp2)的漏极与电源环节(1)中的第二直流电源输出端的正极相接，其源极与第四二极管(Vd4)的阳极相接，第三二极管(Vd3)、第四二极管(Vd4)的阴极相接后与第三电感器(L3)相连，该第三电感器(L3)的另一端则连接关断电容器(Coff)；该关断电容器(Coff)的另一端与第二采样电阻器(Rf2)相连，其连接点同时与第二控制器(Controller2)的第一输入端相连接，第二采样电阻器(Rf2)的另一端与第三二极管(Vd3)阳极相连后与电源环节(1)的电源地相连。
2、如权利要求1所述的大功率门极可关断晶闸管门极驱动控制单元，其特征在于所述的导通恒流环节(5)和关断恒压恒流环节(6)的场效应管均为P沟道型。
3、如权利要求1所述的大功率门极可关断晶闸管门极驱动控制单元，其特征在于所述的导通恒流环节(5)和关断恒压恒流环节(6)的控制导通与关断的元件为三极管。
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