CN114726357B - 一种可关断晶闸管驱动电路及控制方法 - Google Patents

一种可关断晶闸管驱动电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可关断晶闸管驱动电路及控制方法，驱动电路包括驱动电源模块、关断电路以及开通电路4；驱动电源模块分别和关断电路以及开通电路4电性连接，实现驱动电源模块分别向关断电路以及开通电路4直接充电；关断电路与开通电路4电性连接，实现关断电路向开通电路4间接充电，从而可以实现关断电路以及开通电路4独立上电，满足驱动上电时的快速解锁需求。并且在可关断晶闸管驱动电路的上电瞬态过程中对电路模块上电时序进行控制，实现在特殊应用场合下开通模块可先于关断模块上电，当开通模块完成上电时即可具备开通能力，可关断晶闸管器件即可解锁运行，极大缩短了器件上电期间闭锁的时间。

Description

一种可关断晶闸管驱动电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种可关断晶闸管驱动电路及控制方法。
背景技术
集成门极换流晶闸管（IGCT）是一种用于大容量电力电子装置的新型开关器件，主要由封装在管壳内部的GCT芯片和集成在管壳外部的驱动构成。IGCT驱动主要承担的功能为接受上层控制系统的通信信号，并将其转换为用于开通和关断GCT芯片的电压电流信号。
除IGCT以外，门极关断晶闸管（GTO）、超级门极关断晶闸管（SGTO）等其他可关断晶闸管器件的驱动电路与IGCT十分类似，其驱动电路可使用相同或类似的方法进行改进。
现有可关断晶闸管驱动的主要电路模块如图1所示，包含电源模块、控制模块、保护模块、开通模块、关断模块五个部分。其中电源模块为其他模块提供稳定的电压及一定的输入功率；控制模块接收上层控制系统下发的开关指令，并向其他模块发送对应的控制信号；保护模块监测驱动及器件的关键参数，发生异常时做出必要的保护动作，并向上层控制系统发送反馈；开通模块能够产生特定波形的门极触发电流，使得可关断晶闸管芯片可靠开通；关断模块能够强迫可关断晶闸管芯片阴极电流迅速换流至门极而关断，且使芯片能够稳定阻断。在各个模块中，开通模块和关断模块占据了驱动总损耗的绝大部分，也是可关断晶闸管驱动电路的主体。
现有IGCT驱动的开通模块和关断模块中包含大量电容（开通模块在mF量级，关断电容在百mF量级），上电时为电容充电需要很大的瞬时功率（200W左右）以及较长的时间（数百ms），上电时开通模块与关断模块中的电容同时充电，待全部电路模块均上电完成后，整个驱动才能解锁运行。在某些应用场合下，IGCT驱动电源的输入功率受到限制（仅为数W），无法在短时间内使全部模块完成上电；同时上层系统又要求可关断晶闸管器件在最短的时间内具备部分开通功能，从而能够实现受控开通以及电流过零自然关断，器件即可解除闭锁，系统整体可进入半控运行模式；待较长时间之后，整个驱动完成上电，具备受控开通和受控关断的能力，系统进入全控运行模式。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种可关断晶闸管驱动电路及控制方法。
本发明通过如下技术方案实现：
本发明提供一种可关断晶闸管驱动电路，包括驱动电源模块、关断电路以及开通电路；
所述驱动电源模块分别和所述关断电路以及开通电路电性连接，实现所述驱动电源模块分别向所述关断电路以及开通电路直接充电；
所述关断电路与所述开通电路电性连接，实现所述关断电路向所述开通电路间接充电。
进一步的，所述关断电路包括第一变换器、第一电容器以及第一开关元件；
所述第一变换器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第一变换器的输出端与所述第一电容器的正极电性连接，所述第一电容器的负极与驱动电源模块的接地端电性连接；
所述第一开关元件的一端与所述第一电容器的负极电性连接，所述第一开关元件的另一端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述第一开关元件实现将可关断晶闸管芯片的芯片门极与所述第一电容器的负极电性连接。
进一步的，所述关断电路包括第一电容器和第一开关元件；
所述第一电容器的正极与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第一电容器的负极与驱动电源模块的接地端电性连接；
所述第一开关元件的一端与所述第一电容器的负极电性连接，所述第一开关元件的另一端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述第一开关元件实现将可关断晶闸管芯片的芯片门极与所述第一电容器的负极电性连接。
进一步的，所述开通电路包括第二变换器、第二电容器以及触发电路；
所述第二变换器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二变换器的输出端与所述第二电容器的正极电性连接，所述第二电容器的负极与所述驱动电源模块的接地端电性连接；
所述触发电路的输入端与所述第二电容器的正极电性连接，所述触发电路的输出端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述触发电路实现将所述第二电容器的正极与可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接。
进一步的，所述开通电路包括第二电容器以及触发电路；
所述第二电容器的正极与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二电容器的负极与所述驱动电源模块的接地端电性连接；
所述触发电路的输入端与所述第二电容器的正极电性连接，所述触发电路的输出端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述触发电路实现将所述第二电容器的正极与可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接。
进一步的，还包括充电选择模块，所述充电选择模块包括第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的正极与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第一二极管的负极与所述第二变换器的输入端电性连接；
所述第二二极管的正极与所述第一变换器的输出端电性连接，所述第二二极管的负极与所述第二变换器的输入端电性连接。
进一步的，还包括第三变换器，所述第三变换器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第三变换器的输出端与所述第一二极管的正极电性连接。
进一步的，所述第一电容器的负极与所述第二电容器的负极电性连接。
进一步的，所述第一电容器的正极用于和所述可关断晶闸管芯片的芯片阴极电性连接；
所述第一开关元件的一端还与所述第二电容器的负极电性连接。
进一步的，所述第一变换器包括第二开关元件、第一电感器以及第三二极管；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端分别和所述第一电感器的输入端以及第三二极管的负极电性连接；
所述第一电感器的输出端与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第三二极管的正极分别和第一电容器的负极以及驱动电源模块的接地端电性连接。
进一步的，所述第二变换器包括第三开关元件、第二电感器以及第四二极管；
所述第二电感器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二电感器的输出端分别和所述第三开关元件的一端以及第四二极管的正极电性连接；
所述第四二极管的负极与所述第二电容器的正极电性连接；
所述第三开关元件的另一端分别与所述第二电容器的负极以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
进一步的，所述第一变换器包括第二开关元件以及充电限流电阻；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端与所述充电限流电阻的输入端电性连接，所述充电限流电阻的输出端与所述第一电容器的正极电性连接。
进一步的，所述第一变换器包括第二开关元件、第三电感器、第五二极管以及第四开关元件；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端与所述第三电感器的输入端连接，所述第三电感器的输出端分别与所述第四开关元件的一端以及第五二极管的正极电性连接；
所述第五二极管的负极与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第四开关元件的另一端分别与所述第一电容器的负极以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
进一步的，所述第一变换器包括第二开关元件、第四电感器、第三电容器、第六二极管以及第五电感器；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端与所述第四电感器的输入端以及第三电容器的负极电性连接，所述第三电容器的正极与所述第六二极管的负极以及第五电感器的输入端电性连接；
所述第五电感器的输出端与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第六二极管的正极与所述第一电容器的负极电性连接；
所述第四电感器的输出端与所述第六二极管的正极以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
进一步的，所述第一变换器包括第二开关元件、第五开关元件、第六电感器、第六开关元件以及第七开关元件；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的输入端电性连接，所述第二开关元件的另一端分别与所述第五开关元件的一端以及第六电感器的输入端电性连接；
所述第六电感器的输出端分别与所述第六开关元件的一端以及第七开关元件的一端电性连接，所述第七开关元件的另一端与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第六开关元件的另一端与所述第一电容器的负极电性连接；
所述第五开关元件的另一端分别与所述第六开关元件的另一端以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
进一步的，所述第一变换器包括第二开关元件、耦合变压器、整流器以及第七二极管；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端分别与第七二极管的负极以及耦合变压器的源边一端电性连接，所述耦合变压器的副边与所述整流器的输入端电性连接，所述整流器的第一输出端与所述第一电容器的正极电性连接，所述整流器的第二输出端与所述第一电容器的负极电性连接；
所述耦合变压器的源边另一端与所述第一电容器的负极电性连接；
所述第七二极管的正极分别与所述耦合变压器的源边另一端以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
进一步的，本发明提供所述的可关断晶闸管驱动电路的控制方法，包括上电瞬态过程控制，所述上电瞬态过程控制包括如下步骤：
开始上电操作，等待驱动电源模块的电压达到第一预设值，然后通过驱动电源模块对开通电路进行充电操作；
判断开通电路的电压是否达到第二预设值，若开通电路的电压达到第二预设值，则开通电路解锁，关断电路部分解锁，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和电流自然过零关断能力；同时通过驱动电源模块对关断电路进行充电操作；
判断关断电路的电压是否达到第三预设值，若关断电路的电压达到第三预设值，则关断电路全部解锁，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和主动关断能力，然后上电结束。
进一步的，还包括正常稳态工作期间控制；
根据可关断晶闸管器件的种类以及应用的工况不同，所述正常稳态工作期间控制包括过零重触发型控制和过零闭锁型控制。
进一步的，所述过零重触发型控制包括如下步骤：
当可关断晶闸管器件处于反向承压或反并联二极管通流的状态，并出现电压反向过零的条件，若收到开通信号，则开通电路动作，关断电路不动作，可关断晶闸管器件重新触发开通并切换至正向通流状态。
进一步的，所述过零闭锁型控制包括如下步骤：
当可关断晶闸管器件处于反向承压或反并联二极管通流的状态，并出现电压反向过零的条件，在收到开通信号或者关断信号时，开通电路不动作，关断电路动作，可关断晶闸管器件保持关断锁闭并切换至正向承压状态；
当处于正向承压状态期间再次收到开通信号时，可关断晶闸管器件解除锁闭，触发开通并切换至正向通流状态。
进一步的，所述过零重触发型控制的应用工况包括逆导器件、反并联二极管的非对称器件、反并联的双向开关的逆阻器件、非对称器件与二极管串联之后进行反并联的组合器件。
进一步的，所述过零闭锁型控制的应用工况包括逆阻器件、串联二极管的非对称器件。
和最接近的现有技术比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供一种可关断晶闸管驱动电路，关断电路由驱动电源模块直接充电，开通电路由驱动电源模块直接充电或通过关断电路间接充电，从而可以实现关断电路以及开通电路独立上电，满足驱动上电时的快速解锁需求。
并且在上述可关断晶闸管驱动电路的上电瞬态过程中对电路模块上电时序进行控制，具体是开始上电操作后，等待驱动电源模块的电压达到第一预设值，进而通过驱动电源模块对开通电路进行充电操作，判断开通电路的电压是否达到第二预设值，若开通电路的电压达到第二预设值，则开通电路解锁，关断电路部分解锁，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和电流自然过零关断能力；同时通过驱动电源模块对关断电路进行充电操作，判断关断电路的电压是否达到第三预设值，若关断电路的电压达到第三预设值，则关断电路全部解锁，使得可关断晶闸管器件 具备主动开通和主动关断能力，实现在特殊应用场合下开通模块可先于关断模块上电，当开通模块完成上电时即可具备开通能力，可关断晶闸管器件即可解锁运行，极大缩短了器件上电期间闭锁的时间。待关断模块上电完成后，器件具备关断能力。
本发明的可关断晶闸管驱动电路在正常运行时关断模块和电源模块均可向开通模块供电，开通期间开通模块释放的电荷又重新注入关断模块，提高了能量的利用率，减小了驱动整体损耗。
本发明还针对上述可关断晶闸管驱动电路在正常稳态工作期间提供运行控制方法，包括过零重触发型控制方法以及过零闭锁型控制方法，可以实现在不同的应用工况下的灵活调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有可关断晶闸管的驱动电路分模块示意图。
图2为本发明的一种可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图3为本发明的另一种可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图4为基于图2的第一种优选方式的可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图5为基于图2的第二种优选方式的可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图6为基于图2的第三种优选方式的可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图7为基于图2的第四种优选方式的可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图8为基于图2的第五种优选方式的可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图9为基于图2的第六种优选方式的可关断晶闸管的驱动电路结构示意图。
图10为本发明上电瞬态过程控制的流程示意图。
图11为本发明正常稳态工作期间控制的流程示意图。
其中，1、可关断晶闸管芯片；11、芯片阳极；12、芯片阴极；13、芯片门极；2、驱动电源模块；3、关断电路；31、第一电容器；32、第一开关元件；33、第一变换器；331、第二开关元件；332、第一电感器；333、第三二极管；334、充电限流电阻；335、第三电感器；336、第五二极管；337、第四开关元件；338、第四电感器；339、第三电容器；340、第六二极管；341、第五电感器；342、第五开关元件；343、第六电感器；344、第六开关元件；345、第七开关元件；346、耦合变压器；347、整流器；348、第七二极管；4、开通电路；41、第二电容器；42、触发电路；43、第二变换器；431、第三开关元件；432、第二电感器；433、第四二极管；51、第一二极管；52、第二二极管；6、第三变换器。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。
在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“优选实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，所述替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。
在本文的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
如图2所示，本发明提供一种新型可关断晶闸管驱动电路，包括驱动电源模块2、关断电路3、开通电路4。
驱动电源模块2分别和关断电路3以及开通电路4电性连接，实现驱动电源模块2分别向所述关断电路3以及开通电路4直接充电。
关断电路3与开通电路4电性连接，实现关断电路3向开通电路4间接充电。
具体的，驱动电源模块2的输入电源可以通过外部直接输入，也可以对外部输入电源进行简单的降压、整流等产生。
关断电路3包括第一变换器33、第一电容器31以及第一开关元件32；
第一变换器33的输入端与驱动电源模块2的正极电性连接，第一变换器33的输出端与第一电容器31的正极电性连接，第一电容器31的负极与驱动电源模块2的接地端电性连接；
第一开关元件32的一端与第一电容器31的负极电性连接，第一开关元件32的另一端用于和可关断晶闸管芯片1的芯片门极13电性连接；
并通过控制第一开关元件32实现将可关断晶闸管芯片1的芯片门极13与第一电容器31的负极电性连接。
开通电路4包括第二变换器43、第二电容器41以及触发电路42；
第二变换器43的输入端与驱动电源模块2的正极电性连接，第二变换器43的输出端与第二电容器41的正极电性连接，所述第二电容器41的负极与驱动电源模块2的接地端电性连接；
触发电路42的输入端与第二电容器41的正极电性连接，触发电路42的输出端用于和可关断晶闸管芯片1的芯片门极13电性连接；
并通过控制触发电路42实现将可关断晶闸管芯片1的芯片门极13与第二电容器41的正极电性连接。
通过上述的关断电路3、开通电路4与驱动电源模块2的电性连接关系，驱动电源模块2通过第一变换器33向第一电容器31充电，驱动电源模块2通过第二变换器43向第二电容器41充电，实现了驱动电源模块2分别向关断电路3以及开通电路4直接充电。
进一步的，可关断晶闸管驱动电路还包括第三变换器6以及充电选择模块，第三变换器6的输入端与驱动电源模块2的正极电性连接，第三变换器6的输出端与第二变换器43的输入端电性连接，即驱动电源模块2通过第三变换器6向第二变换器43进行充电操作。
充电选择模块包括第一二极管51和第二二极管52；
第一二极管51的正极与第三变换器6的输出端电性连接，第一二极管51的负极与第二变换器43的输入端电性连接；
第二二极管52的正极与第一变换器33的输出端电性连接，第二二极管52的负极与第二变换器43的输入端电性连接。
通过设置充电选择模块，可以通过驱动电源模块2依次经第三变换器6、第一二极管51、第二变换器43为第二电容器41充电，也可以通过第一电容器31、第二二极管52、第二变换器43为第二电容器41充电。
具体的，驱动电源模块2通过第一变换器33为第一电容器31充电的过程中，当第一电容器31电压低于驱动电源模块2时，第二二极管52反偏，驱动电源模块2依次通过第三变换器6、第一二极管51、第二变换器43为第二电容器41充电，当第二电容器41的电压高于驱动电源模块2时，第一二极管51反偏，第一电容器31依次通过第二二极管52、第二变换器43为第二电容器41充电，即不仅能够通过驱动电源模块2向开通电路4进行直接充电，也可以通过关断电路3向开通电路4进行间接充电。
通常情况下，第一电容器31的容值远大于第二电容器41的容值，第二电容器41的电压高于第一电容器31的电压。
作为优选实施方式，在上述可关断晶闸管驱动电路中，将第一电容器31的正极用于和可关断晶闸管芯片1的芯片阴极12电性连接，第一开关元件32的一端与第二电容器41的负极电性连接，结合前述的第一开关元件32的另一端用于和可关断晶闸管芯片1的芯片门极13电性连接以及第一开关元件32的一端与第一电容器31的负极电性连接，当可关断晶闸管关断时，第一开关元件32闭合，第一电容器31和第一开关元件32共同作用，在可关断晶闸管芯片1的芯片阴极12和芯片门极13两端施加正向电压，实现可关断晶闸管的快速关断并维持阻断状态。
并且将第一电容器31的负极与第二电容器41的负极电性连接，当可关断晶闸管开通时，第一开关元件32断开，第二电容器通41过触发电路42向可关断晶闸管芯片1的芯片门极13注入电流，实现可关断晶闸管的触发开通并维持导通状态，注入芯片门极13的电流从芯片阴极12流出，回到第一电容器31内，即当可关断晶闸管开通时，第二电容器41通过触发电路42以及可关断晶闸管向第一电容器31放电，在可关断晶闸管开通期间，实现了开通模块释放的电荷又重新注入关断模块，提高了能量的利用率，减小了驱动整体损耗。
但在可关断晶闸管开通时，由于第二电容器41中的电荷经过可关断晶闸管芯片1的芯片门极13以及芯片阴极12，注入第一电容器31内，会使第一电容器31的电压升高。此时由于第一二极管51以及第二二极管52的存在，当第一电容器31的电压高于驱动电源模块2的电压时，会由第一电容器31替代驱动电源模块2向第二变换器43供电，从而泄放掉第一电容器31中多余的电荷，使第一电容器31电压维持稳定，在可关断晶闸管关断时不会因第一电容器31的电压过高造成可关断晶闸管损坏。
需要说明的是，上述可关断晶闸管驱动电路中，第一变换器33、第二变换器43、第三变换器6均为广义的变换器，任何可以实现直流功率传输、电压变换的电路均可用于实现上述功能。此类电路包含但不限于导线直接相连、通过开关元件、通过电阻或电感、各类直流斩波电路、高频自耦变压器、互感器等。只要符合上述三个典型特征描述的电路实现均在本电路的保护范围之内，如图3所示，即将第一变换器33、第二变换器43、第三变换器6替换为导线直接连接方案。
此外，根据实际应用的需求，第一开关元件32、触发电路42、第一变换器33、第二变换器43以及第三变换器6中的一个或多个可以增加使能控制输入端口，由驱动的控制模块决定各部分电路的投切时序及相互配合关系。
下面针对上述的图2中的第一变换器33以及第二变换器43进一步提供优选实施例，具体如下：
1.针对第二变换器：
如图4所示，第二变换器43包括第三开关元件431、第二电感器432以及第四二极管433。
第二电感器432的输入端与第一二极管51以及第二二极管52的负极电性连接，第二电感器432的输出端分别和第三开关元件431的一端以及第四二极管433的正极电性连接。
第四二极管433的负极与第二电容器41的正极电性连接。
第三开关元件431的另一端分别与第二电容器41的负极以及第一电容器31的负极电性连接。
在第三开关元件431断开且第二电感器432中无电流时，第二电容器41通过第一二极管51以及第二二极管52进行充电操作，在第三开关元件431闭合时，第二电感器432通过第一二极管51以及第二二极管52进行充电并储能，在第三开关元件431断开且第二电感器432中有电流时，第二电感器432中存储的能量一并转移至第二电容器41中，所以第二电容器41的电压可充至高于驱动电源模块2以及第一电容器31的电压。
2.针对第一变换器33：
第一优选实施例：
如图4所示，第一变换器33包括第二开关元件331、第一电感器332以及第三二极管333。
第二开关元件331的另一端与驱动电源模块2的正极电性连接，第二开关元件331的另一端分别和第一电感器332的输入端以及第三二极管333的负极电性连接。
第一电感器332的输出端与第一电容器31的正极电性连接。
第三二极管333的正极分别和第一电容器31的负极以及驱动电源模块2的接地端电性连接。
在第二开关元件331断开且第一电感器332中无电流时，第一电容器31不充电；在第二开关元件331闭合时，驱动电源模块2通过第二开关元件331以及第一电感器332向第一电容器31充电，同时第一电感器332中储能；在第二开关元件331断开且第一电感器332中有电流时，第一电感器332向第一电容器31充电，因此第一电容器31的电压最高充至驱动电源模块2的电压。
第二优选实施例：
如图5所示，第一变换器33包括第二开关元件331以及充电限流电阻334；
第二开关元件331的一端与驱动电源模块2的正极电性连接，第二开关元件331的另一端与充电限流电阻334的输入端电性连接，充电限流电阻334的输出端与第一电容器31的正极电性连接。
在第二开关元件331断开时，第一电容器31不充电；在第二开关元件331闭合时，驱动电源模块2通过第二开关元件331、充电限流电阻334向第一电容器31充电，因此第一电容器31的电压最高充至驱动电源模块2的电压。
第三优选实施例：
如图6所示，第一变换器33包括第二开关元件331、第三电感器335、第五二极管336以及第四开关元件337。
第二开关元件331的一端与驱动电源模块2的正极电性连接，第二开关元件331的另一端与第三电感器335的输入端连接，第三电感器335的输出端分别与第四开关元件337的一端以及第五二极管336的正极电性连接。
第五二极管336的负极与第一电容器31的正极电性连接。
第四开关元件337的另一端分别与第一电容器31的负极以及驱动电源模块2的接地端电性连接。
在第二开关元件331断开时，第一电容器31不充电；在第二开关元件331闭合时，驱动电源模块2通过第三电感器335、第五二极管336以及第四开关元件337向第一电容器31充电，具体的，在第四开关元件337断开且第三电感器335中无电流时，第一电容器31由驱动电源模块2和第二开关元件331充电；在第四开关元件337闭合时，第三电感器335由驱动电源模块2和第二开关元件331充电并储能；在第四开关元件337断开且第三电感器335中有电流时，第三电感器335中存储的能量一并转移至第一电容器31。因此第一电容器31的电压可充至高于驱动电源模块2的电压。
第一电容器31的电压可充至高于驱动电源模块2的电压，但在稳定运行时第一电容器31的电压不会低于驱动电源模块2的电压；
在第三电感器335中有电流时，先断开第四开关元件337，使得第三电感器335中存储的能量全部转移至第一电容器31后才能断开第二开关元件331。
第四优选实施例：
如图7所示，第一变换器33包括第二开关元件331、第四电感器338、第三电容器339、第六二极管340以及第五电感器341。
第二开关元件331的一端与驱动电源模块2的正极电性连接，第二开关元件331的另一端与第四电感器338的输入端以及第三电容器339的负极电性连接，第三电容器339的正极与第六二极管340的负极以及第五电感器341的输入端电性连接。
第五电感器341的输出端与第一电容器31的正极电性连接。
第六二极管340的正极与第一电容器31的负极电性连接。
第四电感器338的输出端与第六二极管340的正极以及驱动电源模块2的接地端电性连接。
在第二开关元件331断开且第四电感器338、第五电感器341中无电流时，第一电容器31不充电；在第二开关元件331闭合时，驱动电源模块2通过第二开关元件331向第四电感器338充电，同时第四电感器338中储能；在第二开关元件331断开且第四电感器338中有电流时，第四电感器338通过第六二极管340向第三电容器339充电；当第四电感器338中能量全部转移至第三电容器339时，第三电容器339通过第五电感器341向第一电容器31充电，同时第五电感器341中储能；当第三电容器339的电压低于第一电容器31时，第五电感器341通过第六二极管340和第一电容器31续流，继续向第一电容器31充电。所以第一电容器31的电压可充至高于驱动电源模块2的电压，且在稳定运行时，第一电容器31的电压可以高于、低于或者等于驱动电源模块2的电压。
第五优选实施例：
如图8所示，第一变换器33包括第二开关元件331、第五开关元件342、第六电感器343、第六开关元件344以及第七开关元件345。
第二开关元件331的一端与驱动电源模块2的输入端电性连接，第二开关元件331的另一端分别与第五开关元件342的一端以及第六电感器343的输入端电性连接。
第六电感器343的输出端分别与第六开关元件344的一端以及第七开关元件345的一端电性连接，第七开关元件345的另一端与第一电容器31的正极电性连接。
第六开关元件344的另一端与第一电容器31的负极电性连接。
第五开关元件342的另一端分别与第六开关元件344的输出端以及驱动电源模块2的接地端电性连接。
在第二开关元件331断开且第六电感器343中无电流时，第一电容器31不充电；通过第二开关元件331、第五开关元件342、第六开关元件344、第七开关元件345不同的开关配合关系，本领域技术人员可参考现有技术实现电路工作在buck、boost、一半时间buck一半时间boost等不同的状态，实现输入和输出电压的灵活配合，。所以第一电容器31的电压可充至高于驱动电源模块2的电压，且在稳定运行时，第一电容器31的电压可以高于、低于或者等于驱动电源模块2的电压。
第六优选实施例：
如图9所示，第一变换器33包括第二开关元件331、耦合变压器346、整流器347以及第七二极管348。
第二开关元件331的一端与驱动电源模块2的正极电性连接，第二开关元件331的另一端分别与第七二极管348的负极以及耦合变压器346的源边一端电性连接，耦合变压器346的副边与整流器347的输入端电性连接，整流器347的第一输出端与第一电容器31的正极电性连接，整流器347的第二输出端与第一电容器31的负极电性连接。
耦合变压器346的源边另一端与整流器347的第二输出端以及第一电容器31的负极电性连接。
第七二极管348的正极分别与耦合变压器346的源边另一端以及驱动电源模块2的接地端电性连接。
在第二开关元件331断开且耦合变压器346中无电流时，第一电容器31不充电；通过第二开关元件331的开关动作以及第七二极管348的续流，耦合变压器346的源边产生交变电流，副边产生相应的交变电压，最终通过整流器347整流后为第一电容器31充电。由于耦合变压器346的变比可调，因此在稳定运行时第一电容器31的电压可以高于、低于或等于驱动电源模块2的电压。
需要说明的是，上述优先实施例中第二变换器43电路全部以boost电路实现，第三变换器6电路全部以导线直连实现，仅对第一变换器33可行的实现电路进行了一定程度的列举。由于广义的变换器种类繁多，第一变换器33、第二变换器43以及第三变换器6三个电路又可以进行各种排列组合，相关领域人员可以根据专业知识轻松获得，此处不再进行列举。
进一步的，针对上述可关断晶闸管驱动短路，在可关断晶闸管驱动的上电瞬态过程以及正常稳态工作期间控制，分别提供对应控制方法进行控制操作。
其中，如图10所示，上电瞬态过程控制包括如下步骤：
上电开始前，无法进行开通以及关断操作，具体是驱动电路所有电容均无电压，第一变换器、第二变换器以及第三变换器均不动作，触发电路、第一开关元件处于闭锁状态（其中触发电路默认阻断状态，第一开关元件默认开通）。
开始上电操作，具体是通过外部电源向驱动电源模块供电，此时开通电路4以及关断电路3均不充电（具体是第一电容器和第二电容器均不充电），等待驱动电源模块的电压达到第一预设值，然后通过驱动电源模块对开通电路4进行充电操作（具体是第三变换器和第二变换器动作，驱动电源模块向第二电容器进行充电）；
判断开通电路4的电压是否达到第二预设值（具体是判断第二电容器的电压是否达到第二预设值）；
若开通电路4的电压未达到第二预设值，则通过驱动电源模块继续对开通电路4进行充电操作；
若开通电路4的电压达到第二预设值，则开通电路4解锁，关断电路3部分解锁，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和电流自然过零关断能力（具体是触发电路解锁，可向芯片门极13注入触发电流，同时第一开关元件部分解锁，即在触发电路注入触发电流时，第一开关元件关断，但是第一开关元件不能在可关断晶闸管芯片1的芯片阳极11有电流时主动开通，只能在可关断晶闸管芯片1的芯片阳极11电流自然过零时开通）；同时通过驱动电源模块对关断电路3进行充电操作（具体是第一变换器动作，第一电容器开始充电），继续判断关断电路3的电压是否达到第三预设值（具体是第一电容器的电压是否达到第三预设值）；
若关断电路3的电压未达到第三预设值，则继续通过驱动电源模块对关断电路3进行充电操作；
若关断电路3的电压达到第三预设值，则关断电路3全部解锁（具体是第一开关元件全部功能解锁），即在任何时刻均可控制开通和关断，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和主动关断能力，然后上电结束，此后开通电路4以及关断电路3全部功能解锁（具体是第一变换器、第二变换器以及第三变换器均正常工作，且触发电路、第一开关元件全部功能解锁）。
需要说明的是，这里的第一预设值的选取根据第一变换器、第二变换器以及第三变换器电路具体实现方式的不同，可能有不同的取值。第一预设值根据第一变换器33的功能有不同设置要求，若第一变换器33仅实现升压功能，则第一预设值小于20V，若第一变换器33仅实现降压功能，则第一预设值大于20V，若第一变换器33同时要具备升压和降压功能，则第一预设值可在20V上下灵活调整，第二预设值通常大于20V，第三预设值通常为20V。
稳态工作期间可关断晶闸管器件所处的运行状态具有X（器件正向通流）、Y（器件关断、正向承压）、Z（器件关断，反向承压或反并联二极管通流）三种，根据收到的开通关断信号以及主回路电压电流的正反向过零情况，可关断晶闸管驱动需要做出不同的动作来进行响应。根据可关断晶闸管器件的种类以及应用的工况不同，正常稳态工作期间控制包括过零重触发型控制和过零闭锁型控制。
如图11所示，过零重触发型控制包括如下步骤：
可关断晶闸管器件处于反向承压或反并联二极管通流的状态，此时开通电路4不动作，关断电路3动作（具体是触发电路不动作，第一开关元件开通），当出现电压反向过零的条件，若收到开通信号，则开通电路4动作，关断电路3不动作（具体是触发电路动作，第一开关元件关断），可关断晶闸管器件重新触发开通并切换至正向通流状态。
如图10所示，过零闭锁型控制包括如下步骤：
可关断晶闸管器件处于反向承压或反并联二极管通流的状态，此时开通电路4不动作，关断电路3动作（具体是触发电路不动作，第一开关元件开通），当出现电压反向过零的条件，在收到开通信号或者关断信号时，开通电路4不动作，关断电路3动作（具体是触发电路不动作，第一开关元件开通），可关断晶闸管器件保持关断锁闭并切换至正向承压状态。
当处于正向承压状态期间再次受到开通信号时，可关断晶闸管器件解除锁闭，触发开通并切换至正向通流状态。
其中，上述过零重触发型控制的应用工况包括但不限于单/双向开关应用，例如逆导器件、反并联二极管的非对称器件、反并联的逆阻器件、非对称器件与二极管串联之后进行反并联的组合器件。
过零闭锁型控制的应用工况包括但不限于串联桥臂应用，例如逆阻器件、串联二极管的非对称器件。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (22)

1.一种可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，包括驱动电源模块、关断电路以及开通电路；所述驱动电源模块分别和所述关断电路以及开通电路电性连接，实现所述驱动电源模块分别向所述关断电路以及开通电路直接充电；所述关断电路与所述开通电路电性连接，仅当所述开通电路的电压高于所述驱动电源模块的电压时，所述关断电路向所述开通电路间接充电。
2.根据权利要求1所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述关断电路包括第一变换器、第一电容器以及第一开关元件；所述第一变换器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第一变换器的输出端与所述第一电容器的正极电性连接，所述第一电容器的负极与驱动电源模块的接地端电性连接；所述第一开关元件的一端与所述第一电容器的负极电性连接，所述第一开关元件的另一端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；并通过控制所述第一开关元件实现将可关断晶闸管芯片的芯片门极与所述第一电容器的负极电性连接。
3.根据权利要求1所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述关断电路包括第一电容器和第一开关元件；
所述第一电容器的正极与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第一电容器的负极与驱动电源模块的接地端电性连接；
所述第一开关元件的一端与所述第一电容器的负极电性连接，所述第一开关元件的另一端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述第一开关元件实现将可关断晶闸管芯片的芯片门极与所述第一电容器的负极电性连接。
4.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，
所述开通电路包括第二变换器、第二电容器以及触发电路；
所述第二变换器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二变换器的输出端与所述第二电容器的正极电性连接，所述第二电容器的负极与所述驱动电源模块的接地端电性连接；
所述触发电路的输入端与所述第二电容器的正极电性连接，所述触发电路的输出端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述触发电路实现将所述第二电容器的正极与可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接。
5.根据权利要求1所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，
所述开通电路包括第二电容器以及触发电路；
所述第二电容器的正极与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二电容器的负极与所述驱动电源模块的接地端电性连接；
所述触发电路的输入端与所述第二电容器的正极电性连接，所述触发电路的输出端用于和可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接；
并通过控制所述触发电路实现将所述第二电容器的正极与可关断晶闸管芯片的芯片门极电性连接。
6.根据权利要求4所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括充电选择模块，所述充电选择模块包括第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的正极与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第一二极管的负极与所述第二变换器的输入端电性连接；
所述第二二极管的正极与所述第一变换器的输出端电性连接，所述第二二极管的负极与所述第二变换器的输入端电性连接。
7.根据权利要求6所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第三变换器，所述第三变换器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第三变换器的输出端与所述第一二极管的正极电性连接。
8.根据权利要求4所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一电容器的负极与所述第二电容器的负极电性连接。
9.根据权利要求4所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，
所述第一电容器的正极用于和所述可关断晶闸管芯片的芯片阴极电性连接；
所述第一开关元件的一端还与所述第二电容器的负极电性连接。
10.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一变换器包括第二开关元件、第一电感器以及第三二极管；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端分别和所述第一电感器的输入端以及第三二极管的负极电性连接；
所述第一电感器的输出端与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第三二极管的正极分别和第一电容器的负极以及驱动电源模块的接地端电性连接。
11.根据权利要求4所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第二变换器包括第三开关元件、第二电感器以及第四二极管；
所述第二电感器的输入端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二电感器的输出端分别和所述第三开关元件的一端以及第四二极管的正极电性连接；
所述第四二极管的负极与所述第二电容器的正极电性连接；
所述第三开关元件的另一端分别与所述第二电容器的负极以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
12.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一变换器包括第二开关元件以及充电限流电阻；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端与所述充电限流电阻的输入端电性连接，所述充电限流电阻的输出端与所述第一电容器的正极电性连接。
13.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一变换器包括第二开关元件、第三电感器、第五二极管以及第四开关元件；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端与所述第三电感器的输入端连接，所述第三电感器的输出端分别与所述第四开关元件的一端以及第五二极管的正极电性连接；
所述第五二极管的负极与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第四开关元件的另一端分别与所述第一电容器的负极以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
14.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一变换器包括第二开关元件、第四电感器、第三电容器、第六二极管以及第五电感器；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端与所述第四电感器的输入端以及第三电容器的负极电性连接，所述第三电容器的正极与所述第六二极管的负极以及第五电感器的输入端电性连接；
所述第五电感器的输出端与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第六二极管的正极与所述第一电容器的负极电性连接；
所述第四电感器的输出端与所述第六二极管的正极以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
15.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一变换器包括第二开关元件、第五开关元件、第六电感器、第六开关元件以及第七开关元件；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的输入端电性连接，所述第二开关元件的另一端分别与所述第五开关元件的一端以及第六电感器的输入端电性连接；
所述第六电感器的输出端分别与所述第六开关元件的一端以及第七开关元件的一端电性连接，所述第七开关元件的另一端与所述第一电容器的正极电性连接；
所述第六开关元件的另一端与所述第一电容器的负极电性连接；
所述第五开关元件的另一端分别与所述第六开关元件的另一端以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
16.根据权利要求2所述的可关断晶闸管驱动电路，其特征在于，所述第一变换器包括第二开关元件、耦合变压器、整流器以及第七二极管；
所述第二开关元件的一端与所述驱动电源模块的正极电性连接，所述第二开关元件的另一端分别与第七二极管的负极以及耦合变压器的源边一端电性连接，所述耦合变压器的副边与所述整流器的输入端电性连接，所述整流器的第一输出端与所述第一电容器的正极电性连接，所述整流器的第二输出端与所述第一电容器的负极电性连接；
所述耦合变压器的源边另一端与所述第一电容器的负极电性连接；
所述第七二极管的正极分别与所述耦合变压器的源边另一端以及所述驱动电源模块的接地端电性连接。
17.一种权利要求1所述的可关断晶闸管驱动电路实现的控制方法，其特征在于，包括上电瞬态过程控制，所述上电瞬态过程控制包括如下步骤：
开始上电操作，等待驱动电源模块的电压达到第一预设值，然后通过驱动电源模块对开通电路进行充电操作；
判断开通电路的电压是否达到第二预设值，若开通电路的电压达到第二预设值，则开通电路解锁，关断电路部分解锁，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和电流自然过零关断能力；同时通过驱动电源模块对关断电路进行充电操作；
判断关断电路的电压是否达到第三预设值，若关断电路的电压达到第三预设值，则关断电路全部解锁，使得可关断晶闸管器件具备主动开通和主动关断能力，然后上电结束。
18.根据权利要求17所述的可关断晶闸管驱动电路实现的控制方法，其特征在于，还包括正常稳态工作期间控制；
根据可关断晶闸管器件的种类以及应用的工况不同，所述正常稳态工作期间控制包括过零重触发型控制和过零闭锁型控制。
19.根据权利要求18所述的可关断晶闸管驱动电路实现的控制方法，其特征在于，所述过零重触发型控制包括如下步骤：
当可关断晶闸管器件处于反向承压或反并联二极管通流的状态，并出现电压反向过零的条件，若收到开通信号，则开通电路动作，关断电路不动作，可关断晶闸管器件重新触发开通并切换至正向通流状态。
20.根据权利要求18所述的可关断晶闸管驱动电路实现的控制方法，其特征在于，所述过零闭锁型控制包括如下步骤：
当可关断晶闸管器件处于反向承压或反并联二极管通流的状态，并出现电压反向过零的条件，在收到开通信号或者关断信号时，开通电路不动作，关断电路动作，可关断晶闸管器件保持关断锁闭并切换至正向承压状态；
当处于正向承压状态期间再次收到开通信号时，可关断晶闸管器件解除锁闭，触发开通并切换至正向通流状态。
21.根据权利要求19所述的可关断晶闸管驱动电路实现的控制方法，其特征在于，所述过零重触发型控制的应用工况包括逆导器件、反并联二极管的非对称器件、反并联的双向开关的逆阻器件、非对称器件与二极管串联之后进行反并联的组合器件。
22.根据权利要求20所述的可关断晶闸管驱动电路实现的控制方法，其特征在于，所述过零闭锁型控制的应用工况包括逆阻器件、串联二极管的非对称器件。
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