CN1369131A - 固态开关的高效驱动电路 - Google Patents
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Abstract
与本发明一致的系统包括一个触发电路,用于触发具有一个控制端的硅设备,其中该硅设备容易受本征控制需求变化的影响。该述触发电路包括一个直流(DC)供电电压源,以及一个DC－DC电流型Buck转换器,用于转换供电电压为一个输出DC电流,该DC电流不易受到由于供电电压的变化导致的不想望变化的影响,该Buck转换器提供控制端一个导通该硅设备所需的最小电流,而不管本征控制需求是否变化。该硅设备可包括一个可控硅整流器(SCR),其具有栅极端、阳极端以及阴极端,而且其中控制端为栅极端,其中本征控制需求的变化为本征栅极对阴极控制电流和电压需求的变化。
Description
技术领域
本发明涉及用于切换固态设备的驱动电路，尤其涉及用于切换可控硅整流器的驱动电路。
背景技术
电动机经常使用 “可控硅整流器”(“SCRs”)，也称为“半导体闸流管”，作为电机控制电路的一部分。SCR可被认为是一个可切换的二极管，具有三个端子：栅极、阳极和阴极。如果在该SCR的阳极和阴极之间施加一个小于击穿电压的供电电压，而不施加栅极“触发”电流或电压(触发信号)，则该SCR“截止”，即，从阳极到阴极没有电流流过。如果施加栅极一个触发信号，则该SCR的击穿电压下降到小于阳极和阴极之间施加的电压，而且该SCR“导通”，即，电流通过该SCR从阳极流到阴极。如果通过SCR的电流保持高于保持电流的话，该半导体闸流管一旦导通就能保持导通，而不论栅极有无触发信号。为使阳极到阴极电压在SCR之间下降最小，以及使在SCR耗散的功率最小，在栅极施加触发信号的时间应与电流从阳极流过阴极的时间一样长。为使SCR截止，阳极到阴极电流必须下降到一个低于该设备的保持电流值的值。
触发电路，或驱动电路，提供触发器信号来导通SCR。设计人员在设计触发电路时要考虑两个变量。首先，触发电路的电源通常是DC电源，因此可能出现不想要的电压起伏。这些不想要的电压起伏通常是通过从降压器得到DC电压源导致的，这种降压器包括从交流(AC)电源线馈入的一个全波电桥和一个电容性输入滤波器。这些不想要的电压起伏是由AC电源线变化和变压器负载调节效果造成的。第二，栅极触发电压，即，触发SCR所需的栅极到阴极电压随SCR而异。另外，必需的触发电压信号取决于SCR是导通，还是截止和将导通。因此，驱动电路必须设计为导通可能遇到的所有SCR，即，在一个特定类型的SCR中的所有SCR。此外，为节省功率，触发电路必须使用该源电压的最小电流，但仍必须提供一个足以触发该SCR的电压。
对此问题已有一个解决方案，提供一个触发电路使用可切换的电流源，该电流源包括一个三端线性电压调节器，以提供一个足以导通一种已知类型的SCR中所有SCR的触发信号。然而，这些触发电路本身消耗大量的功率，这就需要散热片和大电源变压器。调节器、散热片以及变压器使驱动电路的尺寸和成本增大。因此，需要一种触发电路来提供导通SCR所需的适当触发信号，但不需要相关尺寸和成本有约束的三端电压调节器。
发明内容
本发明是对现有技术触发电路的改进，因为它提供触发电流以导通SCR所需的电平而无需三端电压调节器，由此能降低功耗。
与本发明一致的系统包括一个触发电路用于触发具有一个控制端的硅设备，其中该硅设备易受本征控制需求变化的影响。该触发电路包括一个直流(DC)供电电压源，以及一个DC-DC电流型Buck转换器，用于将该供电电压转换为一个输出DC电流，该DC电流不容易遭受由于供电电压的变化导致的非想望变化的影响，该Buck转换器提供控制端子一个最小电流以导通该硅设备，而不管本征控制需求是否变化。该硅设备可包括一个可控硅整流器(SCR)，它有栅极端、阳极端和阴极端，其中控制端为栅极端，而且其中本征控制需求的变化为本征栅极-对阴极控制电流和电压需求的变化。
上面的总结和下面的详细描述不应限制本发明的权利要求范围。它们为其他人员实现本发明提供了例子和说明。构成本发明详细描述一部分的附图示出了本发明的实施例，与这些描述一起说明本发明的原理。
附图说明
附图示意了本发明的几个实施例，它们与这些描述一起用于说明本发明的原理。在附图中，
图1为与本发明一致的触发电路、SCR、电源以及负载的原理图；以及
图2为图1所示的电感148之间电压和通过电流与时间关系图。
具体实现方式
下面对本发明实施例的描述参考这些附图。
图1为与本发明一致的触发电路100、SCR 108、负载110以及电源112的原理图。触发的固态设备为SCR 108，它有控制或栅极端102、公共输入或阳极端106以及输出或阴极端104。如果在阳极106和阴极104之间建立了一个适当的电位差的话，传递栅极电流到栅极102内再到阴极104触发SCR 108。当SCR 108被触发时，在阳极106和阴极104之间有电流流过。
触发电路100可通过从足够大的供电电压V1提供最小所需电流给栅极102导通SCR 108。一般来说，触发SCR所必需的电压和电流随SCR而异，但一般知道什么样的最小电压和电流触发一种类型的SCR。因此，触发电路必须提供能触发该特定类型SCR中的所有SCR的电压和电流。
SCR 108串联负载110和电源112。当SCR 108被触发时，电源112激励负载110，即电流流过负载110，假设电源112提供的电压被极化以在从阳极106到阴极104的方向上电流通过SCR 108。如果电源112为交流(AC)电压源，电流仅在AC电压的正半周期期间，即，当阳极106相对于阴极104为正时，流过负载110和SCR 108。通过以一种众所周知的方式控制提供给栅极端102的栅极电流的定时，通过在所施加的AC电压的每个正半周期期间改变SCR 108的点弧角可调整流过负载110的功率。如果负载110包括例如一个AC电机，那么通过调整功率通量可改变电机速度。AC电机可例如驱动一个致冷系统的各个组件。制冷系统可包括压缩机、冷凝器、热交换器以及蒸发器。
图1描绘的触发电路100可用在控制系统，用于调节从AC电源提供给DC负载的功率。众所周知，这种SCR的网络，每个网络有其自己的触发电路，可用于调整提供给负载的功率。例如，如果电源提供的是三相AC电源，那么SCR网络可包括具有三对SCR的三相全波整流器电桥，每对SCR接收三个交流相电压中的一个。6个独立的触发电路将控制该网络中6个SCR的导电角，以在该电桥的输出端建立一个预期的DC电压。这种网络配置可用于改变供给负载110的DC电压。
另一种SCR的网络配置可提供三相AC开关，用于改变三相AC电源，如三相电机的强度。这种开关也将包括三对SCR，每对SCR连接到该AC电源的三相电压中的一个。在这种配置中，两个SCR逆并联，每个SCR的阳极连接到另一个SCR的阴极。通过调节这6个SCR的导电角，该SCR网络建立提供给三相AC电机的预期的三相电流。
与本发明一致的系统应用电流型DC-DC Buck转换器以触发或驱动SCR 108的栅极。触发电路100包括Buck转换器，其中有电压比较器电路146、光耦合隔离器128、压控主开关122、电阻器144、续流(freewheeling)二极管134、读出(sense)电阻器136以及电感器148。
在与本发明一致的系统中，供电电压V1可以不调整而且很容易通过逐步降低、整流以及滤波AC线电压获得。供电电压V1提供导通SCR 108和补偿触发电路100的功率损耗所需的功率。
光耦合隔离器128包括发光二极管(LED)116以及光敏晶体管114。为激动栅极电流触发SCR 108，关闭触发开关118使电流流过LED 116。从LED 116发出的光饱和晶体管114的基极使其导电或导通。隔离器128提供用于触发开关118的低电压逻辑电路和包括晶体管114、主开关122、电感器148、二极管134、SCR 108等等的高电压电路之间的电隔离。电阻器124和电容器126提供抗扰性，防止由于伪噪声引起的晶体管114的误触发。
当晶体管114截止时，电压比较器电路146从电阻器144隔离，没有电流流过电阻器144。这使得主开关122保持打开或截止。当晶体管114导通时，电压比较器电路146调节压控主开关122。首先比较器146在输出端140输出一个低电压，这使得晶体管144之间的电压下降，使主开关122闭合或导通。接着，在电感器148之间出现电压，这又引起电感器电流IL流过电感器148。
比较器146包括电压比较器138、反馈电阻器130、输入电阻器132以及基准电压Vref。读出电阻器136、基准电压Vref、反馈电阻器130以及输入电阻器132被选择以便电感器电流IL的平均值被设置为触发已知类型的SCR中每个SCR所必需的最小电流。通过电感器148的电流流入SCR 108的栅极102，流出阴极104，通过读出电阻器136，最后返回地。选择足够高的电源电压V1以便电流IL出现在SCR栅极102的初始速率相对于触发器开关118的占空因数(duty cycle)要小。
比较器146有磁滞特性，具有上门限电压UT和下门限电压LT。本领域的技术人员知道，假设电阻器144的值远小于输入电阻器132的值(R132)，而且电阻器144的值远小于反馈电阻器130的值(R130)，那么上门限UT为
UT＝Vref[1+(R132/R130)]，而下门限电压LT为
LT＝Vref+(Vref-V1)(R132)/(R130)。比较器146比较读出电阻器146之间的压降与其中一个门限电压。一旦读出电阻器136之间的电压超过比较器电路146的上门限电压UT，则比较器146允许其在输出端140的输出拉高。当比较器146的输出端140具有高电压，而且晶体管114导通时，没有电流流过电阻器144，在电阻器144之间没有压降，而且主开关122打开或截止。电感器148对抗电流流量的瞬时变化，并继续为SCR 108的栅极102提供电流。在此情况下，通过电感器148的电流IL流出阴极104，通过读出电阻器136，通过单向转动二极管134，再回到电感器148。在这个过程期间，通过电感器148的电流IL降低。
随着通过电感器148的电流IL降低，读出电阻器136之间的电压也降低，最终下降到比较器146的下门限电压LT。这使得比较器146处于低位置，使主开关122导通，整个周期重复进行。比较器138的磁滞是由反馈电阻器130和输入电阻器132提供的，而且它们结合电感器148的电感值、电源电压V1、基准电压Vref以及SCR的本征电压特性，确定触发电路100的转换频率。
图2为电感器148之间的电压以及通过电感器148的电流IL与时间的关系图。电压信号VL当然为方形信号，而电流IL为三角形信号。通过电感器148的平均电流在这个例子中近似为0.5安培。电压信号VL的周期近似为2ms。
触发电路100优于现有电流源触发电路的一个优点在于，无需线性调节器为触发SCR提供恒定的电流源。当使用调节器时，这种触发电路的平均功率为该触发电路之间的平均压降乘以提供给SCR栅极的平均电流。调节器消耗的功率很大，这就需要散热片，因此增大了尺寸和成本。此外，利用电压调节器，触发电路需要额外功率，这使得诸如隔离变压器的其他组件的尺寸和成本变大。相比之下，触发电路100只需极小功率，这个功率等于选通(“门”)电路之间的平均压降乘以提供给SCR栅极的平均电流，乘以主开关122的占空因数。
本发明提供的特色触发电路100利用一个恒定电流源触发固态开关，而不用电压调节器。触发电路100不受供电电压变化和不同本征电压控制特性的影响。由触发电路100提供给固态设备的电流被选择用于匹配固态开关类型，避免了无用的功率耗散。
在题目为“用于检测故障半导体闸流管的方法和装置”，代理人卷号04646.0167-00000，同一天申请并转让给与此申请相同的受让人的专利申请中，公开了一种用于检测故障的半导体闸流管或SCR的方法和装置，在此作为参考。在题目为“用于检测故障半导体闸流管的方法和装置”，代理人卷号04646.0165-00000，同一天申请并转让给与此中请相同的受让人的专利申请中，公开了另一种用于检测故障的半导体闸流管或SCR的方法和装置，在此作为参考。
本领域的技术人员认识到可对前面的例子进行各种修正和改进但不偏离本发明的范围或精神。例如SCR 108可替换为各种其他半导体设备，如双极型结晶体管(BJT)晶体管。在BJT晶体管的情况下，晶体管的基极、发射极和集电极端将分别用作栅极、阴极和阳极。
上面对本发明的描述不限制本发明。相反，它为普通技术人员理解实现本发明的不同方式提供了例子和说明。下面的权利要求书定义了本发明的真正范围和精神。
Claims (27)
1.一种用于触发具有一个控制端的硅设备的触发电路，其中该硅设备容易受到本征控制需求变化的影响，该触发电路包括：
一个直流(DC)供电电压源；以及
一个DC-DC电流型Buck转换器，用于转换供电电压为一个输出DC电流，该DC电流不易受到由于供电电压的变化导致的不想望变化的影响，该Buck转换器提供控制端一个导通该硅设备所需的最小电流，而不管本征控制需求是否变化。
2.根据权利要求1的触发电路，其中该硅设备为可控硅整流器(SCR)，其具有栅极端、阳极端以及阴极端，而且其中控制端为栅极端，其中本征控制需求的变化为本征栅极对阴极控制电流和电压需求的变化。
3.根据权利要求2的触发电路，其中Buck转换器包括
在该栅极端和一个主开关的第一端之间连接的一个电感器，该主开关的第二端连接供电电压，主开关在闭合时允许电流从第二端流到第一端，而在打开时不允许电流从第二端流到第一端；
用于读出流过该电感器的电流的一个传感器，该传感器输出一个指示电流的值；
在接地和主开关的第一端之间连接的一个单向转动二极管，以便电流可从地通过该二极管流到主开关的第一端；以及
一个比较器，用于比较指示流过该电感器的电流值与一个控制值，该比较器控制主开关何时打开或闭合。
4.根据权利要求3的触发电路，其中传感器为在SCR的阴极和接地之间连接的一个读出电阻器，而且其中指示流过该电感器的电流值为该读出电阻器之间的电压。
5.根据权利要求3的触发电路，其中比较器具有磁滞，而且其中控制值包括一个上门限值和一个下门限值，而且其中当指示电流的值下降到低于下门限时，主开关闭合，而当指示电流的值上升到高于上门限时，主开关打开。
6.根据权利要求1的触发电路，其中Buck转换器还包括一个触发开关，防止在不触发SCR时比较器闭合主开关，以及防止在触发SCR时允许比较器控制该主开关。
7.根据权利要求1的触发电路，其中Buck转换器包括
在该控制端和一个主开关的第一端之间连接的一个电感器，该主开关的第二端连接供电电压，主开关在闭合时允许电流从第二端流到第一端，而在打开时不允许电流从第二端流到第一端；
用于读出流过该电感器的电流的一个传感器，该传感器输出一个指示电流的值；
在接地和主开关的第一端之间连接的一个单向转动二极管，以便电流可从地通过该二极管流到主开关的第一端；以及
一个比较器，用于比较指示流过该电感器的电流值与一个控制值，该比较器控制主开关何时打开或闭合。
8.根据权利要求7的触发电路，其中传感器为在SCR的阴极和地之间连接的一个读出电阻器，而且其中指示流过该电感器的电流值为该读出电阻器之间的电压。
9.根据权利要求7的触发电路，其中比较器具有磁滞，而且其中控制值包括一个上门限值和一个下门限值，而且其中当指示电流的值下降到低于下门限时，主开关闭合，而当指示电流的值上升到高于上门限时，主开关打开。
10.一种用于触发具有一个控制端的硅设备的触发电路，其中该硅设备容易受到本征控制需求变化的影响，该触发电路包括：
用于提供直流(DC)供电电压的装置；以及
一个DC-DC电流型Buck转换器，用于转换供电电压为一个输出DC电流，该DC电流不易受到由于供电电压的变化导致的不想望变化的影响，该Buck转换器提供控制端一个导通该硅设备所需的最小电流，而不管本征控制需求是否变化。
11.根据权利要求10的触发电路，其中该硅设备为可控硅整流器(SCR)，其具有栅极端、阳极端以及阴极端，而且其中控制端为栅极端，其中本征控制需求的变化为本征栅极对阴极控制电流和电压需求的变化。
12.根据权利要求11的触发电路，其中Buck转换器包括
在该栅极端和一个主开关的第一端之间连接的一个电感器，该主开关的第二端连接供电电压，主开关在闭合时允许电流从第二端流到第一端，而在打开时不允许电流从第二端流到第一端；
用于读出流过该电感器的电流的装置，该传感器输出一个指示电流的值；
在接地和主开关的第一端之间连接的一个单向转动二极管，以便电流可从接地通过该二极管流到主开关的第一端；以及
用于比较指示流过该电感器的电流值与一个控制值的装置，该比较装置控制主开关何时打开或闭合。
13.根据权利要求12的触发电路，其中读出装置包括一个在SCR的阴极和接地之间连接的读出电阻器，而且其中指示通过该电感器的电流值为读出电阻器之间的电压。
14.根据权利要求12的触发电路，其中比较装置具有磁滞，而且其中控制值包括一个上门限值和一个下门限值，其中当指示电流的值下降到低于下门限时，主开关闭合，而当指示电流的值上升到高于上门限时，主开关打开。
15.根据权利要求10的触发电路，其中Buck转换器还包括一个触发开关，防止在没有触发SCR时比较器闭合主开关，以及防止在触发SCR时允许比较器控制该主开关。
16.根据权利要求10的触发电路，其中Buck转换器包括
在该控制端和一个主开关的第一端之间连接的一个电感器，该主开关的第二端连接供电电压，主开关在闭合时允许电流从第二端流到第一端，而在打开时不允许电流从第二端流到第一端；
用于读出流过该电感器的电流的装置，该传感器输出一个指示该电流的值；
在地和主开关的第一端之间连接的一个单向转动二极管，以便电流可从接地通过该二极管流到主开关的第一端；以及
用于比较指示流过该电感器的电流值与一个控制值的装置，该比较装置控制主开关何时打开或闭合。
17.根据权利要求16的触发电路，其中读出装置包括一个在SCR的阴极和接地之间连接的读出电阻器，而且其中指示流过电感器的电流值为读出电阻器之间的电压。
18.根据权利要求16的触发电路，其中比较装置具有磁滞，而且其中控制值包括一个上门限值和一个下门限值，其中当指示电流的值下降到低于下门限时，主开关闭合，而当指示电流的值上升到高于上门限时，主开关打开。
19.一种包括一个电机的致冷系统，该电机包括一个触发电路，用于触发具有一个控制端的硅设备，其中该硅设备容易受本征控制需求变化的影响，所述触发电路包括：
一个直流(DC)供电电压源；以及
一个DC-DC电流型Buck转换器，用于转换供电电压为一个输出DC电流，该DC电流不易受到由于供电电压的变化导致的不想望变化的影响，该Buck转换器提供控制端一个导通该硅设备所需的最小电流，而不管本征控制需求是否变化。
20.根据权利要求19的致冷系统，其中该硅设备为可控硅整流器(SCR)，其具有栅极端、阳极端以及阴极端，而且其中控制端为栅极端，其中本征控制需求的变化为本征栅极对阴极控制电流和电压需求的变化。
21.根据权利要求20的致冷系统，其中Buck转换器包括
在栅极端和一个主开关的第一端之间连接的一个电感器，该主开关的第二端连供电电压，主开关在闭合时允许电流从第二端流到第一端，而在打开时不允许电流从第二端流到第一端；
用于读出流过该电感器的电流的一个传感器，该传感器输出一个指示电流的值；
在地和该主开关的第一端之间连接的一个单向转动二极管，以便电流可从地通过该二极管流到该主开关的第一端；以及
一个比较器，用于比较指示流过电感器的电流值与一个控制值，该比较器控制主开关何时打开或闭合。
22.根据权利要求21的致冷系统，其中传感器为在SCR的阴极和地之间连接的一个读出电阻器，而且其中指示流过电感器的电流值为读出电阻器之间的电压。
23.根据权利要求21的致冷系统，其中比较器具有磁滞，而且其中控制值包括一个上门限值和一个下门限值，其中当指示电流的值下降到低于下门限时，主开关闭合，而当指示电流的值上升到高于上门限时，主开关打开。
24.根据权利要求19的致冷系统，其中Buck转换器还包括一个触发开关，防止在没有触发SCR时比较器闭合主开关，以及防止在触发SCR时允许比较器控制该主开关。
25.根据权利要求19的致冷系统，其中Buck转换器包括
在控制端和一个主开关的第一端之间连接的一个电感器，该主开关的第二端连供电电压，主开关在闭合时允许电流从第二端流到第一端，而在打开时不允许电流从第二端流到第一端；
用于读出流过该电感器的电流的一个传感器，该传感器输出一个指示电流的值；
在接地和该主开关的第一端之间连接的一个单向转动二极管，以便电流可从地通过该二极管流到该主开关的第一端；以及
一个比较器，用于比较指示流过电感器的电流值与一个控制值，该比较器控制主开关何时打开或闭合。
26.根据权利要求25的致冷系统，其中传感器为在SCR的阴极和接地之间连接的一个读出电阻器，而且其中指示流过电感器的电流值为读出电阻器之间的电压。
27.根据权利要求25的致冷系统，其中比较器具有磁滞，而且其中控制值包括一个上门限值和一个下门限值，其中当指示电流的值下降到低于下门限时，主开关闭合，而当指示电流的值上升到高于上门限时，主开关打开。
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