CN205693551U - 一种门极可关断晶闸管低导通维持电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于：包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器、温度传感器和电流回路，所述比较器U1的输入端连接有电流传感器和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器与电流回路连接，所述控制芯片U2与温度传感器和电流回路连接，所述温度传感器与GTO二极管连接；本实用新型电路是根据CS驱动控制信号，在控制芯片U2的控制下，通过不同的时序逻辑，依次开通关断MOSFET器件QE、QP、QC、QS，形成电流回路，来实现GTO二极管导通所需的高脉冲电流和导通维持电流，同时该电路还集成了电流传感功能和温度检测功能，进一步实现对GTO二极管注入电流的调节和控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种低导通维持电路，尤其门极可关断晶闸管低导通维持电路，属于大功率电流型功率半导体器件驱动控制技术领域。
背景技术
门极可关断晶闸管(GTO)是一种大功率的电流型功率半导体器件，相对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等场控型半导体器件，GTO驱动电流型器件的驱动功耗往往较大，而且驱动电路复杂，控制方式一般为开环不控方式，即设定一个固定的直流驱动电流，无法根据需求动态调节电流值大小，这种方式造成驱动损耗增大，不能有效利用电能，并且这些损耗还增加驱动电路元件的老化，降低以GTO为核心元件的系统整体的可靠性。
门极可关断晶闸管(GTO)的可靠开启驱动需要向门极注入如图1所示的电流波形，CS为驱动控制信号，CS低电平表示GTO处于关断截止状态，高电平表示导通状态；IG为GTO门极注入电流。如图1所示在T0时刻，CS信号为低电平，IG电流为零；在T1时刻，CS信号变为高电平，此时需要向GTO的门极注入一个高的脉冲电流，迅速向GTO门极注入大量载流子，使GTO进入导通状态，在T2时刻，脉冲电流结束，IG电流维持在5A-10A中某一固定值，用来维持GTO器件的正常导通；T3时刻，CS信号变为低电平，IG电流变为零，停止向GTO的门极注入电流，GTO进入关断状态。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，且根据实际测试电路，设计了一台高压大功率器件的测试平台，能够快速、准确的测试IGTO器件的相关参数，验证器件性能。
为实现以上技术目的，本实用新型的技术方案是：一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于：包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器、温度传感器和电流回路，所述比较器U1的输入端连接有电流传感器和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器与电流回路连接，所述控制芯片U2与温度传感器和电流回路连接，所述温度传感器与GTO二极管连接，所述电流回路包括第一电流回路、第二电流回路、第三电流回路和第四电流回路，所述第一电流回路是由电压源V1、MOSFET器件QP、电感L2和MOSFET器件QE组成的回路，所述第二电流回路是由电感L2、MOSFET器件QC、GTO二极管和二极管DP组成的回路，所述第三电流回路是由电压源V1、MOSFET器件QS、电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC和GTO二极管组成的回路，所述第四电流回路是由电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC、GTO二极管和二极管DS组成的续流回路。
进一步地，控制芯片U2由FPGA或者CPLD芯片编写程序实现。
进一步地，所述GTO二极管为GTO门极和阴极之间PN结。
从以上描述可以看出，本实用新型的有益效果在于：
1）本实用新型电路采用MOSFET器件、电感、二极管等组成储能回路，并且利用MOSFET器件的快速关断能力，实现高脉冲电流，并且具有高的di/dt，有利于GTO二极管的快速导通；
2）本实用新型电路集成了电流传感功能，并通过控制芯片U2实现闭环控制功能，精确实现电流值的控制，降低驱动损耗，可重复性高；
3）该电路集成了温度检测功能，可以通过检测GTO二极管的温度值，进而反馈到控制芯片U2，来调节GTO二极管的导通维持电流和高脉冲触发电流的大小，GTO二极管的导通维持电流与高脉冲触发电流呈负相关特性，即温度越高，需要的电流值越小；
4）该电路采用buck型开关电路为GTO注入导通维持电流，电能利用效率高，相比传统的电路拓扑，损耗大幅降低。
附图说明
图1为GTO的门极注入电流和时序驱动信号波形图。
图2为本实用新型GTO低导通维持电路图。
图3为本实用新型第一电流回路的电路图。
图4为本实用新型第二电流回路的电路图。
图5为本实用新型第三电流回路的电路图。
图6为本实用新型第四电流回路的电路图。
图7为本实用新型GTO二极管和时序驱动信号波形图。
附图说明： 1-电流传感器、2-温度传感器、3-电流回路、4-第一电流回路、5-第二电流回路、6-第三电流回路、7-第四电流回路、8-GTO二极管。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
根据附图1所述，一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于：包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器1、温度传感器2和电流回路3，所述比较器U1的输入端连接有电流传感器3和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器1与电流回路3连接，所述控制芯片U2与温度传感器2和电流回路3连接，所述温度传感器2与GTO二极管8连接，所述电流回路3包括第一电流回路4、第二电流回路5、第三电流回路6和第四电流回路7，控制芯片U2由FPGA或者CPLD芯片编写程序实现。
如图3所示，所述第一电流回路4是由电压源V1、MOSFET器件QP、电感L2和MOSFET器件QE组成的回路，
如图4所示，所述第二电流回路5是由电感L2、MOSFET器件QC、GTO二极管8和二极管DP组成的回路，所述GTO二极管8为GTO门极和阴极之间PN结。
如图5所示，所述第三电流回路6是由电压源V1、MOSFET器件QS、电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC和GTO二极管8组成的回路。
如图6所示，所述第四电流回路7是由电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC、GTO二极管8和二极管DS组成的续流回路。
根据图7所示，CS为驱动控制信号，CS低电平表示GTO处于关断截止状态，高电平表示导通状态；IG为GTO二极管8注入电流。一种门极可关断晶闸管低导通维持电路的控制过程如下：
（a）控制芯片U2接受CS控制信号，T1时刻，CS信号变为高电平，经过一段时间延时，T2时刻，控制芯片U2驱动MOSFET器件QE开启；
（b）T3时刻，控制芯片U2驱动MOSFET器件QP开启，电压源V1通过MOSFET器件QP和MOSFET器件QE向电感L2充电，电感L2的电流线性上升，此时第一电流回路（4）形成，如图3所示；
（c）T4时刻，MOSFET器件QC开启，在T5时刻，同时关断MOSFET器件QP和MOSFET器件QE，电感L2通过MOSFET器件QC和二极管DP向GTO二极管8注入高脉冲电流，此时第二电流回路（5）形成，如图4所示；
（d）.T6时刻，MOSFET器件QS开启，电压源V1通过MOSFET器件QS向电感L1充电，电感L1通过电阻RS和MOSFET器件QC向GTO二极管8注入电流，此时第三电流回路（6）形成，GTO二极管8的电流是第二电流回路（5）和第三电流回路（6）电流的叠加，过程中第二电流回路（5）的脉冲电流经过峰值后逐渐降低至零，第三电流回路（6）的电流缓慢上升，GTO二极管8电流整体缓慢上升，如图5所示；
（e）T7时刻，GTO二极管8电流达到设置的上限值，MOSFET器件QS关断，电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC、GTO二极管8和二极管DS组成了续流回路，此续流回路为第四电流回路（7），GTO二极管8电流靠续流电流维持导通且线性下降，如图6所示；
（f）.T8时刻，GTO二极管8电流达到设置的下限值，再次开启MOSFET器件QS，第三电流回路（6）再次形成，GTO二极管8电流再次达到上限值，再次关断MOSFET器件QS；
（g）T9时刻，CS信号变为低电平，GTO二极管8电流为零。
本实用新型电路是根据CS驱动控制信号，在控制芯片U2的控制下，通过不同的时序逻辑，依次开通关断MOSFET器件QE、QP、QC、QS，形成电流回路3，来实现GTO二极管8导通所需的高脉冲电流和导通维持电流，并且加入了电流传感器1的电流检测功能，可以根据不同工况调节电流值的范围，实现闭环控制，同时该电路也集成了温度传感器2的温度检测功能，用来检测GTO二极管8的温度值，进而反馈到控制芯片U2来调节GTO二极管8的导通维持电流和高脉冲触发电流的大小，避免温度过高影响GTO二极管8正常运行。
以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于：包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器（1）、温度传感器（2）和电流回路（3），所述比较器U1的输入端连接有电流传感器（3）和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器（1）与电流回路（3）连接，所述控制芯片U2与温度传感器（2）和电流回路（3）连接，所述温度传感器（2）与GTO二极管（8）连接，所述电流回路（3）包括第一电流回路（4）、第二电流回路（5）、第三电流回路（6）和第四电流回路（7），所述第一电流回路（4）是由电压源V1、MOSFET器件QP、电感L2和MOSFET器件QE组成的回路，所述第二电流回路（5）是由电感L2、MOSFET器件QC、GTO二极管（8）和二极管DP组成的回路，所述第三电流回路（6）是由电压源V1、MOSFET器件QS、电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC和GTO二极管（8）组成的回路，所述第四电流回路（7）是由电感L1、电阻RS、MOSFET器件QC、GTO二极管（8）和二极管DS组成的续流回路。
2.根据权利要求1所述的一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于：控制芯片U2由FPGA或者CPLD芯片编写程序实现。
3.根据权利要求1所述的一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于：所述GTO二极管（8）为GTO门极和阴极之间PN结。
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| CN108075757A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-05-25 | 北京航空航天大学 | 一种大功率gto的驱动控制电路 |
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