专利名称:用于固态电路中断器的栅极截止控制电路的制作方法
用固态电路来消除电路中断装置的触点电弧，业已证明不再是经济合理的了。当采用电路开关元件时，就需要一些复杂的附加电路来导通固态电路装置，以立即对正在分开的触点分流，然后把电流转移给一个电压控制装置，例如一只金属氧化物变阻器。
利用一只可控硅整流器，对正在分开的触点进行分流，已见于英国书1，072，267。采用一只三端双向可控硅(triac)，在其栅极上跨接一只电压敏感电阻，已公布于英国书1，152，903中。
美国专利3，783，305描述了一个接在晶闸管控制极上的逻辑电路，在触点分开时，用以产生一个触发脉冲给晶闸管。
E.K.Howell于1984年10月29日申请的美国专利申请号665，841，题为“故障电流中断器”，公布了在分离接点两端并接以一个正温度系数元件和一只变阻器的应用。正温度系数元件以其温度响应特性，能对触点进行分流，并转移给变阻器。
E.K.Howell于1984年12月14日申请的题为“采用电弧换向的电路中断器”的美国专利申请号681，478中，在固态开关的栅极电路中应用了一只齐纳二极管，当一对可分离触点两端的电弧电压达到某一预定电压时它就将固态开关导通。一只与变阻器相并联的电容器迅速充电到变阻器的箝位电压，以便把电流从固态开关转移到变阻器上。
1984年5月16日公布的题为“固态限流电路中断器”的美国专利申请序号610，947使用了一只双极性功率晶体管，它把电流从正在分开的触点上转移到金属氧化物变阻器上。晶体管首先由接在其集电极和基极间的电容所提供的电流脉冲所导通，在带有该晶体管的电路中的一只磁芯可饱和的变流器给晶体管提供了再生基极驱动电流，而一旦变流器磁芯达到饱和时，晶体管就截止了。同时还公布了用一只场效应晶体管，场控制晶体管和栅极截止器件，例如晶闸管，去代替双极性功率晶体管。
本发明的目的是提供一种快速的方法，以最少的电路元件，在很短的时间周期里，将电流从正在分开的触点上转移到金属氧化物变阻器上。
本发明包含一只栅极截止晶体闸流管(GTO)，跨接在一对可分开的触点两端，以便在触点断开时对触点进行分流从而在实际上消除触点电弧。当触点断开时，GTO立即导通然后又截止，从而把电流转移给一只电压箱位器件，例如一只变阻器。变阻器跨接在GTO上，而电路中与GTO一起的还有一只磁芯可饱和的变流器，以利于控制GTO的导通和截止状态。
图1是本发明的栅极截止晶体闸流管控制电路的略图。
图1中的固态电路中断器10，适用于任何需用无电弧开关的场合，例如诸如矿井里暴露在大气中的开关，也适用于“无噪声”开关中，例如在灵敏的电子仪器里。由导体11和12组成的电源母线包含了一只串接开关13，它是由一对固定触点14，15和一个可移动的桥型接触片16所组成。当电路中断器用做电路保护装置时，使用一只电流传感器，例如一个变流器，和一个执行机构，如像E.K.Howell申请的美国专利4，115，829和C.L.Jencks等申请的美国专利4，001，742中所叙述的那种，在发生过流情况时迅速将开关打开。当需要将电路高速切断并限制电流时，一种高速的触点驱动器如E.K.Howell在1984年12月20日申请的美国专利申请No.684，304所叙述的那样，用来把桥型接触片16从固定触点14，15上移开。为了改进这种无电弧中断，把一个栅极截断电路17，经导线18和19跨接在开关13上。栅极截断电路包含了一只栅极截止晶体闸流管20(以下称GTO)和一只跨接在GTO阳极和栅极间的金属氧化物或碳化硅变阻器25。GTO的阴极经一对低压快速恢复二极管D1和D2，接到变流器21的初级绕组23上。变阻器25与次级绕组24串联，它们的公共点则接在GTO的栅极上。变流器磁芯22选定在预定的电流和时间上达到饱和。当开关触点在闭合状态时，GTO保持在截止状态，电流则经过触点14和15。当触点断开时，一个电压就加到跨接在变阻器两端的电容器C上，结果产生一正向栅极电流，经导线27使GTO导通，从而旁路了触点上的电流。在某些电路设计中可以不要电容器C，而变阻器本身固有的电容就足以导通GTO。换句话说，变阻器25可以从导线18接到GTO的阴极上，也可以接到D1的阴极上、D2的阴极上或接到导线19上。在一些GTO的设计中，更把电容器C从导线18接到GTO的阴极或D1的阴极或D2的阴极上，以便限制GTO两端电压的增长速率，作为一只“缓冲器”。当GTO导通时，此时电流经GTO和二极管D1及D2流经初级绕组23。变流器继续给GTO提供再生的正向栅极电流，真到变流器磁芯22达到饱和为止。这时，变流器所感应的电压下跌，从GTO栅极流出来的反向电流驱使变流器磁芯进一步饱和。变流器的饱和阻抗设计成这样，即全部的电流都可以从GTO的栅极流出，而电压降小于栅-阴导通电压和二极管D1及D2的导通电压，从而导致GTO截止。一旦GTO截止了，电流就转移到变阻器25上，而变阻器两端的电压也就是预置的箝位电压。因为箝位电压超过了系统电压，电流就迅速地旁路走了，而开关13两端的电压就降低到系统电压了。在某些应用中，可以把一个辅助控制电路28，经一只二极管D3，由导线27接往GTO的栅极，再经导线29接到变流器的初级绕组上。控制电路28给GTO提供栅极电流，使其导通。变流器的饱和使GTO受反向栅极电流作用而截止。控制电路提供栅极控制电流的一例见于T.E.Anderson等于1985年4月24日申请的、序号为726，546的美国书中。在大多数应用中，控制电路28可以省掉，而经变阻器25和/或加到变流器21上电容器C的容性电流，完全能提供导通功能，而截止功能则可由适当地设计变流器磁芯22的饱和特性来提供。
于是业已证明，无电弧电路中断实际上可以用栅极截止控制电路来实现，据此，在触点一旦断开时，其中的电路电流就会自动地转移到GTO上。当GTO栅极截止，电流便转移到金属氧化物变阻器上，当系统中的储能在变阻器上消耗殆尽时其中电流也就趋近于零。
前面已描述了我的发明，我要求用专利证书保护的权利要求
如下
权利要求
1.一种电路中断器，其特征在于包括了串接在电路里的一对可断开的触点；跨接在触点两端，以便在触点断开时对触点分流的一只栅控半导体器件。在所述栅控半导体器件电路里的控制装置，用于在所述触点断开时使栅控半导体器件能立即导通，在预定时间后使它截止。
2.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于栅控半导体器件含有4-敷层晶闸管。
3.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于包括了一只跨接在栅控半导体器件两端的电压控制器件，用以在栅控半导体器件截止时给电流提供通路并限制所述栅控半导体器件上的电压。
4.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于包括了一个跨接在栅控半导体器件的阳极和栅极间的电容性器件，用以在触点断开时给栅极提供电流，从而使栅控半导体器件导通。
5.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于该栅控半导体器件至少要通过一只二极管跨接在触点两端。
6.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于还包含了一只与栅控半导体器件相串接的变流器。
7.根据权利要求
6所述的电路中断器，其特征在于变流器的次极绕组接在栅控半导体器件的阴极和栅极之间，用以给栅极提供再生栅极电流。
8.根据权利要求
7所述的电路中断器，其特征在于变流器包含有一个可饱和的磁芯，用以在预定的时间延迟之后切断栅极电流，以截止该栅控半导体器件。
9.根据权利要求
3和8所述的电路中断器，其特征在于经预定的时间延迟后，将电路中的电流转移到所述的电压敏感元件上。
10.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于电路里包含有控制栅控半导体器件的装置，用以在所述触点断开时使栅控半导体器件立即导通，而在经一预定时间后，再截断栅控半导体器件。
11.根据权利要求
1所述的电路中断器，其特征在于还包含了一个跨接在栅控半导体器件的阳极和阴极之间的电容性器件，用以使栅控半导体器件导通，并限制栅控半导体器件两端电压增长的速率。
专利摘要
把一只栅极截止晶闸管接在一对可分离的触点两端，使断路电流首先分流给晶闸管，继而分流给跨接在晶闸管上的金属氧化物变阻器。一只可饱和磁芯的变流器与金属氧化物变阻器的电容相配合，当触点分开时首先使晶闸管导通，当触点进一步分开而磁芯达到饱和时，又使晶闸管截止。
文档编号H01H9/54GK86104716SQ86104716
公开日1987年1月7日 申请日期1986年7月11日
发明者爱德华·基思·豪厄尔 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan