专利名称：门极可关断晶闸管关断过电压低损耗吸收电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种门极可关断晶闸管关断过电压低损耗吸收电路，属电气控制技术领域。
在门极可关断晶闸管(以下简称GTO)的关断过程中，由于线路中杂散电感的存在，突然将电流关断后，其阳阴极间会产生三个电压尖峰，分别为VDSP、VDM和VR，它们对GTO的安全至关重要，图1为GTO关断时阳极对阴极电压波形示意图。
从GTO的安全角度考虑，VDSP和VDM不能过高，否则会由于过压导致GTO的失效。而VR不能过低，否则容易使关断的GTO重新导通。通常三个峰值电压依靠并联于GTO阳阴极间的关断吸收电路来抑制，吸收电路在抑制电压尖值的同时还有效的减小关断损耗，从而保证GTO的安全关断。
关断吸收电路一般使用传统的电阻-电容-二极管(RCD)吸收，但RCD吸收电路中吸收电容的储能全部损耗在吸收电阻上，而GTO吸收电路一般要求较大的吸收电容，这使得RCD吸收电路损耗太大，使得提高直流电压水平和提高开关频率变得困难。因此，有必要采用一种低损耗的吸收电路。
实用的低损耗吸收电路有非对称吸收电路、麦氏吸收电路和三角型吸收电路。其中三角型吸收电路的性能较好且吸收电路元件易于安装，因此在实际中经常使用，其电路如图2所示。
但若采用如图2所示的三角形吸收电路作为4500V/4000A GTO的关断吸收电路，VDSP、VR不能满足关断安全要求。其原因是该种GTO(4500V/4000A)是国际范围内近两年才出现的新型产品，传统的吸收电路不一定能满足其关断要求，而国内外虽然对吸收电路进行了大量研究工作，但由于工艺及成本等问题，研究成果很难在工程实际中使用，特别在这种高电压、大功率，而且专门用于收发无功功率的电路中，更缺少一种成熟的吸收电路设计方案。
下面通过图3、图4、图5来分析VDSP和VR的形成原因。
1)VDSP的形成图3、4中，从t1-t2，电流从G1向吸收电路转移阶段。给G1加上门极关断信号后，流过G1的电流iG向CS转移。
在此阶段下式成立L1diGdt+VAK=LSdiSdt+1CS∫isdt-VDS]]>由iG＝I0-is可得VAK=(L1+LS)diSdt+1CS∫isdt-VDS]]>忽略电容电压项，有VDSP=LDSPdiSdt-VDS]]>=-LDSPdiGdt-VDS]]>式中LDSP＝L1+LS阳极电流截止时产生的diG/dt约为几千安/微秒。负载电流I0在短时内可认为保持恒定。吸收电路要承受一样大的diG/dt，过电压产生于导线和缓冲电容器之上。另外，吸收二极管DS产生远比静态压降(VF)高的正向导通电压(VFpeak)。这种情况是由二极管的初始导通机制产生的，即载流子的缺乏导致导电率下降。所有这些压降以及缓冲电容的容性电压加到了尖峰电压VDSP之中。即使这个值比静态最高耐压VDRM小很多，它对GTO也是非常危险。这是因为当VDSP发生时，有相当大的正阳极电流(尾部电流)仍在导通。这意味着GTO内仍充满电荷载流子，导致关断能力下降。过大的VDSP会造成“动态雪崩”破坏器件。因此必须精确挑选低感吸收电容及小VF峰值的二极管。在吸收电容和二极管选定的情况下，应尽可能减小布线L1和LS的布线电感。试验发现，采用尽可能短的普通圆导线不能保证VDSP值在允许范围内。
2)VR的形成VR由吸收二极管的反向恢复过程引起。图3为对应图2的等效电路图。图5为快恢复二极管的反向恢复过程，QR＝Q1+Q2为反向恢复电荷，trr为反向恢复时间。从时间t＝tf开始，导通的二极管VDS及线路电感被加以反向电压，反向恢复电流iF开始流通。原来导通的正向电流IF以diF/dt的速率减小。由于线路电感的存在，从tf至t0期间，二极管仍正向偏置，其上电压近似为零；在反向恢复的前期，iF反向流动，在t＝t1在时，达到最大反向恢复电流IRm。反向恢复的后期，由于恢复电流急剧减小，导致二极管承受很高的反向电压VRm。
图5中，从t0至t2期间有i1=iF-VDSRS]]>i2=iF-VDSRS-i3]]>VAK=Vd-VL2=Vd-L2di2dt=Vd-L2diFdt+L2RSdVDSdt+L2di3dt----(1)]]>上式中，结合图5可知，在t1至t2期间，
正是此项导致VAK下降；而
项起到阻尼VAK变化的作用，RS越小，阻尼作用越大；
项对VAK影响较小，因为在t1-t2期间i3迅速变为0。因此，抑制VR的主要措施是采用具有软恢复特性的吸收二极管(
尽可能小)并减小RS。在不影响GTO开通安全的情况下，RS降至最小仍不能使VR满足要求。
本发明的目的是设计一种GTO关断过电压低损耗吸收电路。从降低成本同时利于安装的角度出发，配合以分析计算和现场实验对传统的三角形吸收电路进行改进，使得所设计的吸收电路能有效地抑制GTO关断大电流时在其阳阴极间形成的三个尖峰电压VDSP、VDM、VR。
本发明设计的门极可关断晶闸管关断过电压低损耗吸收电路，该电路包括(1)一个三角形吸收电路，由两个电阻-电容-二极管吸收电路及一个钳位电容组成，用于抑制门极可关断晶闸管关断时产生的过电压VDSP、VDM、VR。
(2)一个桥臂开通过电流吸收电路，由阳极电抗器、阳极电阻和阳极吸收二极管组成，用于抑制门极可关断晶闸管开通时的电流上升速度。
(3)一个钳位电容器，连接在阳极吸收二极管的阴极与直流母线负极之间，用于抑制过电压VR。
如上所述的三角形吸收电路的电阻-电容-二极管吸收电路中，二极管和电容间的连线为宽铜板，宽铜板宽度为40毫米，厚1毫米。
本发明设计的门极可关断晶闸管关断吸收电路，能有效地抑制门极可关断晶闸管关断时产生的过电压尖峰，使过电压尖峰在安全范围内。
图1是GTO关断时阳极对阴极电压波形示意2是普通的三角形吸收电路图3是GTO桥臂等效电路4是GTO桥臂换相过程示意5是快恢复二极管的反向恢复过程图6是本发明所设计的带钳位电容的三角形吸收电路图7是带钳位电容的GTO桥臂等效电路8是不带钳位电容时VR的抑制效果图9是带钳位电容时VR的抑制效果图10是Vd＝2500V、ITGQ＝3500A时的关断试验结果下面结合附图详细介绍本发明的内容和实施例。
如图6所示，本发明设计的门极可关断品闸管关断过电压低损耗吸收电路，包括(1)一个三角形吸收电路，包括两个电阻-电容-二极管吸收电路，它们分别为RS1、DS1、CS1和RS2、DS2、CS2，一个钳位电容CCL，用于抑制门极可关断晶闸管G1、G2关断时产生的过电压VDSP、VDM、VR。
(2)一个桥臂开通过电流吸收电路，由阳极电抗器LA、阳极电阻RA和阳极吸收二极管DA组成，用于抑制门极可关断晶闸管G1、G2开通时的电流上升速度。
(3)一个钳位电容器CCL0，连接在阳极吸收二极管的阴极与直流母线负极之间，用于抑制过电压VR。
上述的三角形吸收电路的电阻-电容-二极管吸收电路中，二极管和电容间的连线，即图6中的粗体线为宽铜板，宽铜板宽度为40毫米，厚1毫米。
下面介绍本发明的原理。
1)吸收电路连线(图6中粗体线)的设计由前面对VDSP的形成的分析可知，在吸收电容和二极管选定的情况下，应尽可能减小吸收二极管(DS1、DS2)和吸收电容器(CS1、CS2)之间连线的布线电感。试验发现，采用尽可能短的普通圆导线不能保证VDSP值在允许范围内。因此，根据分析结果，本发明设计了宽40mm、厚1mm的铜板作为吸收二极管和吸收电容间的连线。关断大电流的试验结果证明了分析及设计的正确性。
2)VR的抑制由于在不影响GTO开通安全的情况下，RS1及RS2降至最小仍不能使VR满足要求，因此针对图2的普通三角形吸收电路，本发明增加了钳位电容CCL0来提高VR，如图7所示。在图7中，有VAK=Vd-VL2=Vd-L2di2dt=Vd-L2diFdt+L2RSdVDSdt+L2di3dt-L2diCdt----(2)]]>显然，图5中在t1至t2期间，
此项可抑制VAK的过度下降，这是由于钳位电容吸收了部分反向恢复电荷，等效于使吸收二极管的特性变软了。
对4500V/4000A GTO所设计的吸收电路参数为RA＝0.2欧，LA＝15微亨，RS1＝RS2＝10欧，CS1＝CS2＝6微法，CCL＝2微法，CCL0＝2微法。
本发明的效果见图8、图9和图10。
试验采用斩波电路，分别对上桥臂和下桥臂进行实验。驱动脉冲周期为160毫秒，开通占空比为3‰(500微秒)。
为检验吸收电路连线对VDSP的影响，分别采用截面积为40mm2的电缆线和宽40mm、厚1mm的铜板作为连接吸收电容器(CS1、CS2)和吸收二极管(DS1、DS2)的连线。试验条件为直流电压700V，负载电阻0.7欧，关断电流1000A。结果为采用电缆线时，VDSP＝420V；采用铜板时，VDSP＝370V。结果表明，宽铜板比同样截面积的圆电缆线有更小的杂散电感。实际电路中使用了宽40mm、厚1mm的铜板。
图8为不带钳位电容CCL0的试验结果，图9为带钳位电容CCL0的试验结果。试验条件为直流电压300V，负载电阻为0.5欧。试验结果不带钳位电容时VR＝180V；带钳位电容时VR＝380V。结果表明，采用钳位电容可有效地抑制VR。图8和图9中纵坐标表示关断电压，100V/div；横坐标表示时间，5μs/div。
图10为额定工况试验结果。试验条件为直流电压2500V，负载电阻0.7欧，关断电流3500A。试验结果VDSP＝800V，VDM＝380V，VR＝2400V。结果表明，带钳位的三角形吸收电路满足使用要求。图10中纵坐标表示关断电压，1KV/div；横坐标表示时间，2.5μs/div。
权利要求
1.一种门极可关断晶闸管关断过电压低损耗吸收电路，其特征在于该关断过电压低损耗吸收电路包括(1)一个三角形吸收电路，由两个电阻-电容-二极管吸收电路及一个钳位电容组成，用于抑制门极可关断晶闸管关断时产生的过电压VDSP、VDM、VR；(2)一个桥臂开通过电流吸收电路，由阳极电抗器、阳极电阻和阳极吸收二极管组成，用于抑制门极可关断晶闸管开通时的电流上升速度；(3)一个钳位电容器，连接在阳极吸收二极管的阴极与直流母线负极之间，用于抑制过电压VR。
2.如上所述的三角形吸收电路，其特征在于两个所述的电阻-电容-二极管吸收电路中，二极管和电容间的连线为宽铜板，宽铜板宽度为40毫米，厚1毫米。
全文摘要
本发明涉及一种门极可关断晶闸管关断过电压低损耗吸收电路,该电路包括:一个三角形吸收电路,由两个电阻－电容－二极管吸收电路及一个钳位电容组成,一个桥臂开通过电流吸收电路,由阳极电抗器、阳极电阻和阳极吸收二极管组成,一个钳位电容器,连接在阳极吸收二极管的阴极与直流母线负极之间,本发明设计的门极可关断晶闸管关断吸收电路,能有效地抑制门极可关断晶闸管关断时产生的过电压尖峰,使过电压尖峰在安全范围内。
文档编号H03K17/08GK1267962SQ00105938
公开日2000年9月27日 申请日期2000年4月21日 优先权日2000年4月21日
发明者刘文华, 梁旭 申请人:清华大学