专利名称：控制开关晶闸管的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率电子领域。按照独立权利要求的前序部分所述涉及GTO的导通和关断的方法和装置。
所述的方法和装置从欧洲专利申请EP0 489 945 A1已经公知。与传统的控制相比，用于关断GTO的较高的和很多的电流传输到栅极。另外还含有产生导通电流的装置。此装置产生导通GTO的电流和保持导通状态的保持电流。该装置含有多个电容器，其内存储有必需的能量并且通过开关按照所需进行释放。
在没有公开的德国专利申请文件号为19708873.2中另外公开了用于所述控制装置的空间结构。为了实现硬性的控制，该装置具有很低的电感。为此在没有公开的德国专利申请中建议该器件直接设在GTO的附近。
然而一般情况下希望具有一个控制电路，其具有尽可能少的电路技术和节省的费用以能够实现结构紧凑的变流器。
因此本发明的任务在于给出控制方法和相应的电路装置，其需要较少的空间和能量，尤其是硬性控制方法的合适的费用。该任务通过从属权利要求的特征实现。
本发明的核心是，导通电流和保持电流由电压脉冲产生，其借助于电能量存储器转变为电流。电路技术是尤其有利的，因为从同一电源或同一能量存储器产生必需的电压脉冲，如同产生关断电流的脉冲。该保持电流有利的通过电压脉冲的重复来产生。该电压脉冲的重复频率能够分别根据需要升高或减少。尤其是当栅极-阴极电压为负时，该频率减少，以使在新的正电压的情况下能够再一次升高。
在本发明的控制电路中，该导通电路具有至少一个电能量存储器，其将电压脉冲转换为电流。存在一个用于导通电流和保持电流的通用能量存储器或分开的能量存储器从关断电路的能量存储器到导通电路的能量存储器的必需能量的传输能够通过感性连接或容性连接实现。尤其有利的是在控制电路的情况下，必需的逻辑电路的和其他器件的供电是基于所选择的关断电路的能量存储器。
通过本发明的方法和相应的装置，电路技术的费用可以保持极低。该电路装置的工作效率是非常高的，因此控制电路能够设在GTO的很近处，并且能够保持所希望小的电感。
其他的有利实施例在相应的从属权利要求给出。
下面本发明借助实施例结合附图进行详细解释。
图为
图1 本发明第一实施例的电路图，图2 本发明第二实施例的电路图，图3 本发明第三实施例的电路图，图4 本发明第四实施例的电路图，图5 电压脉冲和以此所产生的电流的示意描述，图6 本发明第五实施例的电路图。
在附图中所用的参考符号和标记在参考符号表中统一列明。附图中相同的部分使用相同的参考符号。
图1示出了用于开关晶闸管14的控制电路的电路图。用50和51标出了具有例如20V输出电压的电压源的正和负极端子。从此电压源向属于关断电路的能量存储器3供电。该存储器3尤其是以电解电容器组的形式实现。该控制电路含有关断电路和导通电路。该关断电路主要由关断逻辑电路1、能量存储器3和开关4构成。开关4被连到GTO14的栅极和能量存储器3并且其被关断逻辑电路1控制。该关断逻辑电路1优选由串联调节器2(一般应用的电压调节器)供电。该关断电路1例如通过箭头所标出的光导纤维和关断逻辑电路1的方框图的左侧的晶体管接收控制信号。通过光导纤维所发出的用于关断GTO 14的指令在逻辑电路1中放大并且构成开关4上的电压，以使其开始导通。以此从GTO14的栅极中引出一电流。因此GTO的栅极相对于负极是负的，并且GTO关断。该开关3尤其还含有一个MOSFET的并联电路。相似的，能量存储器3由许多相互并联的ELKO组成。
另外含有一个导通电路。其含有一个导通逻辑电路5，其与关断逻辑电路1相似由能量存储器3供电。相应的串联调节器用6标出。两个逻辑电路1和5根据信号相互连接。如果关断逻辑电路1收到关断GTO的指令，则以此方式阻止导通逻辑电路5的起动。如果逻辑电路1接收到一个导通指令，则该导通逻辑电路5使由它所控制的开关7工作在开关模式。开关7设在端子50和51之间。以此方式产生的电压脉冲借助于与开关7串联的变换器8、9传输到整流二极管10，其由电能量存储器，优选由电感12供电。为了保持所有的装置达到所希望的低电感，变换器8、9的电感小于电感12。这可以如下方式达到，线圈8、9一体化在印刷电路板上并与磁心磁耦合。分别根据所需的电感12的尺寸也可以作为印刷电路板上的导体条进行一体化。电感12通过另一个开关13与GTO的栅极相连。开关13在关断时将导通电路分开，并且在关断状态下与GTO的栅极分开。
图5示出了通过变换器8、9传输的电压脉冲VT。电压脉冲在二次侧通过二极管10进行整流并且在电感12转换为电流。通过正极端子50和负极之间的空载二极管11该电流被转向。流过电感12的电流在第一近似处具有如图5所示的三角形。对于3kA、4.5kV的GTO需要200A到400A进行关断，其应该保持5到15μs。由此得到在100nH范围内的电感12的示范值。在导通之后GTO14还需要一个希望的保持电流，以保持导通的状态。最简单的实现方法是所述的导通脉冲以确定的频率f1重复。
用于起动和用于保持起动状态的电路量是很不同的。对于GTO的起动需要高的功率，例如约200A，而保持电流只需要约2A。由此有利的是，能够产生具有小于导通脉冲的重复的功率的保持电流。图2示出了得到这种结果的实施例。其含有第二个电感24，其同样通过变换器经过第二个次极绕组20供电。整流二极管用21标出，空载二极管用23标出。有利的连接有与空载二极管22并联的电容23。该电容23能进行缓慢的能量接收，以致能够保持较小的重复频率并且一样能够满足保持电流。以此电感24能够保证大于电感12，例如在10到50μH的范围。也能够含有一个合适的变换器和合适的逻辑电路来替换第二个次极绕组22。在分开产生导通脉冲和保持电流的情况下，开关13根据GTO14的起动进行导通，以使电感12与栅极分开。
在分开产生保持电流的情况下，在GTO14的栅极和阴极之间具有有源的电流上升限制装置25、26。该装置含有用于限制保持电流的晶体管26，其在图2的情况下接在导通电路和阴极之间的电流路径上。优选的，该电路具有一个双极性晶体管26和基极串联电阻25。该装置阻止了保持电流在负的栅极-阴极电压的情况下不受阻碍的上升。在负极电压时二极管导通，并且该电流不受阻碍地上升。这可以通过本发明的装置有效地阻止。
产生保持电流所必需的电压脉冲能够不通过第二次极绕组直接在二极管10的整流电压上取得。图3示出了相应的实施例。整流二极管10和空载二极管11之间的共同节点与第二电感24相连。电流上升限制装置使用符号27代表双极性二极管和28代表串联电阻。在此实施例中，二极管使用相反的极性，并且晶体管27接在栅极电流路径上。本实施例的功能方式基本与图2所示的相同。其作用如下在正的栅极-阴极电压的情况下，电感4的电流分为晶体管27的基极电流和集电极电流。该基极电流使晶体管导通。以此电感24直接与GTO 14的栅极相连。在负的栅极-阴极电压的情况下开始调节晶体管如果该晶体管能够得到集电极电流，则其发射极必需具有导通电压，也就是说比基极高出大约0.7V。考虑作为电流源的第一近似的电感24然而一直工作在相反电压上。也就是说GTO14一旦需要相反工作，该集电极电压就变为负的。尽管电感24的电流大部分流过发射极-集电极。该电流被有效的限制，因为晶体管通过调节条件Uein＝UEB+UR进行阻止。Uein在此标出了电感上的电压，UEB是发射极-基极电压，而UR是基极串联电阻的电压降。图2的装置通过npn-晶体管26替换具有相似功能的所解释的pnp-晶体管27。
也能够通过具有电容器的容性耦合替换借助于晶体管分感性耦合。图4示出了相应的实施例。导通逻辑电路5a控制在端子50和51之间的晶体管31和30。晶体管31产生正的电压脉冲，晶体管30相反。所产生的电压脉冲通过耦合电容32继续传输到整流二极管10。另外含有一个反馈二极管33，其设在电压源GTO或正极端子50的阴极和整流二极管10之间。图4的电路的一般功能方式已经如上叙述。
图6示出了本发明的辅助产生关断电路的起动电流的实施例。为了清楚起见，逻辑电路1和5在此没有表示。该电路的功能如下在关断晶体管阻塞之前，负载晶体管36通过正极端子50阻止可关断的起动电感35。然后在电感35中形成电流，其在开关4阻塞之后直接转换到栅极，并且形成所需要的起动脉冲。电感35可以如此选择在5到10μs内形成电流。然后阻塞接在电感35之前的负载二极管37，并且负载二极管能被重复关断。当开关36在电流下降之前导通时，剩余的能量通过空载二极管38反馈到能量存储器3。以此方式能够产生特别短的和完全有效的起动脉冲。导通电路的用于产生保持电流的部分能够以所述的方式构成，或者该必需的能量从能量存储器3借助于存储器电感34和整流二极管21通过开关7的导通传输到能量存储器24。为了关断GTO14，通过起动开关14从栅极引出一电流。
在上述的说明中给出不同的能量耦合和存储的变形，其虽然在一个附图中进行解释，但可以自然地进行任意地组合，这根据电路技术的重点进行。
本发明的控制电路和以此为基础的控制方法能够减少用于保持电流的电压脉冲的重复频率f1或宽度，只要在GTO上出现负的栅极-阴极电压。接下来，在电流上升限制装置中的双极性晶体管上所出现的损耗降低，尤其是在最大功率的GTO的情况下，也就是说需要一个高保持电流(＞1A)。在GTO的栅极和阴极之间的正电压重复建立之后，重复频率或脉冲宽度再一次提高。以此能够得到较高的栅极电流，以此保证了GTO的没有间隔的反变换。因此以传统形式的重复起动脉冲变为多于的。这也消除了重复起动脉冲在错误的时间点出现的危险和所有的与重复起动的正确时间点的精确检测有关的问题。另外也能以此方式提高该装置的EMV-抗干扰性能。非常一般的是栅极电流能够通过电压脉冲的重复频率或脉冲宽度的影响而建立。
已经解释过的，如同用于关断电流所必需的脉冲一样，一样产生导通电流或保持电流的电压脉冲从同一能量存储器3产生。该电路也能如此构成，该导通电路含有一个合适的电压源。在此情况下变换器8、9可以去掉，为此至少需要另一个电源线和另一个能量存储器。
总的来说，本发明的方法和基于此的控制电路具有紧凑的、坚固的和低电感的结构，尤其特别有利的是用于硬性控制的GTO。该控制单元能够直接设在GTO的附近并由此建立特别紧凑的电流调节器。该装置的工作效率是很高的。该控制装置如开头的没有公开的德国专利申请所述进行构造。在此给出的装置对于替换出错的控制装置是非常有利的。
参考符号表1 关断逻辑电路2 串联调节器3 能量存储器、关断电容器组4 开关5、5a 导通逻辑电路6 串联调节器7 开关8 变换器的初级线圈9 变换器的次级线圈10 整流二极管11 空载二极管12 存储器电感13 开关14 GTO20 变换器的次级线圈21 整流二极管22 空载二极管23 存储器电容24 存储器电感25 基极电阻26 双极性晶体管27 双极性晶体管28 基极电阻30 开关31 开关32 耦合电容33 反馈二极管34 存储器电感35 起动电感36 负载晶体管37 负载二极管38 空载二极管50 正极端子51 负极端子UEB发射极-基极电压UR电阻27处的电压UT空载二极管22处的电压IG栅极电流
权利要求
1.用于导通和关断开关晶闸管(14)的控制方法，含有如下步骤(a)产生用于关断开关晶闸管的关断电流，(b)产生用于导通开关晶闸管的导通电流，(c)产生使开关晶闸管保持在导通状态的保持电流，其特征在于，(d)导通电流和保持电流由电压脉冲产生，该脉冲借助于至少一个电能量存储器(12、23、24、35)转换成电流。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，该保持电流由电压脉冲序列产生。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，该保持电流是通过用于产生导通电流的电压脉冲的重复而产生。
4.如权利要求2或3的方法，其特征在于，该电压脉冲序列具有重复频率f1，其中，一旦开关晶闸管(14)上出现负的栅极-阴极电压，则f1减小。
5.如权利要求4的方法，其特征在于，一旦在开关晶闸管(14)上出现正的栅极-阴极电压，则电压脉冲的重复频率f1升高。
6.用于导通和关断开关晶闸管(14)的控制电路，其中，该控制电路含有一个关断电路和一个导通电路，并且设在开关晶闸管(14)的栅极端子和阴极端子之间，并且该导通电路是为了产生起动电流和使开关晶闸管(14)保持在导通状态的保持电流而构成，其特征在于，该导通电路含有至少一个电能量存储器(12、23、24)，该电压脉冲转换成导通电流和保持电流。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，该关断电路含有一个容性的能量存储器(3)，从该存储器借助于第一开关(4)得到用于产生关断电流的能量，该导通电路含有一个第二开关(7)和至少一个变换器(8、9、20)或一个耦合电容(32)，以此为了产生导通电流和保持电流，电压脉冲从该能量存储器(3)中得到并且供应到导通电路的电能量存储器(12、23、24)。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，导通电路的电能量存储器(12、23、24)含有第一电感(12)，其通过第三开关(13)连接到开关晶闸管(14)的栅极。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，该导通电路的电能量存储器(12、23、24)含有一个第二电感(24)和一个与空载二极管(22)相并联的电容(23)，该电感(24)连接到开关晶体管的栅极，可关断的电流上升限制装置(25、26、27、28)连接在开关晶闸管的栅极和阴极之间。
10.如权利要求9的方法，其特征在于，该变换器(8、9、20)含有第一的、为第一电感(12)供电的次极绕组(9)和第二的、为第二电感(24)供电的次级绕组。
11.如权利要求6的方法，其特征在于，该关断电路含有一个容性的能量存储器(3)，从该存储器借助于第一开关(4)得到用于产生关断电流的能量，该导通电路含有一个第二开关(7)和一个存储器电感(34)，以此为了产生保持电流，从能量存储器(3)中产生电压脉冲序列，并且该电压脉冲序列供应到导通电路的电能量存储器(12、24)，并且为了产生起动电流，该导通电路含有可关断的起动电感(35)。
全文摘要
本发明给出导通和关断GTO的方法和相应的控制电路。导通电流和保持电流从电压脉冲产生,其借助于电能量存储器转换成电流。当必需的电压脉冲从同一电源或同一能量存储器得到时,该电路技术是特别有利的,如同产生关断电流所必需的脉冲。保持电流优选的通过电压脉冲的重复产生。电压脉冲的重复频率根据需要可以升高或降低。尤其是当栅极－阴极电压为负时,该频率减小以能够在更新的正电压时再一次提高。
文档编号H03K17/00GK1206960SQ9811617
公开日1999年2月3日 申请日期1998年7月24日 优先权日1998年7月24日
发明者A·克恩拉德斯, H·格吕宁 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司