專利名稱：大功率門極可關斷晶閘管門極驅動控制單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率GTO門極驅動控制單元。
對于由功率開關元件GTO(GATE TURN Off Thyristor)組成的變流器，門極驅動技術是其中的一項關鍵技術，現有的GTO門控單元雖然能夠完成門極驅動的基本功能，但也存在以下缺點(1)門極維持電流由+5V電源通過限流電阻產生，電阻損耗大；且門極維持電流的大小隨GTO門、陰極間負載的變化而變化；(2)門控單元輸出特性依賴外部門控電源的輸出精度，自身無調節能力；(3)在負載發生故障時，門控單元無自保護功能；(4)在門控單元開通、關斷過程結束后，給開通電容、關斷電容充電的過程中，充電電流初期大，對外部門控電源沖擊大，在充電過程后期，充電電流過小，以至充電時間過長。
本發明的目的即是為克服以上現有大功率GTO門極驅動控制單元的缺點，提供一種損耗小、門極維持電流穩定、精度高、對外部門控電源沖擊小、充電時間短，并且具有自保護功能，尤其適合工作在高壓大電流場合的大功率GTO門極控制單元。
為實現以上目的，本發明采用的技術方案是包括電源環節1、開通環節2、關斷及反偏環節3、邏輯環節4；從上級門控電源來的脈沖信號輸入至電源環節1，產生的直流電源輸出至門控單元各環節；控制系統的控制信號由光纖輸入邏輯環節4，GTO工作狀態通過光纖傳輸至控制系統；邏輯環節4的開通信號輸入至開通環節2，在開通期間，該開通環節2產生門極電流中高而陡(即di/dt較大)的正脈沖電流輸出至GTO門極；邏輯環節4的關斷信號輸入至關斷及反偏環節3，在關斷期間，該關斷及反偏環節3產生門極電流中高而陡的負脈沖電流輸出至GTO門極；其特征是還包括導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6，所述的導通恒流環節5的輸出端與開通環節2相連接，導通恒流環節5的控制輸入端與邏輯環節4相連接；所述的關斷恒壓恒流環節6的輸出端與關斷及反偏環節3相連接，關斷恒壓恒流環節6的控制輸入端與邏輯環節4相連接，所述的導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6均通過電源環節1與上級門控電源來的脈沖信號相連；在GTO關斷期間，導通恒流環節5以恒定的電流給導通電容充電；在GTO開通期間關斷恒壓恒流環節6給關斷電容充電。
所述的導通恒流環節5中，場效應管均采用N溝道；場效應管Vcp1的柵極與邏輯環節4中的控制器Controller1輸出端相連接，導通恒流環節5中GTO門極電流回路中的采樣電阻Rf1的高電位端與控制器Controller1的輸入端相連接；場效應管Vcp1的漏極與電源環節1中的第一直流電源輸出端的正極相接，其源極與二極管Vd1的陽極相接，二極管Vd1、Vd2的陰極相接后與電感器L1相連，該電感器L1的另一端則連接開通環節2中場效應管Von漏極與電容器Con和電阻器Ron串聯電路的連接點；開通環節2中GTO的陰極與采樣電阻Rf1相連，其連接點同時與控制器Controller1的輸入端相連接，采樣電阻器Rf1的另一端與二極管Vd2陽極相連后與電源環節1的電源地相連。
所述的關斷恒壓恒流環節6的場效應管均為N溝道型的，場效應管Vcp2的柵極與邏輯環節4中的控制器Controller2輸出端相連接，關斷恒壓恒流環節6中GTO門極電流回路中的采樣電阻Rf2的高電位端與控制器Controller2的第一輸入端連接，電感器L3與關斷及反偏環節3電路中關斷電容Coff與GTO陰極的連接點與控制器Controller2的第二輸入端相連接，所述場效應管Vcp2的漏極與電源環節1中的第二直流電源輸出端的正極相接，其源極與二極管Vd4的陽極相接，二極管Vd3、Vd4的陰極相接后與電感器L3相連，該電感器L3的另一端則連接關斷電容器Coff；該關斷電容器Coff的另一端與采樣電阻Rf2相連，其連接點同時與控制器Controller2的第一輸入端相連接，采樣電阻器Rf2的另一端與二極管Vd3陽極相連后與電源環節1的電源地相連。
所述的導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6的場效應管也可以均為P溝道型。
所述的導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6的控制導通與關斷的元件還可以為三極管。
與現技術相比，本發明的大功率GTO門極驅動控制單元具有電源環節以及導通恒流環節和關斷恒壓恒流環節，對外部門控電源沖擊小，精度提高，具有自保功能；又由于開通電容和關斷電容經過導通恒流環節和關斷恒壓恒流環節的預充電，充電時間縮短了，同時，邏輯環節實時監測GTO門極電流，向控制系統反饋。
以下結合實施例和附圖詳細描述本發明。
圖1為本發明的原理框圖；圖2為電源環節電路原理圖；圖3為邏輯環節門極電流檢測電路；圖4為導通恒流環節電路原理圖；圖5為Vcp1導通時導通恒流環節電路拓撲原理圖；圖6為導通恒流環節的Vcp1的控制信號及門極電流波形圖；圖7為Vcp1關斷時導通恒流環節電路拓撲原理圖；圖8為關斷恒壓恒流環節電路原理圖。
如圖1所示，本實施例采用的技術方案是包括電源環節1、開通環節2、關斷及反偏環節3、邏輯環節4；從上級門控電源來的脈沖信號輸入至電源環節1，產生的直流電源輸出至門控單元各環節；控制系統的控制信號由光纖輸入邏輯環節4，GTO工作狀態通過光纖傳輸至控制系統；邏輯環節4的開通信號輸入至開通環節2，在開通期間，該開通環節2產生門極電流中高而陡(即di/dt較大)的正脈沖電流輸出至GTO門極；邏輯環節4的關斷信號輸入至關斷及反偏環節3，在關斷期間，該關斷及反偏環節3產生門極電流中高而陡的負脈沖電流輸出至GTO門極；其特征是還包括導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6，所述的導通恒流環節5的輸出端與開通環節2相連接，導通恒流環節5的控制輸入端與邏輯環節4相連接；所述的關斷恒壓恒流環節6的輸出端與關斷及反偏環節3相連接，關斷恒壓恒流環節6的控制輸入端與邏輯環節4相連接，所述的導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6均通過電源環節1與上級門控電源來的脈沖信號相連；在GTO關斷期間，導通恒流環節5以恒定的電流給導通電容充電；在GTO開通期間關斷恒壓恒流環節6給關斷電容充電。
如圖2所示，在電源環節1中，從上級門控電源來的脈沖電壓信號由電源變壓器T1變壓后經整流二極管D1、D2、濾波電容器C1整流濾波，二極管D1、D2的陰極相連接成為第一直流電源輸出端，輸出至導通恒流環節5，整流二極管D1、D2的陽極分別與電源變壓器T1第一次級的兩端相連，濾波電容器C1接于第一直流電源輸出端與第一次級中間抽頭之間；整流二極管D3、D4的陽極分別與電源變壓器T1第二次級的兩端相連，陰極相連成為第二直流電源輸出端，輸出至關斷恒壓恒流環節6，濾波電容器C2接于第二直流電源輸出端與第二次級中間抽頭之間。
如圖3所示，在邏輯環節4中設有一個門極電流檢測電路。該電路包括一個門極電流感應線圈L2，感應線圈L2的兩端分別與橋式整流器B1的輸入端相連接，橋式整流器B1的輸出端通過電阻器R4與比較器NB的一個輸入端相連接，而比較器的另一個輸入端與接于+5V基準電壓和電源地之間的、由電阻器R3、R5組成的串聯電路的中間接點相連接。比較器NB的輸出端信號輸出至邏輯環節4。
如圖4所示，圖中點劃線框中的電路為導通恒流環節5，在本實施例的導通恒流環節5中，場效應管均采用N溝道。場效應管Vcp1的柵極與邏輯環節4中的控制器Controller1輸出端相連接，導通恒流環節5中GTO門極電流回路中的采樣電阻Rfl的高電位端與控制器Controller1的輸入端相連接；場效應管Vcp1的漏極與電源環節1中的第一直流電源輸出端的正極相接，其源極與二極管Vd1的陽極相接，二極管Vd1、Vd2的陰極相接后與電感器L1相連，該電感器L1的另一端則連接開通環節2中場效應管Von漏極與電容器Con和電阻器Ron串聯電路的連接點；開通環節2中GTO的陰極與采樣電阻Rf1相連，其連接點同時與控制器Controller1的輸入端相連接，采樣電阻器Rf1的另一端與二極管Vd2陽極相連后與電源環節1的電源地相連。
該導通恒流環節5是這樣工作的，圖5為Vcp1導通時導通恒流環節電路拓撲原理圖；圖6為Vcp1的控制信號及門極電流波形圖。在GTO導通期間，場效應管Von一直為通態，當GTO門極維持電流iG小于給定值IG時，控制器Controller1從采樣電阻器Rf1上獲得該電流信號iG與給定值IG進行比較，經調節后，于t1時刻場效應管Vcp1導通，由于電感L1的作用，GTO門極維持電流iG以一定的di/dt上升，如圖6中t1～t2時間間隔的波形；當門極維持電流iG大于給定值IG后，經控制器Controller1的調節，于t2時刻場效應管Vcp1關斷，Vcp1關斷后的電路拓撲圖如圖7，門極維持電流iG開始下降，如圖6中t2～t3時間間隔內的波形所示，至t3時刻后又開始重復上述過程。
導通恒流環節5的引入使GTO門極維持電流iG穩定，門控單元輸出特性輸出精度提高，有效地克服了上述第1、2、4條缺點。
如圖8所示，圖中點劃線框內的電路為關斷恒壓恒流環節6的電路原理圖，同樣地，本實施例中的場效應管均為N溝道型的。場效應管Vcp2的柵極與邏輯環節4中的控制器Controller2輸出端相連接，關斷恒壓恒流環節6中GTO門極電流回路中的采樣電阻Rf2的高電位端與控制器Controller2的第一輸入端連接，電感器L3與關斷及反偏環節3電路中關斷電容Coff與GTO陰極的連接點與控制器Controller2的第二輸入端相連接，所述場效應管Vcp2的漏極與電源環節1中的第二直流電源輸出端的正極相接，其源極與二極管Vd4的陽極相接，二極管Vd3、Vd4的陰極相接后與電感器L3相連，該電感器L3的另一端則連接關斷電容器Coff；該關斷電容器Coff的另一端與采樣電阻Rf2相連，其連接點同時與控制器Controller2的第一輸入端相連接，采樣電阻器Rf2的另一端與二極管Vd3陽極相連后與電源環節1的電源地相連。
關斷恒壓恒流環節6在控制器上增加了一個恒壓環節，完成以恒定的電流給關斷電容器Coff充電，并使該關斷電容器Coff上的電壓恒定在-15V。
導通恒流環節5和關斷恒壓恒流環節6兩個環節恒流環的恒流作用，使得門控單元在負載發生故障時具有自保護能力。此外，電源環節1還能隔離上級門控電源與主電路，提高系統抗干擾能力。
以上實施例中場效應管采用N溝道型，但P溝道場效應管也同樣可以達到同樣效果，只是在采用P溝道場效應管時，電路的具體連接方式要有相應改變；同樣地，還可用其它控制電路通斷的元件如三極管來等效替代場效應管，其效果也是一樣的。
權利要求
1.一種大功率GTO門極驅動控制單元，包括電源環節(1)、開通環節(2)、關斷及反偏環節(3)、邏輯環節(4)，其特征是還包括導通恒流環節(5)和關斷恒壓恒流環節(6)；所述的導通恒流環節(5)的輸出端與開通環節(2)相連接，導通恒流環節(5)的控制輸入端與邏輯環節(4)相連接；所述的關斷恒壓恒流環節(6)的輸出端與關斷及反偏環節(3)相連接，關斷恒壓恒流環節(6)的控制輸入端與邏輯環節(4)相連接，所述的導通恒流環節(5)和關斷恒壓恒流環節(6)均通過電源環節(1)與上級門控電源來的脈沖信號相連；在GTO關斷期間，導通恒流環節(5)以恒定的電流給導通電容充電；在GTO開通期間關斷恒壓恒流環節(6)給關斷電容充電。
2.如權利要求1所述的大功率GTO門極驅動控制單元，其特征在于A所述的導通恒流環節(5)中，場效應管均采用N溝道；場效應管Vcp1的柵極與邏輯環節(4)中的控制器Controller1輸出端相連接，該導通恒流環節(5)中GTO門極電流回路中的采樣電阻Rf1的高電位端與控制器Controller1的輸入端相連接；場效應管Vcp1的漏極與電源環節(1)中的第一直流電源輸出端的正極相接，其源極與二極管Vd1的陽極相接，二極管Vd1、Vd2的陰極相接后與電感器L1相連，該電感器L1的另一端則連接開通環節(2)中場效應管Von漏極與電容器Con和電阻器Ron串聯電路的連接點；開通環節(2)中GTO的陰極與采樣電阻Rf1相連，其連接點同時與控制器Controller1的輸入端相連接，采樣電阻器Rf1的另一端與二極管Vd2陽極相連后與電源環節(1)的電源地相連；B所述的關斷恒壓恒流環節(6)的場效應管均為N溝道型的，場效應管Vcp2的柵極與邏輯環節(4)中的控制器Controller2輸出端相連接，關斷恒壓恒流環節(6)中GTO門極電流回路中的采樣電阻Rf2的高電位端與控制器Controller2的第一輸入端連接，電感器L3與關斷及反偏環節(3)電路中關斷電容Coff與GTO陰極的連接點與控制器Controller2的第二輸入端相連接，所述場效應管Vcp2的漏極與電源環節(1)中的第二直流電源輸出端的正極相接，其源極與二極管Vd4的陽極相接，二極管Vd3、Vd4的陰極相接后與電感器L3相連，該電感器L3的另一端則連接關斷電容器Coff；該關斷電容器Coff的另一端與采樣電阻Rf2相連，其連接點同時與控制器Controller2的第一輸入端相連接，采樣電阻器Rf2的另一端與二極管Vd3陽極相連后與電源環節(1)的電源地相連。
3.如權利要求2所述的大功率GTO門極驅動控制單元，其特征在于所述的導通恒流環節(5)和關斷恒壓恒流環節(6)的場效應管均為P溝道型。
4.如權利要求2所述的大功率GTO門極驅動控制單元，其特征在于所述的導通恒流環節(5)和關斷恒壓恒流環節(6)的控制導通與關斷的元件為三極管。
全文摘要
本發明涉及一種大功率門極可關斷晶閘管門極驅動控制單元,包括電源環節、開通環節、關斷及反偏環節、邏輯環節、導通恒流環節和關斷恒壓恒流環節,對外部門控電源沖擊小,精度高,充電時間短,同時,導通恒流環節和關斷恒壓恒流環節的恒流作用使門控單元在負載發生故障時具有自保功能。
文檔編號H02M1/08GK1274983SQ9911537
公開日2000年11月29日 申請日期1999年5月21日 優先權日1999年5月21日
發明者鄒高令, 趙清良, 馮江華 申請人:鐵道部株洲電力機車研究所