一种用于可控硅整流器的驱动装置及其驱动方法
【专利摘要】本发明提供了一种可控硅整流器的电能采集装置，包括：导电板，位于所述可控硅整流器的两电极中；绝缘介质，位于所述可控硅整流器的各电极和所述导电板之间；电压变化单元，与所述导电板电连接，用于采集和存储来自所述可控硅整流器的电能；以及稳压装置，与所述电压变化单元电连接。本发明提供了具有上述可控硅整流器的电能采集装置的驱动装置以及使用上述电能采集装置采集可控硅整流器中的电能的方法。根据本发明的装置和方法，其无论是在借助外部电源驱动还是自供电驱动的模式下工作时都是通过驱动单元产生具有理想波形的驱动信号，从而保证可控硅整流器可靠触发并且由此延长其使用寿命。
【专利说明】一种用于可控硅整流器的驱动装置及其驱动方法【技术领域】
[0001]本发明涉及可控硅整流器，并且尤其涉及一种可控硅整流器的驱动装置及其驱动方法。
【背景技术】
[0002]众所周之，在高压和大电流控制领域中可控硅整流器(SCR)是一种常用的电子开关。可控硅整流器是一种三端器件，包括阳极、阴极和栅极。与常规开关器件不同，可控硅整流器的导通受其栅极信号的控制，而其截止则不受栅极信号的控制，而仅与其阳极和阴极之间的电压有关。
[0003]常规的可控硅整流器，特别是大功率可控硅整流器的外形如图1所示。如图所示，该可控硅整流器I基本上为饼状结构。上下两层分别为金属极板构成的阳极和阴极的接线端子。中间为波浪状的陶瓷材料，用于加大爬电距离。在陶瓷材料中间有一接线端子，为控制极，即栅极端子。由于大功率可控硅整流器I的电流和发热量都很大，所以其端子与铜排之间的接触电阻必须尽可能的小，并且有良好的散热设计。因此，常用的可控硅整流器I在工作中的连接方式如图2所示。具体地，参见图2，用两块大而重的铜板，优选是矩形紫铜板将可控硅整流器I牢牢地压在中间，这样一方面可以增大接触面积并且减小接触电阻，另一方面也可以尽可能地降低热阻，达到良好的散热效果。
[0004]请参见图3,图3示出了可控娃整流器的栅极驱动的拓扑示意图。如该图所示,用于驱动可控硅整流器的电路包括控制单元2和驱动单元3。其中控制单元2生成通常为
3.3V或者5V的控制信号，并且将其发送到驱动单元3。而驱动单元3借助外部电源将其放大成大约+15V的信号以产生足够的电流来驱动可控硅整流器I的栅极，从而使可控硅整流器I导通。
[0005]在实际应用中，当可控硅整流器I尚未导通时，其阴极和阳极两端之间的交流电压可达几千伏特。因此，一般在可控硅整流器I与驱动单元3之间以及驱动单元3和控制单元2之间都需要进行隔离。目前，在可控硅整流器与驱动单元之间用脉冲变压器进行隔离，在驱动单元3和控制单元2之间则采用光纤进行隔离。而驱动单元3与控制单元2分另岫市电经过AC/DC隔离电源供电，这样就造成需要隔离的环节很多，设计起来比较困难。
[0006]如图3所示的拓扑示意图仅仅示出了理想的驱动情况。但是由于可控硅整流器常常工作在一些高压应用环境当中，诸如电力传输和电力分配的领域当中，因此需要确保可控硅整流器工作的高稳定性。因而需要在一些特殊情况发生，例如当控制单元损坏或者是驱动单元断电时，仍然要确保在可控硅整流器的阳极和阴极两端的电压超过预定值时能够使可控硅整流器导通。因此，除了常规的借助外部电源驱动模式之外，还需要额外的无外部电源驱动模式以满足在上述特殊情况下仍然保证可控硅整流器的正常工作。
[0007]图4示出了常规的用于可控硅整流器的驱动装置的电路图。如图4所示，该驱动装置包括两个部分。在可控硅整流器I左侧的部分构成了借助外部电源驱动部分，其中采用脉冲变压器将驱动单元3生成的驱动信号从低压侧耦合到高压侧。由于驱动信号是从驱动单元3生成的，因此其生成的驱动信号具有理想的波形。可控硅整流器I右侧的部分构成了无外部电源驱动部分，包括击穿二极管Dl、D2、电阻Rl和电容C，连接关系如图4所示。其工作原理是，无论驱动单元是否上电，当可控硅整流器I的阳极和阴极两端的电压超过预定值时，击穿二极管Dl将导通并且生成驱动电流。
[0008]常规的用于可控硅整流器的驱动装置虽然能够提供了一种无外部电源驱动模式的解决方案，但是其仍然存在着一些问题。在实际应用中对于可控硅整流器的栅极驱动信号会有非常严格的要求。原因在于，如果驱动信号的波形不理想，重则错误的信号会损坏可控硅整流器从而降低其工作寿命，轻则会增加开关损耗。而上述常规的驱动装置的无外部电源驱动模块并不能产生理想的波形，因为流入可控硅整流器的栅极的电流会被阳极和阴极两端的电压改变，不受控制。无外部电源驱动模块流入控硅整流器的栅极的电流可能过大，损坏可控硅整流器的栅极端子。此外，无外部电源驱动模块也不能产生理想的驱动信号所要求的复杂的波形。除此之外，图4实施例中的无外部电源驱动模块由于经常产生瞬间的触发脉冲，很容易烧坏可控硅整流器。
[0009]此外，为了增强隔离的能力，在驱动单元和可控硅整流器之间起隔离作用的脉冲变压器的初级线圈应当远离其次级线圈，由此其中采用的磁性环的尺寸将使得整个驱动装置变大并且加重。除此之外，磁性环所具有的固有的磁滞特性也会使得通过其的驱动信号会发生失真。
【发明内容】
[0010]为了解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题，本发明提供了一种可控硅整流器的电能采集装置，包括:导电板，一种可控硅整流器电能采集装置，包括:电压获取单元，其包括第一导电板、第二导电板以及绝缘介质，所述第一导电板与所述可控硅整流器的一个电极电连接，所述第二导电板位于所述可控硅整流器的两电极之间，所述绝缘介质位于所述第一导电板和第二导电板之间；电压变换单兀，与所述第一导电板和第二导电板电连接，用于将所述电压获取单元获取的交流电压变换为稳定的直流电压。
[0011]本发明提供了一种可控硅整流器的驱动装置，包括:驱动单元，用于向所述可控硅整流器的栅极提供驱动信号；以及上述的可控硅整流器电能采集装置，用于至少在外部电源断电的情况下为所述驱动单元提供电能。
[0012]根据上述实施例，利用从所述可控硅整流器的阳极和阴极采集的电能来对所述驱动单元供电的其中一种【具体实施方式】是本发明的发明人从现有的可控硅整流器的工作时所采用的阳极和阴极两端连接的两块铜板上的交流高电压在这两块铜板之间形成的均匀的交变电场想到的。利用从该电场中获取电能来给驱动电路供电，这样就能解决驱动电源的外部电源断电时驱动电路的供电问题。并且这种方式实现也较为容易，可以大大地降低成本。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述控制单元和所述驱动单元之间通过光纤进行隔离，并且所述可控硅整流器电能采集装置还包括一储能单元，其用于储存所述电压变化单元输出的电能，以使得仅通过所述可控硅整流器电能采集装置就能满足所述驱动单元的电能供应，并且由此所述驱动单元和所述可控硅整流器之间不需要进行隔离。由于从可控硅整流器阳极和阴极两端采集的电能就能给驱动单元供电，因此驱动单元的地电位将与可控硅整流器的阴极或者阳极保持一致，从而在设计上可以取消驱动单元和可控硅之间的隔离，而仅保留驱动单元和控制单元之间的光纤隔离。这样，就可以解决现有技术中常规的驱动装置中的脉冲变压器带来的大尺寸、成本高和信号失真等问题。
[0014]参照结合附图进行的说明，本发明的其他目的和效果将变得更加显而易见并且更加易于理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面将结合实施例并且参照附图更加具体地介绍和解释本发明，在附图中:
[0016]图1是可控硅整流器的栅极端子的结构示意图；
[0017]图2是可控硅整流器的阴极、阳极端子连接示意图；
[0018]图3是可控硅整流器的栅极驱动的拓扑示意图；
[0019]图4是常规的用于可控硅整流器的驱动装置的电路示意图；
[0020]图5是根据本发明一个实施例的电场取电原理图；
[0021]图6是根据本发明一个实施例的可控硅整流器电能采集装置的电路图；以及
[0022]图7是图6所示的可控硅整流器电能采集装置的充放电时刻示意图。
[0023]在附图中相同的附图标记表示相似或相应的特征和/或功能。
【具体实施方式】
[0024]下文中将参照附图更加具体地说明本发明的实施例。
[0025]如上所述，为了解决如图4示的常规的驱动装置的无外部电源驱动部分不能产生理想的波形的问题，本发明提出一种新的驱动装置利用从可控硅整流器阳极和阴极采集的电能来对所述驱动单元供电，从而使得无论是在借助外部电源驱动还是自供电驱动的模式下工作时都是通过驱动单元产生具有理想波形的驱动信号，从而保证可控硅整流器可靠触发并且由此延长其使用寿命。
[0026]根据本发明，作为从可控硅整流器阳极和阴极采集的电能的一种实施例，发明人考虑到在可控硅整流器尚未导通时，作用在两块矩形紫铜板上的交流高电压将在两板之间形成一个均匀的交变电场。因此，可以从该电场中获取电能来给驱动单元供电。
[0027]具体地，图5是根据本发明一个实施例的电场取电原理图。如图5所示，根据本发明的实施例的驱动装置可包括驱动单元3，用于向可控硅整流器的栅极G提供驱动信号；电压获取单元，其包括第一导电板(图中阳极或阴极铜板)、第二导电板51以及绝缘介质52，第一导电板与可控娃整流器的一个电极电连接，第二导电板51位于可控娃整流器的两电极之间，绝缘介质52位于所述第一导电板和第二导电板51之间；以及电压变换单兀53,与第一导电板和第二导电板51电连接，用于将电压获取单元获取的交流电压变换为稳定的直流电压。
[0028]其中，电能采集装置能够在可控硅整流器1处于截止状态且可控硅阴阳两极之间存在高电压时，从可控硅整流器1的阳极和阴极采集电能，从而在外部电源断电的情况下，对驱动单元3进行供电并且通过驱动单元3来生成驱动信号。
[0029]当可控硅整流器1截止时，电压获取单元从所述可控硅整流器1的阳极和阴极之间的电压采集一交流感应电压。在一个实施例中，利用如图2所示的结构，考虑到可控硅整流器I的阳极和阴极两端电压较高，不能直接在端电压取电。因此，根据本发明的实施例，将一块导电板51，例如金属片或者金属箔，优选为矩形铜箔，插入电场中。此外，在铜箔与两端铜板之间填充高介电常数的绝缘介质。在均匀交变电场作用下，铜箔上将感应出电荷。定期地收集这些电荷，就可以用于为驱动单元供电。
[0030]具体地，由于阴极和阳极两端的这两块铜板很大并且彼此平行，因而当可控硅整流器I处于截止状态时在这两块铜板之间将会生成均匀的电场E:
[0031]
【权利要求】
1.一种可控硅整流器电能采集装置，包括:电压获取单元，其包括第一导电板、第二导电板以及绝缘介质，所述第一导电板与所述可控硅整流器的一个电极电连接，所述第二导电板位于所述可控硅整流器的两电极之间，所述绝缘介质位于所述第一导电板和第二导电板之间；电压变换单元，与所述第一导电板和第二导电板电连接，用于将所述电压获取单元获取的交流电压变换为稳定的直流电压。
2.如权利要求1所述的可控硅整流器电能采集装置，其中，电压变换单元进一步包括:整流电路单元，用于将所述交流电压变换为脉动直流电压，反激电路单元，用于将所述整流电路单元输出的电能储存并传递给所述稳压单元；所述稳压单元，用于将所述脉动直流电压变换为稳定直流电压。
3.如权利要求2所述的可控硅整流器电能采集装置，其中，所述电压变换单元进一步包括开关电路，用于当所述可控硅整流器的阳极和阴极之间的电压超过预定值时使所述整流电路单元导通。
4.如权利要求1所述的可控硅整流器电能采集装置，其特征在于，进一步包括储能单元，用于存储所述电压变化单元输出的电能。
5.如权利要求1所述的可控硅整流器电能采集装置，其特征在于，电压获取单元获取的交流电压值由所述第一导电板和所述第二导电板距离，和/或绝缘介质的相对介电常数调节。
6.一种可控硅整流器的驱动装置，包括:驱动单元，用于向所述可控硅整流器的栅极提供驱动信号；如权利要求1-5所述的可控硅整流器电能采集装置，用于至少在外部电源断电的情况下为所述驱动单元提供电能。
7.如权利要求6所述的可控硅整流器的驱动装置，进一步包括:备用驱动触发单元，用于当所述可控硅整流器的阳极和阴极之间的电压超过预定值时，触发所述驱动单元使其向所述可控硅整流器的栅极提供驱动信号。
8.如权利要求7所述的可控硅整流器的驱动装置，进一步包括:所述备用驱动触发单元由所述电能采集装置提供电能。
9.如权利要求6所述的可控硅整流器的驱动装置，其特征在于，所述驱动单元所需的电能全部由所述电能采集装置供应。
【文档编号】G01R22/06GK103675439SQ201210320839
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】宋英华, 姚吉隆, 赵研峰 申请人:西门子公司