一种门极可关断晶闸管低导通维持电路及控制方法
【专利摘要】本发明设计一种门极可关断晶闸管低导通维持电路及控制方法，其特征在于：包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器、温度传感器和电流回路，所述比较器U1的输入端连接有电流传感器和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器与电流回路连接，所述控制芯片U2与温度传感器和电流回路连接，所述温度传感器与GTO二极管连接；本发明电路是根据CS驱动控制信号，在控制芯片U2的控制下，通过不同的时序逻辑，依次开通关断MOSFET器件QE、QP、QC、QS，形成电流回路，来实现GTO二极管导通所需的高脉冲电流和导通维持电流，同时该电路还集成了电流传感功能和温度检测功能，进一步实现对GTO二极管注入电流的调节和控制。
【专利说明】
一种门极可关断晶闸管低导通维持电路及控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种低导通维持电路及控制方法，尤其门极可关断晶闸管低导通维持电路及控制方法，属于大功率电流型功率半导体器件驱动控制技术领域。
【背景技术】
[0002]门极可关断晶闸管(GTO)是一种大功率的电流型功率半导体器件，相对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等场控型半导体器件，GTO驱动电流型器件的驱动功耗往往较大，而且驱动电路复杂，控制方式一般为开环不控方式，即设定一个固定的直流驱动电流，无法根据需求动态调节电流值大小，这种方式造成驱动损耗增大，不能有效利用电能，并且这些损耗还增加驱动电路元件的老化，降低以GTO为核心元件的系统整体的可靠性。
[0003]门极可关断晶闸管(GTO)的可靠开启驱动需要向门极注入如图1所示的电流波形，CS为驱动控制信号，CS低电平表示GTO处于关断截止状态，高电平表示导通状态；IG为GTO门极注入电流。如图1所示在TO时刻，CS信号为低电平，IG电流为零;在Tl时刻，CS信号变为高电平，此时需要向GTO的门极注入一个高的脉冲电流，迅速向GTO门极注入大量载流子，使GTO进入导通状态，在T2时刻，脉冲电流结束，IG电流维持在5A-10A中某一固定值，用来维持GTO器件的正常导通;T3时刻，CS信号变为低电平，IG电流变为零，停止向GTO的门极注入电流，GTO进入关断状态。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，且根据实际测试电路，设计了一台高压大功率器件的测试平台，能够快速、准确的测试IGTO器件的相关参数，验证器件性能。
[0005]为实现以上技术目的，本发明的技术方案是:一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于:包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器、温度传感器和电流回路，所述比较器U1的输入端连接有电流传感器和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器与电流回路连接，所述控制芯片1]2与温度传感器和电流回路连接，所述温度传感器与GTO 二极管连接，所述电流回路包括第一电流回路、第二电流回路、第三电流回路和第四电流回路，所述第一电流回路是由电压源V1、MOSFET器件Qp、电感LdPMOSFET器件Qe组成的回路，所述第二电流回路是由电感L2、MOSFET器件Qc、GTO二极管和二极管Dp组成的回路，所述第三电流回路是由电压源VhMOSFET器件QS、电感L1、电阻Rs、M0SFET器件QdPGTO 二极管组成的回路，所述第四电流回路是由电感1^、电阻Rs、M0SFET器件QC、GT0 二极管和二极管Ds组成的续流回路。
[0006]进一步地，控制芯片U2由FPGA或者CPLD芯片编写程序实现。
[0007 ] 进一步地，所述GTO 二极管为GTO门极和阴极之间PN结。
[0008]同时为实现以上技术目的，本发明还提供一种门极可关断晶闸管低导通维持电路的控制方法，其特征在于，包括: (a)控制芯片1]2接受CS控制信号，Tl时刻，CS信号变为高电平，经过一段时间延时，T2时亥丨J，控制芯片U2驱动MOSFET器件Qe开启；
(b)T3时刻，控制芯片U2驱动MOSFET器件Qp开启，电压源V1通过MOSFET器件Qp和MOSFET器件Qe向电感L2充电，电感L2的电流线性上升，此时第一电流回路形成；
(c)T4时刻，M0SFET器件Qc开启，在T5时刻，同时关断MOSFET器件Qp和MOSFET器件Qe，电感1^2通过MOSFET器件Qc和二极管Dp向GTO 二极管注入高脉冲电流，此时第二电流回路形成；
(d).T6时刻，MOSFET器件Qs开启，电压源V1通过MOSFET器件Qs向电感L1充电，电感1^通过电阻Rs和MOSFET器件&向6? 二极管注入电流，此时第三电流回路形成，GTO 二极管的电流是第二电流回路和第三电流回路电流的叠加，过程中第二电流回路的脉冲电流经过峰值后逐渐降低至零，第三电流回路的电流缓慢上升，GTO 二极管电流整体缓慢上升；
(e)T7时刻，GTO二极管电流达到设置的上限值，MOSFET器件Qs关断，电感L1、电阻Rs、MOSFET器件QC(14)、GT0 二极管(15)和二极管Ds(20)组成了续流回路，此续流回路为第四电流回路，GTO二极管电流靠续流电流维持导通且线性下降；
(f).T8时刻，GTO二极管电流达到设置的下限值，再次开启MOSFET器件Qs，第三电流回路再次形成，GTO 二极管电流再次达到上限值，再次关断MOSFET器件Qs;
(g)T9时刻，CS信号变为低电平，GTO二极管电流为零。
[0009]从以上描述可以看出，本发明的有益效果在于:
1)本发明电路采用MOSFET器件、电感、二极管等组成储能回路，并且利用MOSFET器件的快速关断能力，实现尚脉冲电流，并且具有尚的di/dt，有利于GTO一■极管的快速导通；
2)本发明电路集成了电流传感功能，并通过控制芯片U2实现闭环控制功能，精确实现电流值的控制，降低驱动损耗，可重复性高；
3)该电路集成了温度检测功能，可以通过检测GTO二极管的温度值，进而反馈到控制芯片U2，来调节GTO 二极管的导通维持电流和高脉冲触发电流的大小，GTO 二极管的导通维持电流与高脉冲触发电流呈负相关特性，即温度越高，需要的电流值越小；
4)该电路采用buck型开关电路为GTO注入导通维持电流，电能利用效率高，相比传统的电路拓扑，损耗大幅降低。
【附图说明】
[0010]图1为GTO的门极注入电流和时序驱动信号波形图。
[0011]图2为本发明GTO低导通维持电路图。
[0012]图3为本发明第一电流回路的电路图。
[0013]图4为本发明第二电流回路的电路图。
[0014]图5为本发明第三电流回路的电路图。
[0015]图6为本发明第四电流回路的电路图。
[0016]图7为本发明GTO二极管和时序驱动信号波形图。
[0017]【附图说明】:1-电流传感器、2-温度传感器、3-电流回路、4-第一电流回路、5-第二电流回路、6-第三电流回路、7-第四电流回路、8-GT0 二极管。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0019]根据附图1所述，一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于:包括比较器瓜、控制芯片U2、电流传感器1、温度传感器2和电流回路3，所述比较器瓜的输入端连接有电流传感器3和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器I与电流回路3连接，所述控制芯片1]2与温度传感器2和电流回路3连接，所述温度传感器2与GTO 二极管8连接，所述电流回路3包括第一电流回路4、第二电流回路5、第三电流回路6和第四电流回路7，控制芯片U2*FPGA或者CPLD芯片编写程序实现。
[0020]如图3所示，所述第一电流回路4是由电压源V1、M0SFET器件Qp、电感L2和MOSFET器件Qe组成的回路，
如图4所示，所述第二电流回路5是由电感L2、M0SFET器件QC、GT0 二极管8和二极管Dp组成的回路，所述GTO 二极管8为GTO门极和阴极之间PN结。
[0021]如图5所示，所述第三电流回路6是由电压源VhMOSFET器件Qs、电感L1、电阻Rs、MOSFET器件Qc和GTO 二极管8组成的回路。
[0022]如图6所示，所述第四电流回路7是由电感1^、电阻Rs、M0SFET器件QC、GT0 二极管8和二极管Ds组成的续流回路。
[0023]根据图7所示，CS为驱动控制信号，CS低电平表示GTO处于关断截止状态，高电平表示导通状态；IG为GTO门极注入电流。一种门极可关断晶闸管低导通维持电路的控制方法，其特征在于，包括:
(a)控制芯片1]2接受CS控制信号，Tl时刻，CS信号变为高电平，经过一段时间延时，T2时亥丨J，控制芯片U2驱动MOSFET器件Qe开启；
(b)T3时刻，控制芯片U2驱动MOSFET器件Qp开启，电压源V1通过MOSFET器件Qp和MOSFET器件Qe向电感L2充电，电感L2的电流线性上升，此时第一电流回路(4)形成，如图3所示；
(c)T4时刻，M0SFET器件Qc开启，在T5时刻，同时关断MOSFET器件Qp和MOSFET器件Qe，电感1^2通过MOSFET器件Qc和二极管Dp向GTO 二极管8注入高脉冲电流，此时第二电流回路(5)形成，如图4所示；
(d).T6时刻，MOSFET器件Qs开启，电压源V1通过MOSFET器件Qs向电感L1充电，电感1^通过电阻Rs和MOSFET器件Qc向GTO 二极管8注入电流，此时第三电流回路(6)形成，GTO 二极管8的电流是第二电流回路(5)和第三电流回路(6)电流的叠加，过程中第二电流回路(5)的脉冲电流经过峰值后逐渐降低至零，第三电流回路(6)的电流缓慢上升，GTO 二极管8电流整体缓慢上升，如图5所示；
(e)T7时刻，GTO二极管8电流达到设置的上限值，MOSFET器件Qs关断，电感L1、电阻Rs、MOSFET器件QC、GT0 二极管8和二极管Ds组成了续流回路，此续流回路为第四电流回路(7)，GTO二极管8电流靠续流电流维持导通且线性下降，如图6所示；
(f).T8时刻，GTO二极管8电流达到设置的下限值，再次开启MOSFET器件Qs，第三电流回路(6)再次形成，GTO 二极管8电流再次达到上限值，再次关断MOSFET器件Qs;
(g)T9时刻，CS信号变为低电平，GTO二极管8电流为零。
[0024]本发明电路是根据CS驱动控制信号，在控制芯片1]2的控制下，通过不同的时序逻辑，依次开通关断MOSFET器件Qe、Qp、Qc、Qs，形成电流回路3，来实现GTO 二极管8导通所需的高脉冲电流和导通维持电流，并且加入了电流传感器I的电流检测功能，可以根据不同工况调节电流值的范围，实现闭环控制，同时该电路也集成了温度传感器2的温度检测功能，用来检测GTO 二极管8的温度值，进而反馈到控制芯片1]2来调节GTO 二极管8的导通维持电流和高脉冲触发电流的大小，避免温度过高影响GTO 二极管8正常运行。
[0025]以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于:包括比较器U1、控制芯片U2、电流传感器(I)、温度传感器(2)和电流回路(3)，所述比较器U1的输入端连接有电流传感器(3)和基准电压Vref，输出端与控制芯片U2连接，所述电流传感器(I)与电流回路(3)连接，所述控制芯片U2与温度传感器(2)和电流回路(3)连接，所述温度传感器(2)与GTO 二极管(8)连接，所述电流回路(3)包括第一电流回路(4)、第二电流回路(5)、第三电流回路(6)和第四电流回路(7)，所述第一电流回路(4)是由电压源VhMOSFET器件Qp、电感L2和MOSFET器件Qe组成的回路，所述第二电流回路(5)是由电感L2、M0SFET器件QC、GT0 二极管(8)和二极管Dp组成的回路，所述第三电流回路(6)是由电压源VhMOSFET器件Qs、电感L1、电阻Rs、M0SFET器件Qc和GTO 二极管(8)组成的回路，所述第四电流回路(7)是由电感1^、电阻Rs、M0SFET器件Qc、GTO 二极管(8)和二极管Ds组成的续流回路。2.根据权利要求1所述的一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于:控制芯片U2*FPGA或者CPLD芯片编写程序实现。3.根据权利要求1所述的一种门极可关断晶闸管低导通维持电路，其特征在于:所述GTO 二极管(8 )为GTO门极和阴极之间PN结。4.一种门极可关断晶闸管低导通维持电路的控制方法，其特征在于，包括: (a)控制芯片1]2接受CS控制信号，Tl时刻，CS信号变为高电平，经过一段时间延时，T2时亥丨J，控制芯片U2驱动MOSFET器件Qe开启； (b)T3时亥丨」，控制芯片U2驱动MOSFET器件Qp开启，电压源化通过MOSFET器件Qp和MOSFET器件Qe向电感L2充电，电感L2的电流线性上升，此时第一电流回路(4)形成； (c)T4时刻，M0SFET器件Qc开启，在T5时刻，同时关断MOSFET器件Qp和MOSFET器件Qe，电感L2通过MOSFET器件Qc和二极管Dp向GTO 二极管(8)注入高脉冲电流，此时第二电流回路(5)形成； (d).T6时刻，M0SFET器件Qs开启，电压源V1通过MOSFET器件Qs向电感L1充电，电感L1通过电阻Rs和MOSFET器件&向6? 二极管(8)注入电流，此时第三电流回路(6)形成，GTO 二极管(8)的电流是第二电流回路(5)和第三电流回路(6)电流的叠加，过程中第二电流回路(5)的脉冲电流经过峰值后逐渐降低至零，第三电流回路(6)的电流缓慢上升，GTO 二极管(8)电流整体缓慢上升； (e)T7时刻，GTO二极管(8)电流达到设置的上限值，MOSFET器件Qs关断，电感U、电阻Rs、MOSFET器件QC、GT0 二极管(8)和二极管Ds组成了续流回路，此续流回路为第四电流回路(7)，GTO 二极管(8)电流靠续流电流维持导通且线性下降； (f).T8时刻，GTO二极管(8)电流达到设置的下限值，再次开启MOSFET器件Qs，第三电流回路(6)再次形成，GTO 二极管(8)电流再次达到上限值，再次关断MOSFET器件Qs; (g)T9时刻，CS信号变为低电平，GTO二极管(8)电流为零。
【文档编号】H02M1/06GK105846656SQ201610404087
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】潘烨, 白玉明, 张海涛
【申请人】无锡同方微电子有限公司