專利名稱：使用諧振電路中的交流來同時操作晶閘管的諧振電流源門極驅(qū)動的制作方法
使用諧振電路中的交流來同時操作晶閘管 的諧振電流源門極驅(qū)動
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2007年8月21日提交的美國專利申請No. 11/842,764 的優(yōu)先權(quán)，申請No. 11/842,764是于2006年4月17日提交的、名稱為"使 用諧振電路中的交流來同時操作晶閘管的諧振電流源門極驅(qū)動"的美 國申請No. 11/405,184的部分繼續(xù)申請，這兩件申請都通過引用完全結(jié)合 于此。
背景技術(shù)：
通常使用電子電路來提供使用于電開關(guān)的晶閘管導通的門極脈沖信 號。當在高電壓下使用晶閘管時，需要將電子門極驅(qū)動電路與高電壓進行 電隔離。通常的隔離方法包括光纖以及電壓和電流互感器。
一般的門極驅(qū)動使用兩個分離的電路來向晶閘管提供門極脈沖。當使 用互感器來耦合門極驅(qū)動器時，由于門極驅(qū)動脈沖中的直流(DC)分量 導致互感器中的磁性材料未被有效利用。直流分量導致在互感器的磁芯中 形成了剩磁。結(jié)果，隨著脈沖數(shù)量增加，來自互感器的輸出脈沖被劣化。 因此，后續(xù)的脈沖可能無法有效地使晶閘管導通。在這種情況下，需要高 得多的輸入電流來提#適的輸出脈沖。
晶閘管通過電流信號導通(其他類型的電氣設備可以通過電壓信號導 通)。通常，使用電流源門極驅(qū)動來使晶閘管導通。當在高電壓下使用晶 閘管時，通常使用電流互感器來將電子門極驅(qū)動電路與高電壓進行電隔 離。 一般的門極驅(qū)動使用提供交變脈沖的兩個電路(圖1中的環(huán)路l和環(huán) 路2)。每個環(huán)路都耦合到單獨的電流互感器。通常使用諧振電路來生成 脈沖。每個脈沖的正的部分提供使晶閘管導通的電流信號。較小負值部分 (negative loop )為諧振電路再充電，以提高門極驅(qū)動的效率。因為正脈 沖大于負脈沖，所以在門極驅(qū)動信號中存在正的直流分量。在美國專利 No. 5,585,758中更詳細地描述了這種操作模式，該美國專利通過引用完全 結(jié)合于此。圖1示出用于兩個一般的門極驅(qū)動電路(被命名為環(huán)路1和環(huán)路2 ) 的電流互感器的一次側(cè)上的輸入電流10和12。這兩個環(huán)路4吏用單獨的電 流互感器。電流互感器的輸出被整流并組合以提供晶閘管門極電流i (門 極)14。輸入電流10和12都隨時間保持著近似相同的幅度，但是門極電 流i (門極)14隨時間而劣化。門極電流14隨著時間而減小，這是由于 門極驅(qū)動信號的直流分量導致在電流互感器芯(除其他磁性材料外，通常 是鐵氧體)中形成剩磁。
圖2示出了磁性材料的典型B-H曲線。在水平軸(B)上的信號變化 提供了垂直軸(H)上的輸出。對于磁性材料，B-H曲線的輸出不是線性 的。例如，如圖2所示，輸入X1引起輸出Yl (如線22所示)。如果輸 入加倍(X2)，輸出(Y2)卻沒有加倍，而是僅增加了較小的量。如上面 的圖l所示，如果在輸入信號(例如門抓詠沖)中存在直流分量，則第一 輸入從零開始，但是由于剩磁導致輸出隨著時間而減小。正的輸入導致B 值向垂直軸的右側(cè)偏移(如線24所示)。負的輸入脈沖導致B值向垂直 軸的左側(cè)偏移(如線20所示)。交流(AC)驅(qū)動既包含正脈沖又包含負 脈沖。與XI幅度相同但是關(guān)于垂直軸對稱的輸入(Xl，)在H方向產(chǎn)生 的變化(Yl，)比輸入不對稱時在H方向產(chǎn)生的變化(Yl)更大。
圖3示出一般的耦合了電流互感器的門極驅(qū)動電路30。兩個門極驅(qū) 動環(huán)路32和34經(jīng)過幾個電流互感器42、 43、 44、 45、 46和47，每個晶 閘管36、 38和40都祐^提供了一對電流互感器。電流互感器的輸出相連4吏 得每對電流互感器都^Mt—個晶閘管36、 38和40。例如，互感器42和 43連接到晶閘管36。門極驅(qū)動電路30包括在互感器的端子和晶閘管之間 連接的，聯(lián)二極管DS。串聯(lián)二極，I^S阻止負電壓施加，晶-閘，門極上。
管DB。
圖4示出一般的諧振門極驅(qū)動電路50。該門極驅(qū)動電路使用兩個電 路。每個電路包括電容器C,該電容器C交替地通過再充電電路52充電 然后通過門極環(huán)路62和發(fā)射電路60放電以產(chǎn)生門極信號。再充電電路 56和發(fā)射電路60可以是由電子控制定時電路54和58導通和關(guān)斷的晶體 管。門極環(huán)路62的返回^ 圣(發(fā)射電路60的頂部)連接到電源52,以 限制在發(fā)射電路60中使用的晶體管上的電壓。
圖5A和5B分別示出了推挽式電流電路70和推挽式電壓電路80的 電路圖。推挽式電流電路70和推挽式電壓電路80產(chǎn)生基本上連續(xù)的門極驅(qū)動信號(如信號71和81所示)。諸如推挽式電流電路70和推挽式電壓 電路80等的門極驅(qū)動產(chǎn)生具有快速的上升時間的方波輸入。在電路70 和80中，在低電壓驅(qū)動電路和晶閘管之間的電流路徑中設置了隔離互感 器72、 74、 82和84。為了保持快速的上升時間，隔離互感器72、 74、 82 和84必須是非常有效率的并且具有低阻抗值。在一些實現(xiàn)方案中，電壓 源連續(xù)門極驅(qū)動使用較高阻抗隔離互感器，并且在高電壓電平下常常包括 快速前端電路(fast front circuit )。

發(fā)明內(nèi)容
4^Hf涉及使用晶閘管門極驅(qū)動來同時操作晶閘管。更具體地，>$^> 開涉及包括交流門極驅(qū)動的門極驅(qū)動，該交流門極驅(qū)動提高了門極驅(qū)動電 路的效率。
在一些方面，諧振門極驅(qū)動電路包括隔離互感器，該隔離互感器包括 第——次繞組、第二一次繞組以及二次繞組。諧振門極驅(qū)動電路還包括耦 合到第一一次繞組的第一諧振電路。第一一次繞組相對于二次繞組以第一 極性設置。諧振門極驅(qū)動電路還包括耦合到第二一次繞組的第二諧振電 路。第二一次繞組相對于二次繞組以第二極性設置。第二極性與第一極性 相反。諧振門極驅(qū)動電路還包括電連接到隔離互感器的整流電路。
實施例可以包括以下實施方式中的一個或更多。
第一諧振電路可以被配置為在隔離互感器的二次繞組上生成正的信 號。第二諧振電路可以被配置為在隔離互感器的二次繞組上生成負的信 號。整流電路可以被配置為對正的信號和負的信號進行整流。諧振門極驅(qū) 動電路可以被配置為向晶閘管提供基本上連續(xù)的門極驅(qū)動信號。
諧振門極驅(qū)動電路還可以包括電連接到整流電路的輸出的電容器。諧 振門極驅(qū)動電路還可以包括電連接到電容器的晶閘管。諧振門極驅(qū)動電路 還可以包括在電容器與晶閘管之間的電流路徑中設置的電阻器。
在一些方面，用于生成門極驅(qū)動信號的方法可以包括在隔離互感器處 接收由以相反極性耦合到隔離互感器的第一諧振電路和第二諧振電路所 提供的極性交替的電流脈沖。該方法還可以包括對隔離互感器生成的信號 進行整流以及將整流后的信號施加到晶閘管。
實施例可以包括以下實施方式中的一個或更多。
7極性交替的電流脈沖可以包括具有正電流值的第 一 電流脈沖和具有
負電流值的第二電流脈沖。隔離互感器可以包括第--次繞組、第二一次
繞組以及二次繞組。第一諧振電路可以耦合到第--次繞組并相對于二次
繞組以第 一極性設置。第二諧振電路可以耦合到第二一次繞組并相對于二 次繞組以第二極性設置，其中第二極性與第一極性相反。在隔離互感器處 接收由第 一諧振電路和第二諧振電路所提供的極性交替的電流脈沖的步
驟可以包括在二次繞組處接收來自第--次繞組的正電流，以及在二次
繞組處接收來自第二一次繞組的負電流。
在一些方面，電路可以包括第一諧振電路、第二諧振電路以及電流互 感器。第一諧振電路和第二諧振電路可以被配置為通過電流互感器來提供 極性交替的電流脈沖以操作晶閘管。
實施例可以包括以下實施方式中的一個或更多。
該電路可以包括被配置為對來自互感器的信號進行整流的整流電路。 該電路可以被配置為將正的晶閘管電流脈沖與負的再充電電流脈沖分隔 開。
在一些方面，系統(tǒng)包括電流互感器和一個或更多電路以通過電流互感 器提供極性交替的電流脈沖以操作晶閘管。
實施例可以包括以下實施方式中的一個或更多。
該系統(tǒng)還可以包括整流電路，該整流電膝故配置為對來自互感器的信 號進行整流。該電路可以被配置為將正的晶閘管電流脈沖與負的再充電電 流脈沖分隔開。該系統(tǒng)還可以包括電連接到電路的二極管，該二極管被配 置為向該電5^供負值部分返回環(huán)路。所述一個或更多電路可以包括第一 諧振電路和第二諧振電路。該互感器可以包括第——次繞組、第二一次繞 組以及二次繞組。第一諧振電路可以耦合到相對于二次繞組處于第一極性 的第——次繞組。第二諧振電路可以耦合到相對于二次繞組處于第二極性 的第二一次繞組，其中第二極性與第一極性相反。
在一些實施例中，門極驅(qū)動電路生成基本上連續(xù)的晶閘管門極驅(qū)動信 號，并阻止在出現(xiàn)高次諧波電流時晶閘管關(guān)斷。
在一些實施例中，諧振電路門極驅(qū)動通過將低電壓電路中的正的晶閘 管電流脈沖和負的再充電電流脈沖分隔開來提供連續(xù)的門極驅(qū)動信號。將 正的晶閘管電流脈沖和負的再充電電流脈沖分隔開減少了隔離互感器的 數(shù)量。這樣的門極驅(qū)動允許對于每對門極驅(qū)動電路而言在電路中包括單個隔離互感器，并使得能夠在高電壓下使用信號調(diào)節(jié)電路以向晶閘管提供連 續(xù)的門極驅(qū)動信號。
根據(jù)下面的描述并根據(jù)權(quán)利要求應當清楚本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點。


圖1示出利用很多脈沖來提供晶閘管門極信號的"柵欄"(picket fence)門極馬區(qū)動。
圖2示出在互感器中使用的磁性材料的工作特性。
圖3示出耦合了電流互感器的門極驅(qū)動電路。
圖4示出諧振門極驅(qū)動電路。
圖5A示出諧振門極驅(qū)動電路。
圖5B示出諧振門極驅(qū)動電路。
圖6示出交流"柵欄"門極驅(qū)動。
圖7示出耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動電路。
圖8示出諧振門極驅(qū)動的"再充電"節(jié)能特性。
圖9示出改進的交流門極驅(qū)動電路。
圖10示出諧振門極驅(qū)動電路。
具體實施例方式
電流源門極驅(qū)動常被用于同時操作一系列并行的晶閘管。諧振電路通 常被用于提供高效的門極電流源。門極電流源耦合到具有包括磁芯的互感 器的晶閘管。諧振電路經(jīng)常使用在互感器的磁芯中形成剩磁的單極性電流 脈沖(例如直流脈沖)，從而降低了門極驅(qū)動電路的效率，并需要高的輸 入能量來提供可靠的晶閘管操作。
>^>開涉及使用改進的晶閘管門極驅(qū)動電路來同時操作晶閘管。更具 體地，^^開描述的門極驅(qū)動電路特征在于提高了門極驅(qū)動電路效率的交 流(AC)門極驅(qū)動電路。4^^開還描述耦合了電流互感器的晶閘管門極 驅(qū)動。對于在電流互感器芯中使用的給定尺寸和材料，所述電路-互感器 提供了高的效率，或者允許4吏用更小、更低成本的芯同時保持相同的效率。另外，所述電路-互感器使用的電流互感器的數(shù)量是傳統(tǒng)的晶閘管門極驅(qū)
動(例如上面圖5A和圖5B所示的那些)使用的電流互感器的數(shù)量的一 半。
圖6示出了來自交流門極驅(qū)動的輸入和輸出信號。兩個門極脈沖電路 生成具有相反極性的輸入信號。輸入信號以相反方向施加到互感器，產(chǎn)生 如線102所示的交變電流。該交變電流102在每個方向(例如正和負方向) 交替AM^化磁芯，使得在互感器的芯中基本上不產(chǎn)生磁的累積，導致門極 驅(qū)動的效率提高。與傳統(tǒng)的電路(圖1)相比，用于產(chǎn)生門極電流106 i (門極)的輸入電流環(huán)路(環(huán)路l)的幅度可以更小。另外，因為在互感 器的磁芯中14Ui沒有剩磁，所以在交流門極驅(qū)動中門極電流106保持基 本恒定(例如幅度不隨時間降低)。在一些實施例中，第一脈沖稍微小于 第二脈沖，因為第一脈沖在磁性材料的B-H曲線上的零點處開始，而第 二脈沖的方向相反，從而更加關(guān)于垂直軸對稱(參見上面的圖2)。
圖7示出^^開的耦合了電流互感器的交流(AC )門極驅(qū)動電路110。 耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動電路110包括一組電流互感器113 、 117 和121。使用橋式整流器(例如橋式整流器114、 118和122)來對電流互 感器113、 117和121的輸出進行整流，以向晶閘管(例如晶閘管112、 116 和120)門極僅提供正脈沖。
圖8示出耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動電路110的工作。門極驅(qū) 動電路的輸出130是正脈沖大于負脈沖的阻尼正弦波(damped sine wave)。輸出信號130是通過使正向充電電容器經(jīng)感應器放電來產(chǎn)生的。 圖8還示出了電容器電壓132 (充電)。該電壓在正電平開始，然后隨著 脈沖形成而變?yōu)樨撝?。如果不存在負值部分，則電容器保持在該負值并且 使用相當大的能量用于再充電至凈脈沖(總能量136)。該負值部分將一 些能量恢復到電容器，從而使用較少量的能量來對電容器進行再充電(再 充電134)。用于對電容器進行再充電的能量近似等于如果沒有實現(xiàn)諧振 電路而使用的能量的1/4。
圖9示出了用于耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動電路IIO的諧振門 極驅(qū)動150。使用兩個門極驅(qū)動電路來為單一的共享的隔離互感器(諸如 圖7所示的隔離互感器113、 117或121)提供信號。更具體地，諧振門 極驅(qū)動150的輸出(門極環(huán)路)連接到圖7所示的隔離互感器。這樣，當 兩個諧振門極驅(qū)動150連接到該隔離互感器時，兩個諧振門極驅(qū)動150 向該隔離互感器提供交變電流。諧振門極驅(qū)動電路150包括為負值部分提供返回路徑的二極管D2。 二極管D2對諧振門極驅(qū)動150進行再充電并阻止來自負值部分的信號被 施加到晶閘管門極。二極管D2被包括在諧振門極驅(qū)動電路150中，這是 因為電連接到電流互感器的輸出的橋式整流器114、 118和122 (圖7所 示)沒有為負值部分提^H氐阻抗返回路徑。
在來自每個門極驅(qū)動電路的環(huán)路通過同 一 電流互感器的情況下，每個 環(huán)都將電流感應到另 一個環(huán)中。該感應電流在另 一個門極驅(qū)動電路中消 耗，從而降低了晶閘管門極的輸出。為了限制晶閘管輸出的降低效應，諧 振門極驅(qū)動電路150包括高阻抗電阻器，即R。電阻器R形成該感應電 流的高阻抗返回^MS。該高阻抗#使感應電流最小化并限制在發(fā)射電路 中4吏用的晶體管上的過電壓。
圖10示出了提供基本上連續(xù)的門極驅(qū)動信號162的諧振電路門極驅(qū) 動電路160的另外的實施例。門極驅(qū)動電路160包括耦合到單一的隔離互 感器163的兩個諧振電路164和166。諧振電路164耦合到隔離互感器163 的第——次繞組171，諧振電路166耦合到隔離互感器163的第二一次繞 組173。第一和第二一次繞組171和173電耦合到隔離互感器163的二次 繞組175。
兩個諧振電路164和166的輸出以相>^極性耦合到隔離互感器163。 例如，諧振電路164的輸出以與互感器163相同的極性取向被耦合，而諧 振電路166的輸出以相反的極性被耦合。這樣，諧振電路164的輸出在隔 離互感器163處生成正的門極驅(qū)動電流，而諧振電路166的輸出在隔離互 感器163處生成負的門極驅(qū)動電流。包括二極管168、 170、 172和174的 橋式整流器對正的和負的電流進行整流。門極驅(qū)動電路160將負值再充電 脈沖電路與再充電電路的下部的正值門極驅(qū)動脈沖電路分隔開。這樣，只 有正值門極驅(qū)動脈沖被通過隔離互感器163耦合到晶閘管，從而允許對于 諧振電路只使用一個隔離互感器163。在高電壓狀態(tài)下，整流器的輸出耦 合到電容器176以提供基本上連續(xù)的直流門極驅(qū)動電流162。提供了旁路 電路以將快速前端信號直接轉(zhuǎn)移給晶閘管。
諧振門極驅(qū)動電路150和160通過提供交流的諧振門極驅(qū)動，消除了 互感器磁芯中的剩磁。相信使用這樣的交流的諧振門極驅(qū)動提高了門極驅(qū) 動的效率并允許以較少的輸入能量進行門極驅(qū)動操作，和/或在不增加門 極驅(qū)動的能量的情況下操作大量的串行或并行的晶閘管。
應當理解，前面的描述旨在it明而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求的范圍來限定。
其他的實施例在下面的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)
權(quán)利要求
1.一種諧振門極驅(qū)動電路，包括隔離互感器，所述隔離互感器包括第一一次繞組、第二一次繞組以及二次繞組；耦合到所述第一一次繞組的第一諧振電路，所述第一一次繞組相對于所述二次繞組以第一極性設置；耦合到所述第二一次繞組的第二諧振電路，所述第二一次繞組相對于所述二次繞組以第二極性設置，所述第二極性與所述第一極性相反；以及電連接到所述隔離互感器的整流電路。
2. 如權(quán)利要求l所述的諧振門極驅(qū)動電路，其中所述第一諧振電路被配置為在所述隔離互感器的二次繞組上生成正 的信號；所述第二諧振電路被配置為在所述隔離互感器的二次繞組上生成負 的信號；以及所述整流電膝陂配置為對所述正的信號和負的信號進行整流。
3. 如權(quán)利要求l所述的諧振門極驅(qū)動電路，其中，所述諧振門極驅(qū) 動電#配置為向晶閘管提供基本上連續(xù)的門極驅(qū)動信號。
4. 如權(quán)利要求1所述的諧振門極驅(qū)動電路，還包括電連接到所述整 流電路的輸出的電容器。
5. 如權(quán)利要求4所述的諧振門極驅(qū)動電路，還包括電連接到所述電 容器的晶閘管。
6. 如權(quán)利要求5所述的諧振門極驅(qū)動電路，還包括在所述電容器與 所述晶閘管之間的電流路徑中設置的電阻器。
7. —種用于生成門極驅(qū)動信號的方法，所述方法包括在隔離互感器處接收由以相反極性耦合到所述隔離互感器的第 一諧 振電路和第二諧振電路所提供的極性交替的電流脈沖；對所述隔離互感器生成的信號進行整流；以及將整流后的信號施加到晶閘管。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述極性交替的電流脈沖包括具有正電流值的第一電流脈沖和具有負電流值的第二電流脈沖.
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述隔離互感器包括第——次繞組、第二一次繞組以及二次繞組；所述第 一諧振電路耦合到所述第一一次繞組，所述第一^""次繞組相對 于所述二次繞組以第 一極性設置；所述第二諧振電路耦合到所述第二一次繞組，所述第二一次繞組相對 于所述二次繞組以第^fel性設置，所述笫二極性與所述第一極性相反；以 及在所述隔離互感器處接收由所述第一諧振電路和所述第二諧振電路 所提供的極性交替的電流脈沖的步驟包括在所述二次繞組處接收來自所述第--次繞組的正電流，以及在所述二次繞組處接收來自所述第二一次繞組的負電流。
10. —種電路，包括第一諧振電路； 第二諧振電路；以及電流互感器，其中，所述第一諧振電路和所述第二諧振電膝故配置為 通過所述電流互感器來提供極性交替的電流脈沖以操作晶閘管。
11. 如權(quán)利要求10所述的電路，還包括被配置為對來自所述互感器 的信號進行整流的整流電路。
12. 如權(quán)利要求10所述的電路，其中，所述電#配置為將正的晶 閘管電流脈沖與負的再充電電流脈沖分隔開。
13. —種用于同時操作晶閘管的耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動， 包括電流互感器；以及一個或更多電路，通過所述電流互感器來提供極性交替的電流脈沖以 操作所述晶閘管。
14. 如權(quán)利要求13所述的耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動，還包 括整流電路，所述整流電#配置為在來自所述電流互感器的信號被施加 到所述晶閘管之前對該信號進行整流。
15. 如權(quán)利要求13所述的耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動，其中，所述電M配置為將正的晶閘管電流脈沖與負的再充電電流脈沖分隔開。
16. 如權(quán)利要求13所述的耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動，還包括電連接到所述電路的二極管，所述二統(tǒng)管被配置為向所述電^供負 值部分返回環(huán)路。
17. 如權(quán)利要求13所述的耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動，其中， 所述一個或更多電路包括第一諧振電路；以及 第二諧振電路。
18. 如權(quán)利要求13所述的耦合了電流互感器的交流門極驅(qū)動，其中所述互感器包括第——次繞組、第二一次繞組以及二次繞組；所述第 一諧振電路耦合到所述第 一一次繞組，所述第 一一次繞組相對 于所述二次繞組以第 一極性設置；所述第二諧振電路耦合到所述第二一次繞組，所述第二一次繞組相對 于所述二次繞組以第二極性設置，所述第二極性與所述第一極性相反。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于通過包括兩個一次繞組(171，173)的電流互感器(163)來提供極性交替的電流脈沖以操作晶閘管的系統(tǒng)、電路和方法。
文檔編號H02M3/24GK101611546SQ200880003102
公開日2009年12月23日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
發(fā)明者李·貝爾克比勒 申請人:美國超導體公司