專利名稱：改進(jìn)的發(fā)射極關(guān)斷晶閘管及其驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及功率電子器件的領(lǐng)域。更為具體的說，本發(fā)明涉及一些發(fā)射極關(guān)斷晶閘管的新近改進(jìn)版本及其驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
柵極關(guān)斷(GTO)晶閘管是PNPN結(jié)構(gòu)的四層半導(dǎo)體器件，通常在直徑達(dá)六英寸的單一晶片上制造。在導(dǎo)通狀態(tài)中，它顯示出閂鎖行為，使得它在高電流密度情況下實(shí)現(xiàn)非常低的傳導(dǎo)損耗。不幸的是，當(dāng)設(shè)備關(guān)斷時這種閂鎖狀態(tài)引起問題。這是因為即使當(dāng)陽極電壓開始升高時一些部分管芯(單元)保持閂鎖，引起不良的安全操作區(qū)域(SOA)。需要大容量的緩沖電容器以便在關(guān)斷過程中保護(hù)GTO晶閘管。這個緩沖電容器的放電需要通過電阻或使用復(fù)雜的能量恢復(fù)電路的可觀的功率分散，使得系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜性增加。將GTO晶閘管關(guān)斷需要等于必須由柵極驅(qū)動器長時間提供的陽極電流的大約五分之一到三分之一的柵極電流。
通過在關(guān)斷過程中驅(qū)動?xùn)艠O電流使其大于或等于陽極電流，可以顯著改進(jìn)現(xiàn)有GTO晶閘管的關(guān)斷性能。在這種條件下，被稱為單位增益或硬驅(qū)動，當(dāng)GTO晶閘管仍在導(dǎo)通狀態(tài)時上層NPN晶體管非?？斓仃P(guān)斷。如果在晶閘管的PNP部關(guān)斷之前這個晶體管完全關(guān)斷，那么在升壓階段過程中沒有正向反饋環(huán)存在?；鶚O基路的PNP晶體管非常堅固，特別是和GTO晶閘管的閂鎖的關(guān)斷相比。當(dāng)滿足單元增益條件時，在短暫的關(guān)斷過程中，在整個管芯上電流分配非常均勻。這使得相比GTO晶閘管，產(chǎn)生了大得多的SOA。一種可實(shí)現(xiàn)單元增益關(guān)斷的設(shè)備是一種發(fā)射極關(guān)斷(ETO)晶閘管，于2000年3月2日提交的、Alex Q.Huang的“Emitter Turn-off Thyristors(ETO)”的美國專利申請序列號No.09/486,779中公開引入本文，作為參考。
圖1A示出了ETO晶閘管等效電路，并且圖1B示出了ETO晶閘管機(jī)械結(jié)構(gòu)的剖面圖。該ETO晶閘管具有和GTO晶閘管的陰極串聯(lián)的另外的開關(guān)11。該GTO晶閘管10的陰極是內(nèi)部NPN晶體管的發(fā)射極，所以將串聯(lián)的開關(guān)11被稱為發(fā)射極開關(guān)。關(guān)斷這個開關(guān)將高瞬時電壓施加到GTO晶閘管10的柵極使得實(shí)現(xiàn)單元增益，這個高瞬時電壓長得足以使來自陰極的電流換向。另外的開關(guān)12和GTO晶閘管的柵極連接，并且與發(fā)射極開關(guān)互補(bǔ)。這些開關(guān)由許多并聯(lián)的低電壓，高電流金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)實(shí)現(xiàn)。
但是，當(dāng)使用短陽極GTO晶閘管或透明發(fā)射極GTO晶閘管建立ETO晶閘管(這是通常情況)時，從GTO晶閘管的柵極到陽極會存在寄生二極管。當(dāng)在高功率電壓源轉(zhuǎn)換器中使用時，該ETO晶閘管通常和它的反向并聯(lián)續(xù)流(freewheeling)二極管連接，以形成可以阻斷單向電壓并導(dǎo)通雙向電流的開關(guān)。當(dāng)反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流時，如果通過ETO晶閘管的路徑的壓降可以和續(xù)流二極管的相比，該ETO晶閘管的寄生二極管也進(jìn)入導(dǎo)通。換句話說，在ETO晶閘管中存在寄生反向電流導(dǎo)通路徑。這可能在ETO晶閘管柵極“導(dǎo)通”和ETO晶閘管柵極“關(guān)斷”情況過程中發(fā)生。如果ETO晶閘管在它的寄生二極管導(dǎo)通電流之后立即開始阻斷正向電壓，可能因為ETO晶閘管寄生二極管的不良反向恢復(fù)性能而發(fā)生ETO晶閘管失效。
而且，當(dāng)ETO晶閘管關(guān)斷時，存在等于流過柵極雜散電感的陽極電流的電流。在此條件下，可能發(fā)生包括柵極環(huán)的雜散電感，GTO晶閘管的結(jié)電容，以及ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)的恢復(fù)二極管的諧振過程。當(dāng)諧振電流流進(jìn)柵極并且流出GTO晶閘管的陰極時，可能啟動GTO晶閘管的重新觸發(fā)，這會引起關(guān)斷故障。
另外，從圖1B可以看到，柵極開關(guān)和發(fā)射極開關(guān)都安裝在銅盤上。這個機(jī)械結(jié)構(gòu)使得難以生產(chǎn)ETO晶閘管。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一組改進(jìn)的發(fā)射極可關(guān)斷(ETO)晶閘管，其能夠消除反向電流路徑，使開關(guān)更加可靠，并且具有改進(jìn)的外殼，從而允許更容易的制造它。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種用于該ETO晶閘管的高效驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路可以在反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流的時間過程中阻斷導(dǎo)通命令。這個功能可以為驅(qū)動電路節(jié)省能量并且在脈沖寬度調(diào)制(PWN)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用條件下，改進(jìn)ETO晶閘管的可靠性。
另外，本發(fā)明提供了一種自供電的ETO驅(qū)動方法。使用該方法，驅(qū)動電路不需要單獨(dú)的功率輸入。這個自供電的ETO晶閘管及其驅(qū)動電路可以大大改進(jìn)可靠性和降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，其包括柵極導(dǎo)通(GTO)晶閘管，第一開關(guān)，該第一開關(guān)的漏極和GTO晶閘管的陰極連接，以及連接在GTO晶閘管的柵極和第一開關(guān)的源極之間的第二開關(guān)。該第一開關(guān)包括許多并聯(lián)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。該GTO晶閘管的陽極和第一開關(guān)的源極分別用作發(fā)射極關(guān)斷晶閘管的陽極和陰極。該發(fā)射極關(guān)斷晶閘管具有四個控制電極GTO晶閘管的柵極，第二開關(guān)的控制電極，第一開關(guān)的柵極，以及GTO晶閘管的陰極。
在第一實(shí)施例中，第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的MOSFET。另外，MOSFET和二極管串聯(lián)連接。該二極管用來阻斷從第二開關(guān)的源極到GTO晶閘管的陰極的電流。
在第二實(shí)施例中，第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。第二開關(guān)的集電極和GTO晶閘管的柵極連接，并且第二開關(guān)的發(fā)射極和第一開關(guān)的源極連接。
在第三實(shí)施例中，第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的MOSFET。第二開關(guān)的源極和GTO晶閘管的柵極連接。將一個由許多并聯(lián)的電容組成的電容和一個由許多并聯(lián)的二極管組成的二極管并聯(lián)連接。第二開關(guān)的漏極和二極管的陰極連接，并且二極管的陽極和第一開關(guān)的源極連接在一起。
在第四實(shí)施例中，第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的NPN功率晶體管。第二開關(guān)的發(fā)射極和GTO晶閘管的柵極連接。第二開關(guān)的集電極和由許多并聯(lián)電容組成的電容的一個管腳連接。電容的另一個管腳和第一開關(guān)的源極連接在一起。一個由許多并聯(lián)二極管組成的二極管被連接在第二開關(guān)的集電極和發(fā)射極之間。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種新穎的ETO晶閘管電流傳感電路和新的過電流檢測電路。電流傳感電路的輸出可以被用于電流控制目的，并且過電流檢測電路的輸出可以被用于過電流保護(hù)目的。
除了上述一組改進(jìn)的發(fā)射極關(guān)斷晶閘管及其驅(qū)動電路，本發(fā)明的另一目的是提供ETO晶閘管的改進(jìn)的外殼。這個改進(jìn)的外殼除了提供ETO晶閘管的更好的操作，還被設(shè)計成可以更容易的制造。


通過下面參考附圖的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以更好的理解上述和其它目的，方面和優(yōu)先，在附圖中圖1A是發(fā)射極關(guān)斷(ETO)晶閘管的等效電路圖；圖1B是圖1A的ETO晶閘管機(jī)械結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動器時序圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動器時序圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動器時序圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的ETO晶閘管電流傳感和過電流檢測器電路圖；圖14是示意性的示出了根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例的ETO晶閘管外殼的裝備圖；圖15是示意性的示出了根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例的ETO晶閘管外殼的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
再次參考附圖，并且具體地說參考附圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，許多(m個，在所述實(shí)例中，m＝68)的并聯(lián)MOSFETS11-S1m被用于建立發(fā)射極開關(guān)。還有電阻R11-R1m和MOSFET的柵極連接。S11-S1m的漏極和GTO晶閘管的陰極連接。在發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極和GTO晶閘管的柵極之間存在柵極開關(guān)和柵極二極管的串聯(lián)電路。許多(n個，在所述實(shí)例中，n＝12)的并聯(lián)MOSFETS21-S2n被用于建立柵極開關(guān)。還有電阻R11-R1n和MOSFET的柵極連接。并且有許多(i個，在所述實(shí)例中，i＝12)的并聯(lián)二極管D11-D1I被用于建立柵極二極管。GTO晶閘管的陽極，ANODE和S11-S1m的源極，KATHODE1被分別為定義ETO晶閘管的陽極和陰極。存在四個控制管腳GATE1是GTO晶閘管的柵極，GATE2是S21-S2n的控制輸入，GATE3是S11-S1m的控制輸入，并且KATHOD2是GTO晶閘管的陰極。為關(guān)斷ETO晶閘管，關(guān)斷發(fā)射極開關(guān)S11-S1m并且導(dǎo)通柵極開關(guān)S21-S2n。為導(dǎo)通ETO晶閘管，導(dǎo)通發(fā)射極開關(guān)S11-S1m，關(guān)斷柵極開關(guān)S21-S2n，并且將電流注入GATE1。D11-D1I被用于在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，當(dāng)KATHODE1的電壓高于ANODE的電壓時，阻斷從KATHODE1到ANODE的電流。
現(xiàn)在參考附圖3，其示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，許多(m個，在所述實(shí)例中，m＝68)并聯(lián)的MOSFET S11-S1m被用于建立發(fā)射極開關(guān)。還有電阻R11-R1m和MOSFET的柵極連接。S11-S1m的漏極和GTO晶閘管的陰極連接。許多(n個，在所述實(shí)例中，n＝12)并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)S21-S2n被用于建立柵極開關(guān)。還有電阻R11-R1n和IGBT的柵極連接。S21-S2n的陽極和GTO晶閘管的柵極連接。S11-S1m的源極和S21-S2n的源極連接在一起。GTO晶閘管的陽極，ANODE和S21-S2n及S11-S1m的源極，KATHODE1分別被定義為ETO晶閘管的陽極和陰極。存在四個控制管腳GATE1是GTO晶閘管的柵極，GATE2是S21-S2n的控制輸入，GATE3是S11-S1m的控制輸入，并且KATHOD2是GTO晶閘管的陰極。為關(guān)斷ETO晶閘管，關(guān)斷發(fā)射極開關(guān)S11-S1m并且導(dǎo)通柵極開關(guān)S21-S2n。為導(dǎo)通ETO晶閘管，導(dǎo)通發(fā)射極開關(guān)S11-S1m，關(guān)斷柵極開關(guān)S21-S2n，并且將電流注入GATE1。
現(xiàn)在參考圖4，其示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，許多(m個，在所述實(shí)例中，m＝68)并聯(lián)的MOSFETS11-S1m被用于建立發(fā)射極開關(guān)。還有電阻R11-R1m和MOSFET的柵極連接。S11-S1m的漏極和GTO晶閘管的陰極連接。在發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極和GTO晶閘管的柵極之間，存在柵極開關(guān)S2和電容C1的串聯(lián)電路。S2具有三個端子，其中G是控制輸入。存在和C1并聯(lián)的二極管D1。并且存在和S2并聯(lián)的二極管D2。GTO晶閘管的陽極，ANODE和S21-82n的源極，KATHODE1被分別定義為ETO晶閘管的陽極和陰極。存在四個控制管腳GATE1是GTO晶閘管的柵極，GATE2是S11-S1m的控制輸入，GATE3和S2的控制輸入連接，并且KATHOD2是GTO晶閘管的陰極。為關(guān)斷ETO晶閘管，關(guān)斷發(fā)射極開關(guān)S11-S1m并且導(dǎo)通柵極開關(guān)S2。電流將流出GTO晶閘管的柵極并且通過D2對電容C1充電。為導(dǎo)通ETO晶閘管，導(dǎo)通發(fā)射極開關(guān)S11-S1m，并且導(dǎo)通柵極開關(guān)S2。C1將提供導(dǎo)通電流使得待注入GATE的驅(qū)動電路僅需要小的恒定電流。柵極開關(guān)S2被用于在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，當(dāng)KATHODE1的電壓高于ANODE的電壓時，阻斷從KATHODE1到ANODE的電流。二極管D1被用于當(dāng)C1放電時提供電流續(xù)流路徑。
現(xiàn)在參考圖5，示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，許多(m個，在所述實(shí)例中，m＝68)并聯(lián)的MOSFETS11-S1m被用于建立發(fā)射極開關(guān)。還有電阻R11-R1m和MOSFET的柵極連接。S11-S1m的漏極和GTO晶閘管的陰極連接。在發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極和GTO晶閘管的柵極之間存在柵極開關(guān)和柵極二極管的串聯(lián)電路。許多(n個，在所述實(shí)例中，n＝12)并聯(lián)的MOSFETS21-S2n被于建立柵極開關(guān)。還有電阻R11-R1n和MOSFET的柵極連接。并且有許多(i個，在所述實(shí)例中，i＝12)并聯(lián)的二極管D11-D1I被用于建立柵極二極管。存在許多(j個，在所述實(shí)例中，j＝12)并聯(lián)的二極管D11-D1j和電容C1的串聯(lián)電路，并且這個串聯(lián)電路和發(fā)射極開關(guān)S11-S1m并聯(lián)。GTO晶閘管的陽極，ANODE和S21-S2n及S11-S1m的源極，KATHODE1分別被定義為ETO晶閘管的陽極和陰極。存在五個控制管腳GATE1是GTO晶閘管的柵極，GATE2是S11-S1m的控制輸入，GATE3是S21-S2n的控制輸入，KATHOD2是GTO晶閘管的陰極，并且PG是D11-D1j的陰極。為關(guān)斷ETO晶閘管，關(guān)斷發(fā)射極開關(guān)S11-S1m并且導(dǎo)通柵極開關(guān)S21-S2n。將發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陽極電壓鉗位到跨接在C1兩端的電壓。為導(dǎo)通ETO晶閘管，導(dǎo)通發(fā)射極開關(guān)S11-S1m，關(guān)斷柵極開關(guān)S21-S2n，并且將電流注入GATE1。為了對C1充電可以延遲發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的導(dǎo)通動作。D11-D1I被用于在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，當(dāng)KATHODE1的電壓高于ANODE的電壓時，阻斷從KATHODE1到ANODE的電流。
現(xiàn)在參考圖6，其是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，ETO晶閘管1與圖2所示的本發(fā)明的第一實(shí)施例一致，ETO晶閘管驅(qū)動電路包括脈沖電流源CS1、DC電流源電路CS2、電壓鉗位電路CLAMP，電流方向檢測器3、以及控制電路2。CS1和KATHODE2和GATE1連接。當(dāng)導(dǎo)通ETO晶閘管的柵極時，CS1提供脈沖電流給GTO晶閘管的柵極。CS2和KATHODE1和GATE1連接。在ETO晶閘管的柵極在導(dǎo)通狀態(tài)過程中，CS2提供DC電流給GTO晶閘管的柵極。在所述實(shí)例中，CS2包括電壓源VS2、PNP功率晶體管S4、兩個電阻R3和R4、晶體管S5、以及用來當(dāng)GATE1的電壓大于VS2時阻斷電壓的二極管D3。鉗位電路CLAMP和KATHODE2和GATE1連接。CLAMP使得GTO晶閘管的柵極在它的閉合狀態(tài)中反向偏置，以防止它錯誤地觸發(fā)導(dǎo)通。在所述實(shí)例中，CLAMP是電壓源VS1，MOSFETS3，以及二極管D2的串聯(lián)電路。電流方向檢測器3和GATE1和KATHODE1連接。在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，二極管和ETO晶閘管反向并聯(lián)連接。電流方向檢測器3被用來檢測反向并聯(lián)二極管是否導(dǎo)通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流，該ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。在所述實(shí)例中，電流方向檢測器3是比較器COMP。如果COMP的輸出在操作過程中為低電平，指示ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關(guān)斷以節(jié)省驅(qū)動電路功率。所以僅在COMMAND為高電平且COMP的輸出為高電平的情況下，才導(dǎo)通ETO晶閘管。該ETO晶閘管1和它的驅(qū)動電路由控制電路2控制。
現(xiàn)在參考圖7，其是也根據(jù)如圖6所示的本發(fā)明的第五實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動時序圖。在圖7中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導(dǎo)通/關(guān)斷的控制信號；I1是CS1的輸出；I2是CS2的輸出；V_GATE1是跨接在GATE1和KATHODE1之間的電壓；V_GATE2是跨在GATE2和發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是跨在GATE3和柵極開關(guān)S21-S2n的陰極之間的電壓；V_S3是跨在S3的柵極和陰極之間的電壓；V_S5是跨在S5的柵極和陰極之間的電壓。在時間t1，COMMAND為高電平。因為V_GATE1是負(fù)的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關(guān)斷。在時間t2，GTO晶閘管的柵極的電壓高于ETO晶閘管陰極的電壓。在這時，COMP的輸出和COMMAND都為高電平。之后通過控制電路2啟動導(dǎo)通動作。觸發(fā)CS1，將電流脈沖I1注入GATE1。V_GATE2從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷ETO晶閘管的柵極開關(guān)S21-S2n。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P(guān)斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫?dǎo)通S4。因為S4導(dǎo)通，I2增加。在時間t3，I2減小到零。電流脈沖注入結(jié)束。GTO晶閘管的柵極電流僅由I2維持。在時間t4，COMMAND為低電平。通過控制電路2立即啟動關(guān)斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷ETO晶閘管發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫?dǎo)通ETO晶閘管的柵極開關(guān)S21-S2n。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m關(guān)斷，將在S11-S1m的發(fā)射極和漏極之間產(chǎn)生正的電壓，迫使電流從GTO晶閘管的陰極轉(zhuǎn)向到柵極，以實(shí)現(xiàn)所謂的單元關(guān)斷增益。V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫?dǎo)通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關(guān)斷狀體過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷S4。因為S4關(guān)斷，I2減少。作為結(jié)果，節(jié)省了驅(qū)動電路功率。
現(xiàn)在參考圖8，其是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，ETO晶閘管1與如圖4所示的本發(fā)明的第三實(shí)施例一致，ETO晶閘管驅(qū)動電路包括DC電流源電路CS2、電壓鉗位電路CLAMP、電流方向檢測器3、以及控制電路2。CS2和KATHODE1和GATE1連接。在ETO晶閘管的柵極導(dǎo)通狀態(tài)過程中，CS2提供DC電流給GTO晶閘管的柵極。在所述實(shí)例中，CS2包括電壓源VS2、PNP功率晶體管S4、兩個電阻R3和R4、晶體管S5、以及用來當(dāng)GATE1的電壓大于VS2時阻斷電壓的二極管D3。鉗位電路CLAMP和KATHODE2和GATE1連接。CLAMP使得GTO晶閘管的柵極在它的閉合狀態(tài)中反向偏置，以防止它錯誤地觸發(fā)導(dǎo)通。在所述實(shí)例中，CLAMP是電壓源VS1，MOSFETS3，以及二極管D2的串聯(lián)電路。電流方向檢測器3和GATE1和KATHODE1連接。在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，存在一二極管和ETO晶閘管反向并聯(lián)連接。電流方向檢測器3被用來檢測反向并聯(lián)二極管是否導(dǎo)通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流，該ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。在所述實(shí)例中，電流方向檢測器3是比較器COMP。如果COMP的輸出在操作過程中為低電平，指示ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。所以僅在COMMAND為高電平和COMP的輸出為高電平的情況下，才導(dǎo)通ETO晶閘管。該ETO晶閘管1和它的驅(qū)動電路由控制電路2控制。
現(xiàn)在參考圖9，其是也根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動時序圖。在圖9中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導(dǎo)通/關(guān)斷的控制信號；I1是CS1的輸出；I2是CS2的輸出；V_GATE1是跨在GATE1和KATHODE1之間的電壓V_GATE2是跨在GATE2和發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是GATE3的控制電壓；V_S3是跨在S3的柵極和陰極之間的電壓；V_S5是跨在S5的柵極和陰極之間的電壓。在時間t1，COMMAND為高電平。因為V_GATE1是負(fù)的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關(guān)斷。在時間t2，GTO晶閘管的柵極的電壓高于ETO晶閘管陰極的電壓。在這時，COMP的輸出和COMMAND都為高電平。之后，通過控制電路2啟動導(dǎo)通動作。V_GATE2從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫?dǎo)通ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以?dǎo)通S2。之后，電容C1提供導(dǎo)通電流給GTO晶閘管的柵極。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通S4。因為S4被導(dǎo)通，I2增加。在時間t3，電容C1放電。但是GTO晶閘管的柵極的環(huán)路電感將維持電流。電流通過二極管D1。在時間t4，完全釋放存儲在柵極環(huán)路電感中的能量。流入GTO晶閘管柵極的電流僅由I2提供。在時間t5，COMMAND為低電平。通過控制電路2立即啟動關(guān)斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P(guān)斷ETO晶閘管發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷S2。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m被關(guān)斷，將在S11-S1m的發(fā)射極和漏極之間產(chǎn)生正的電壓，迫使電流從GTO晶閘管的陰極轉(zhuǎn)向到柵極，以實(shí)現(xiàn)所謂的單元關(guān)斷增益。流出GTO晶閘管的柵極的電流將通過C1對C1充電，并且存儲在C1中的能量將被用于ETO晶閘管導(dǎo)通。同時，V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫?dǎo)通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關(guān)斷狀體過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷S4。因為S4被關(guān)斷，I2的限制減少。作為結(jié)果，節(jié)省了驅(qū)動電路功率。
現(xiàn)在參考圖10，其是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，ETO晶閘管1與圖5所示的本發(fā)明的第四實(shí)施例一致，ETO晶閘管驅(qū)動電路包括脈沖電流源CS1，DC電流源電路CS2，以及電壓鉗位電路CLAMP，電流方向檢測器3，DC電壓源VS3和電阻R5的串聯(lián)電路，以及控制電路2。CS1和KATHODE2和GATE1連接。當(dāng)ETO晶閘管的柵極導(dǎo)通時，CS1提供脈沖電流給GTO晶閘管的柵極。CS2和KATHODE1和GATE1連接。在ETO晶閘管的柵極導(dǎo)通狀態(tài)過程中，CS2提供DC電流給GTO晶閘管的柵極。在所述實(shí)例中，CS2包括電壓源VS2，PNP功率晶體管S4，兩個電阻R3和R4，晶體管S5，以及用來當(dāng)GATE1的電壓大于VS2時阻斷電壓的二極管D3。VS3和R5的串聯(lián)電路連接在PG和KATHODE1之間。鉗位電路CLAMP和KATHODE2和GATE1連接。CLAMP使得GTO晶閘管的柵極在它的閉合狀態(tài)中反向偏置，以防止它錯誤地觸發(fā)導(dǎo)通。在所述實(shí)例中，CLAMP是電壓源VS1，MOSFETS3，以及二極管D2的串聯(lián)電路。電流方向檢測器3和GATE1和KATHODE1連接。在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，存在一二極管，和ETO晶閘管反向并聯(lián)連接。電流方向檢測器3被用來檢測反向并聯(lián)二極管是否導(dǎo)通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流，該ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。在所述實(shí)例中，電流方向檢測器3是比較器COMP。如果COMP的輸出在操作過程中為低電平，指示ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。所以僅在COMMAND為高電平和COMP的輸出為高電平的情況下，才導(dǎo)通ETO晶閘管。VS3和R5的串聯(lián)電路被用于維持跨在ETO晶閘管內(nèi)的C1兩端的正的電壓，并且這個低于ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的雪崩擊穿電壓。該ETO晶閘管1和它的驅(qū)動電路由控制電路2控制。
現(xiàn)在再次參看圖7，其是也根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動時序圖。在圖7中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導(dǎo)通/關(guān)斷的控制信號；I2是CS2的輸出；V_GATE1是跨在GATE1和KATHODE1之間的電壓V_GATE2是跨在GATE2和發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是跨在GATE3和柵極開關(guān)S21-S2n的陰極之間的電壓；V_S3是跨在S3的柵極和陰極之間的電壓；V_S5是跨在S5的柵極和陰極之間的電壓。在時間t1，COMMAND為高電平。因為V_GATE1是負(fù)的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關(guān)斷。在時間t2，GTO晶閘管的柵極的電壓高于ETO晶閘管陰極的電壓。在這時，COMP的輸出和COMMAND都為高電平。之后，通過控制電路2啟動導(dǎo)通動作。觸發(fā)CS1將電流脈沖I1注入GATE1。V_GATE2從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫?dǎo)通ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P(guān)斷ETO晶閘管的柵極開關(guān)S21-S2n。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通S4。因為S4被導(dǎo)通，I2增加。在時間t3，I2減小到零。電流脈沖注入結(jié)束。GTO晶閘管的柵極電流僅由I2維持。在時間t4，COMMAND為低電平。通過控制電路2立即啟動關(guān)斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷ETO晶閘管發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通ETO晶閘管柵極開關(guān)S21-S2n。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m被關(guān)斷，將在S11-S1m的發(fā)射極和漏極之間產(chǎn)生、由ETO晶閘管內(nèi)的C1鉗位的正的電壓，迫使電流從GTO晶閘管的陰極轉(zhuǎn)向到柵極，以實(shí)現(xiàn)所謂的單元關(guān)斷增益。V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關(guān)斷狀體過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷S4。因為S4被關(guān)斷，I2減小。作為結(jié)果，節(jié)省了驅(qū)動電路功率。
現(xiàn)在參考圖11，其是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動電路的等效電路圖。在這個結(jié)構(gòu)中，ETO晶閘管1與圖5所示的本發(fā)明的第四實(shí)施例一致，并且Ia是它的陽極電流。該ETO晶閘管驅(qū)動電路包括脈沖電流源CS1、DC電流源電路CS2、電壓鉗位電路CLAMP、電流方向檢測器3、PG電壓檢測器5、PG電壓預(yù)充電電路6、PG電壓限制器7、DC-DC轉(zhuǎn)換器4、以及控制電路2。CS1和KATHODE2和GATE1連接。當(dāng)ETO晶閘管的柵極導(dǎo)通時，CS1提供DC電流給GTO晶閘管的柵極。CS2也和KATHODE2和GATE1連接。在ETO晶閘管的柵極導(dǎo)通狀態(tài)過程中，CS2提供DC電流給GTO晶閘管的柵極。在所述實(shí)例中，CS2包括電壓源VS2、PNP功率晶體管S4、兩個電阻R3和R4、晶體管S5、以及用來當(dāng)GATE1的電壓大于VS2時阻斷電壓的二極管D3。鉗位電路CLAMP和KATHODE2和GATE1連接。CLAMP使得GTO晶閘管的柵極在它的關(guān)斷狀態(tài)中反向偏置，以防止它錯誤地觸發(fā)導(dǎo)通。在所述實(shí)例中，CLAMP是電壓源VS1，MOSFETS3，以及二極管D2的串聯(lián)電路。電流方向檢測器3和ANODE和KATHODE1連接。在PWM電壓源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，存在一二極管，和ETO晶閘管反向并聯(lián)連接。電流方向檢測器3用來檢測反向并聯(lián)二極管是否導(dǎo)通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流，該ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。在所述實(shí)例中，電流方向檢測器3包括比較器COMP和分壓器VD。VD被用于將高電平電壓的ANODE的電壓轉(zhuǎn)換為可以由比較器接收的低電壓。在所述實(shí)例中，VD是兩個電阻R6和R7的串聯(lián)電路，并且VD與ANODE和KATHODE1連接。COMP1的負(fù)的輸入和KATHODE1連接，并且COMP1的正的輸入和R6的另一端子連接。如果COMP1的輸出在操作過程中為低電平，指示ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關(guān)斷，以節(jié)省驅(qū)動電路功率。所以，僅在COMMAND為高電平和COMP1的輸出為高電平的情況下，導(dǎo)通ETO晶閘管。PG電壓檢測器5和PG及控制電路2連接，并且用來檢測PG電壓并將PG電壓信息發(fā)送到控制電路2。如果PG過低，控制電路2將延遲發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的導(dǎo)通，從而通過陽極電流Ia對C1充電。另一方面，如果PG過高，控制電路2將不延遲發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的導(dǎo)通。在所述實(shí)例中，PG電壓檢測器5包括兩個比較器，COMP2和COMP3，其輸出和控制電路2連接。COMP2和COMP3的正的輸入和PG連接。還有電壓基準(zhǔn)，Vref1和Vref2，并且Vref1低于Vref2。Vref1和COMP2的負(fù)的輸入連接，而Vref2和COMP3的負(fù)的輸入連接。在ETO晶閘管的導(dǎo)通或?qū)顟B(tài)過程中，如果PG低于Verf1，COMP2的輸出為低，并且控制電路2將保持發(fā)射極開關(guān)S11-S1m關(guān)斷，從而通過陽極電流Ia對C1充電，并且在PG上升到Vref2之前發(fā)射極開關(guān)S11-S1m將不被打開，并且Vref2的輸出變?yōu)楦摺Ａ硪环矫?，如果在ETO晶閘管導(dǎo)通的開始，PG大于Vref1，控制電路2將不延遲發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的導(dǎo)通。PG電壓預(yù)充電電路6被連接在ANODE和PG之間，并且被用于當(dāng)ETO晶閘管首次接通電源，對C1充電。PG電壓限制器7被連接在KATHODE1和PG之間，并且被用于限制PG的電壓到低于發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的雪崩擊穿電壓的電壓。在所述實(shí)例中，PG電壓預(yù)充電電路6是電阻R5，并且PG電壓限制器7是齊納二極管D4。DC-DC轉(zhuǎn)換器4的輸入和PG及KATHODE1連接。DC-DC轉(zhuǎn)換器4的輸入的功率取自C1所存貯的能量，DC-DC轉(zhuǎn)換器4產(chǎn)生用于整個驅(qū)動電路的功率，該整個驅(qū)動電路包括CS1，CS2、CLAMP、電流方向檢測器3、PG電壓檢測器5、PG電壓預(yù)充電電路6、PG電壓限制器7、以及控制電路2。所示在本發(fā)明的實(shí)施例中，驅(qū)動電路不需要單獨(dú)的功率輸入。這個自供電的ETO晶閘管及其驅(qū)動電路顯著的改進(jìn)可靠性并降低成本。該ETO晶閘管1及其驅(qū)動電路由控制單元2控制。
現(xiàn)在參看圖12，其是也根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的ETO晶閘管驅(qū)動時序圖。在圖12中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導(dǎo)通/關(guān)斷的控制信號；I1是CS1的輸出；I2是CS2的輸出；V_GATE1是跨在GATE1和KATHODE1之間的電壓；V_PG是跨在PG和KATHODE1之間的電壓；V_GATE2是跨在GATE2和發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是跨在GATE3和柵極開關(guān)S21-S2n的陰極之間的電壓；V_S3是跨在S3的柵極和陰極之間的電壓；V_S5是跨在S5的柵極和陰極之間的電壓。在時間t1，COMMAND為高電平。因為V_GATE1是負(fù)的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關(guān)斷。在時間t2，GTO晶閘管的柵極的電壓高于ETO晶閘管陰極的電壓。在這時，COMP的輸出和COMMAND都為高電平。之后，通過控制電路2啟動導(dǎo)通動作。觸發(fā)CS1將電流脈沖I1注入GATE1。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷ETO晶閘管的柵極開關(guān)S21-S2n。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖揭躁P(guān)斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通S4。因為S4被導(dǎo)通，I2增加。因為在這時V_PG低于Vref1，COMP2的輸出為低。所以V_GATE2仍然為低，并且作為結(jié)果，ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m仍然保持關(guān)斷。因為S11-S1m關(guān)斷，ETO晶閘管的陽極電流I1將通過并聯(lián)二極管D11-D1j對C1充電，使得V_PG升高。在時間t3，I2減小到零。電流脈沖注入結(jié)束。GTO晶閘管的柵極電流僅由I2維持。在時間t4，V_PG升高到Vref2?？刂齐娐?檢測到COMP3的輸出轉(zhuǎn)到高，之后，將V_GATE2從低電平充電到高電平，以導(dǎo)通ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。在時間t4，COMMAND為低電平。通過控制電路2立即啟動關(guān)斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關(guān)斷ETO晶閘管發(fā)射極開關(guān)S11-S1m。V_GATE3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通ETO晶閘管柵極開關(guān)S21-S2n。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m關(guān)斷，在S11-S1m的發(fā)射極和漏極之間產(chǎn)生、由ETO晶閘管內(nèi)的C1鉗位的正的電壓，迫使電流從GTO晶閘管的陰極轉(zhuǎn)向到柵極，以實(shí)現(xiàn)所謂的單元關(guān)斷增益。V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以?dǎo)通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關(guān)斷狀態(tài)過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P(guān)斷S4。因為S4被關(guān)斷，I2減小。作為結(jié)果，節(jié)省了驅(qū)動電路功率。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖13，其是根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例的ETO晶閘管電流傳感和過電流檢測器電路圖。當(dāng)ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m導(dǎo)通時，它執(zhí)行小型線性電阻的功能。所以跨在S11-S1m的漏極和源極之間的壓降反映流過它的電流。考慮ETO晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的結(jié)的溫度，以消除在S11-S1m的電阻上的溫度效果。PWM信號的工作周期和跨在S11-S1m的漏極和源極之間的電壓成正比，并且其周期和S11-S1m的結(jié)溫度有關(guān)。該P(yáng)WM信號以光信號發(fā)出。該跨在S11-S1m的漏極和源極之間的電壓也用于ETO晶閘管的過電流保護(hù)。如果這個電壓足夠高，將觸發(fā)過電流警報。在所述實(shí)例中，該電流傳感電路包括溫度傳感器2、PWM波形產(chǎn)生器6、電阻R3、開關(guān)5、以及光發(fā)射器7。開關(guān)S1的電壓，電流和溫度之間的關(guān)系可以由下面等式表達(dá)I=VVref+k×T]]>其中I是電流，V是電壓，并且Vref和k是關(guān)于晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的參數(shù)。溫度傳感器2得到晶閘管發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的溫度信號，并且將它發(fā)送到PWM產(chǎn)生器6。也由PWM產(chǎn)生器6檢測晶閘管的發(fā)射極開關(guān)S11-S1m的漏極的電壓V。該P(yáng)WM產(chǎn)生器6產(chǎn)生工作周期和電壓V成正比的PWM信號，并且該信號的周期和S11-S1m的溫度有關(guān)。由光發(fā)射器7發(fā)出該P(yáng)WM信號。并且該電流信息可用于電流控制。當(dāng)ETO晶閘管關(guān)斷時，開關(guān)5導(dǎo)通。這個功能確保當(dāng)ETO晶閘管在閉合狀態(tài)是V＝0。
在所述實(shí)例中，過電流檢測器電路包括溫度傳感器2、電壓基準(zhǔn)4、計算電路3、比較器8和光發(fā)射器9?？捎捎嬎汶娐?設(shè)置過電流觸發(fā)器值為Vref+kT。如果電壓V大于Vref+kT，該過電流信號可由比較器9產(chǎn)生。該過電流信號可由ETO晶閘管的控制電路10接收，以立即關(guān)斷ETO晶閘管。它也可有由光發(fā)射器9發(fā)出到外部控制器。
現(xiàn)在參考圖14，其是示意性的示出了根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例的ETO晶閘管外殼的裝配圖。還參考圖15，其是示意性的示出也根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例的ETO晶閘管外殼的橫截面圖。該外殼包括GTO晶閘管100、印刷電路板(PCB)104、發(fā)射極開關(guān)105、機(jī)架109、絕緣體107和金屬盤101、102、103、106和108。印刷電路板(PCB)104，金屬盤106，金屬盤103由螺釘裝配在一起。從PCB104切去一個大孔，使得GTO晶閘管100的陰極和金屬盤106直接接觸。發(fā)射極開關(guān)105是很多并聯(lián)的N溝道MOSFET，將其封裝在該孔周圍的圓形區(qū)。該發(fā)射極開關(guān)105的漏極和GTO晶閘管100的陰極由PCB104和金屬盤106連接。在這個結(jié)構(gòu)中，N-MOSFET的漏極非常接近金屬盤104。由發(fā)射極開關(guān)105產(chǎn)生的熱量很容易傳導(dǎo)到金屬盤104，并且使在GTO晶閘管100和發(fā)射極開關(guān)105之間的雜散電感最小化?？梢詫l(fā)射極開關(guān)105放置在PCB104的兩側(cè)，以增加發(fā)射極開關(guān)的數(shù)量，使得可以改善電流控制能力。發(fā)射極開關(guān)105的源極通過PCB104和金屬盤108連接，所以金屬盤108執(zhí)行ETO晶閘管的陰極的功能。金屬盤108和106由絕緣體107彼此絕緣。使用金屬機(jī)架109支撐整個設(shè)備。將中間部分切去以將金屬盤108暴露在外。所以熱量可以從金屬盤108直接傳送到外部熱沉。
雖然關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)可在所附權(quán)利要求的精神和范圍中，可以對本發(fā)明進(jìn)行多種修改。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射極關(guān)斷(ETO)晶閘管，其包括柵極導(dǎo)通(GTO)晶閘管，其具有陽極，陰極和柵極；第一開關(guān)，其包括許多并聯(lián)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，并具有漏極，源極和柵極，該第一開關(guān)的漏極和GTO晶閘管的陰極連接；以及第二開關(guān)，其連接在GTO晶閘管的柵極和第一開關(guān)的源極之間，所述的第二開關(guān)具有一個控制極，GTO晶閘管的陽極和第一開關(guān)的源極分別用作ETO晶閘管的陽極和陰極，該ETO晶閘管具有四個控制電極GTO晶閘管的柵極，第二開關(guān)的控制電極，第一開關(guān)的柵極，以及GTO晶閘管的陰極。
2.如權(quán)利要求1所述的ETO晶閘管，其中，第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的MOSFET并且具有源極，漏極和柵極，該柵極是所述控制電極，該ETO晶閘管進(jìn)一步包括和該第二開關(guān)串聯(lián)的二極管，該二極管用于阻斷從第二開關(guān)的源極到GTO晶閘管的陽極的電流。
3.如權(quán)利要求2所述的ETO晶閘管，其中，為關(guān)斷該ETO晶閘管，關(guān)斷該第一開關(guān)并導(dǎo)通該第二開關(guān)，并且為導(dǎo)通該ETO晶閘管，導(dǎo)通該第一開關(guān)并關(guān)斷該第二開關(guān)，并且將電流注入GTO晶閘管的柵極。
4.如權(quán)利要求3所述的ETO晶閘管，其中，為導(dǎo)通該ETO晶閘管，進(jìn)一步在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間施加用正的鉗位電壓，以使得該GTO晶閘管的柵極反向偏置，并且為導(dǎo)通該ETO晶閘管，進(jìn)一步移去在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間的正的鉗位電壓。
5.如權(quán)利要求3所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括電流方向檢測器，其和該GTO晶閘管的柵極及該第一開關(guān)的源極連接；二極管，其和該ETO晶閘管反向并聯(lián)連接；以及控制電路，其和該第一及第二開關(guān)的柵極連接，且響應(yīng)于電流方向檢測器，并且如果電流方向檢測器檢測到二極管導(dǎo)通電流，使該ETO晶閘管保持關(guān)斷狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求4所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括驅(qū)動電路，該電路包括電流源電路，被連接在該第一開關(guān)的源極和該GTO晶閘管的柵極之間；脈沖電流注入和電壓鉗位電路，被連接在該GTO晶閘管的柵極和陰極之間；電流方向檢測器，其具有分別連接到該GTO晶閘管的柵極和該第一開關(guān)的源極的第一和第二輸入，比較器進(jìn)一步具有一輸出；以及控制電路，其和該比較器的輸出連接，并且提供控制信號給該第一及第二開關(guān)、該電流源電路以及該脈沖電流注入和電壓鉗位電路。
7.如權(quán)利要求6所述的ETO晶閘管，其中該電流源電路包括第一電壓源；第一二極管；PNP功率晶體管，其具有發(fā)射極，集電極和基極，該第一電壓源被連接在該第一開關(guān)的源極和PNP功率晶體管的發(fā)射極之間，并且該第一二極管被連接在該P(yáng)NP功率晶體管的集電極和該GTO晶閘管的柵極之間；第一及第二電阻，被串聯(lián)在該P(yáng)NP功率晶體管的基極和該第一開關(guān)的源極之間；以及控制晶體管，其具有發(fā)射極，集電極和基極，該控制晶體管的發(fā)射極和集電極跨接在所述第一和第二電阻中之一的兩端。
8.如權(quán)利要求7所述的ETO晶閘管，其中該電壓鉗位電路包括第二電壓源，其具有正向結(jié)和負(fù)向結(jié)；MOSFET，其具有源極，漏極和柵極；以及第二二極管，其具有陽極和陰極，該第二電壓源的正向結(jié)和該GTO晶閘管的陰極連接，并且該第二二極管的陽極和該GTO晶閘管的柵極連接，該第一MOSFET的漏極和該第二二極管的陰極連接，并且該第一MOSFET的源極和該第二電壓源的負(fù)向結(jié)連接。
9.如權(quán)利要求8所述的ETO晶閘管，其中，該控制電路提供控制信號給該第一及第二開關(guān)的柵極、該第一MOSFET的柵極和該控制晶體管的基極。
10.如權(quán)利要求1所述的ETO晶閘管，其中，該第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的絕緣柵極雙極型晶體管，并且具有集電極、發(fā)射極和基極，該基極是第二開關(guān)的控制電極，該第二開關(guān)的集電極和該GTO晶閘管的柵極連接，并且該第二開關(guān)的發(fā)射極和該第一開關(guān)的源極連接。
11.如權(quán)利要求10所述的ETO晶閘管，其中，為關(guān)斷該ETO晶閘管，關(guān)斷該第一開關(guān)并導(dǎo)通該第二開關(guān)，并且為導(dǎo)通該ETO晶閘管，導(dǎo)通該第一開關(guān)并關(guān)斷該第二開關(guān)，并且將電流注入該GTO晶閘管的柵極，當(dāng)該第一開關(guān)的源極電壓高于該GTO晶閘管的陽極電壓時，該第二開關(guān)阻斷從該第一開關(guān)的源極到該GTO晶閘管的陽極的電流。
12.如權(quán)利要求11所述的ETO晶閘管，其中，為關(guān)斷該ETO晶閘管，進(jìn)一步在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間施加正的鉗位電壓，以使得該GTO晶閘管的柵極反向偏置，并且為導(dǎo)通該ETO晶閘管，進(jìn)一步移去在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間的正的鉗位電壓。
13.如權(quán)利要求12所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括驅(qū)動電路，該電路包括電流源電路，被連接在該第一開關(guān)的源極和該GTO晶閘管的柵極之間；電壓鉗位電路，被連接在該GTO晶閘管的柵極和陰極之間；電流方向檢測器，其具有分別連接到該GTO晶閘管的柵極和該第一開關(guān)的源極的第一和第二輸入，比較器進(jìn)一步具有一輸出；以及控制電路，其和該電流方向檢測器的輸出連接，并且提供控制信號給該第一及第二開關(guān)、該電流源電路和該電壓鉗位電路。
14.如權(quán)利要求13所述的ETO晶閘管，其中該電流源電路包括第一電壓源；第一二極管，其具有陰極和陽極；PNP功率晶體管，其具有發(fā)射極，集電極和基極，該第一電壓源被連接在該第一開關(guān)的源極和PNP功率晶體管的發(fā)射極之間，并且該P(yáng)NP功率晶體管的集電極和該第一二極管的陰極連接，并且該第一二極管的陽極和該GTO晶閘管的柵極連接；第一及第二電阻，被串聯(lián)在該P(yáng)NP功率晶體管的基極和該第一開關(guān)的源極之間；以及控制晶體管，其具有發(fā)射極，集電極和基極，該控制晶體管的發(fā)射極和集電極跨接在所述第一和第二電阻中之一的兩端。
15.如權(quán)利要求14所述的ETO晶閘管，其中該電壓鉗位電路包括第二電壓源；MOSFET，其具有源極，漏極和柵極；以及第二二極管，其和第二電壓源及MOSFET被串聯(lián)在該第一開關(guān)的源極和該GTO晶閘管的陰極之間。
16.如權(quán)利要求15所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括電流方向檢測器，其和該GTO晶閘管的柵極及該第一開關(guān)的源極連接；第三二極管，其和該ETO晶閘管反向并聯(lián)連接；以及控制電路，其和該第一及第二開關(guān)的柵極連接，且響應(yīng)于電流方向檢測器，并且如果電流方向檢測器檢測到第三二極管導(dǎo)通電流，該ETO晶閘管保持關(guān)斷狀態(tài)。
17.如權(quán)利要求15的所述ETO晶閘管，其中，該控制電路提供控制信號給該第一及第二開關(guān)的柵極、該控制晶體管的基極和該MOSFET的柵極。
18.如權(quán)利要求1所述的ETO晶閘管，其中該第二開關(guān)包括許多并聯(lián)的MOSFET，并具有源極，漏極和柵極，該第二開關(guān)的柵極是該第二開關(guān)的控制電極，并且該第二開關(guān)的源極和該GTO晶閘管的柵極連接，進(jìn)一步包括電容和第一二極管，該第一二極管具有陽極和陰極，并且該電容和該第一二極管并聯(lián)連接，該第二開關(guān)的漏極和該二極管的陰極連接，并且該二極管的陽極和該第一開關(guān)的源極連接在一起；以及第二二極管，其和第二開關(guān)并聯(lián)連接。
19.如權(quán)利要求18所述的ETO晶閘管，其中，為關(guān)斷該ETO晶閘管，關(guān)斷該第一開關(guān)并導(dǎo)通該第二開關(guān)，流出該GTO晶閘管的柵極的電流通過該第二二極管對電容充電，并且為導(dǎo)通該ETO晶閘管，導(dǎo)通該第一開關(guān)并關(guān)斷該第二開關(guān)，該電容提供導(dǎo)通電流，使得被注入該GTO晶閘管的柵極的驅(qū)動電流僅需要小的恒定電流，當(dāng)該電容放電時，該二極管提供電流續(xù)流路徑。
20.如權(quán)利要求9所述的ETO晶閘管，其中，為關(guān)斷該ETO晶閘管，進(jìn)一步在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間施加正的鉗位電壓，以使得該GTO晶閘管的柵極反向偏置，并且為導(dǎo)通該ETO晶閘管，進(jìn)一步移去在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間的正的鉗位電壓，當(dāng)該第一開關(guān)的源極電壓高于該GTO晶閘管的陽極電壓時，該第一開關(guān)阻斷從該第一開關(guān)的源極到該GTO晶閘管的陽極的電流。
21.如權(quán)利要求19所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括驅(qū)動電路，該電路包括電流源電路，被連接在該第一開關(guān)的源極和該GTO晶閘管的柵極之間；電壓鉗位電路，被連接在該GTO晶閘管的柵極和陰極之間；電流方向檢測器，其具有分別連接到該GTO晶閘管的柵極和該第一開關(guān)的源極的第一和第二輸入，比較器進(jìn)一步具有一輸出；以及控制電路，其和該電流方向檢測器的輸出連接，并且提供控制信號給該第一及第二開關(guān)、該電流源電路和該電壓鉗位電路。
22.如權(quán)利要求21所述的ETO晶閘管，其中該電流源電路包括第一電壓源；第三二極管，其具有陰極和陽極；PNP功率晶體管，其具有發(fā)射極，集電極和基極，該第一電壓源被連接在該第一開關(guān)的源極和該P(yáng)NP功率晶體管的發(fā)射極之間，并且該P(yáng)NP功率晶體管的集電極和該第三二極管的陰極連接，并且該第三二極管的陽極和該GTO晶閘管的柵極連接；第一及第二電阻，被串聯(lián)在該P(yáng)NP功率晶體管的基極和該第一開關(guān)的源極之間；以及控制晶體管，其具有發(fā)射極，集電極和基極，該控制晶體管的發(fā)射極和集電極跨接在所述第一和第二電阻中之一的兩端。
23.如權(quán)利要求22所述的ETO晶閘管，其中該電壓鉗位電路包括第二電壓源；MOSFET，其具有源極，漏極和柵極；以及第四二極管，其和第二電壓源及MOSFET被串聯(lián)在該第一開關(guān)的源極和該GTO晶閘管的陰極之間。
24.如權(quán)利要求23所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括電流方向檢測器，其和該GTO晶閘管的柵極及該第一開關(guān)的源極連接；第五二極管，其和該ETO晶閘管反向并聯(lián)連接；以及控制電路，和其該第一及第二開關(guān)的柵極連接，且響應(yīng)于電流方向檢測器，并且如果電流方向檢測器檢測到第五二極管導(dǎo)通電流，使該ETO晶閘管保持關(guān)斷狀態(tài)。
25.如權(quán)利要求23所述的ETO晶閘管，其中，該控制邏輯電路提供控制信號給該第一及第二開關(guān)的柵極、該控制晶體管的基極和該MOSFET的柵極。
26.如權(quán)利要求1所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括電流傳感和過電流檢測器電路，被連接在該GTO晶閘管的陰極和該第一開關(guān)的源極之間。
27.如權(quán)利要求26所述的ETO晶閘管，其中，該電流傳感和過電流檢測器電路包括溫度傳感器，其接近該第一開關(guān)的漏極并產(chǎn)生和感應(yīng)的溫度T成正比的第一電壓信號；電壓基準(zhǔn)；提供基準(zhǔn)電壓Vref；計算電路，接收該第一電壓信號和基準(zhǔn)電壓并計算Vref+k×T，其中k是與第一開關(guān)的參數(shù)；以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形產(chǎn)生器，其和溫度傳感器連接并接收其輸出，其還和第一開關(guān)的漏極連接，以檢測第一開關(guān)的漏極的電壓V，該P(yáng)WM波形產(chǎn)生器產(chǎn)生其工作周期和電壓V成正比并且其周期和Vref+k×T成正比的PWM信號。
28.如權(quán)利要求27所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括光發(fā)射器，其和該P(yáng)WM波形產(chǎn)生器的輸出連接。
29.如權(quán)利要求28所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括比較器，其具有分別和計算電路的輸出和第一開關(guān)的漏極連接的第一和第二輸入，該比較器進(jìn)一步當(dāng)電壓V大于Vref+k×T時檢測到過電流情況時產(chǎn)生輸出；控制邏輯電路，響應(yīng)于比較器指示過電流條件的輸出，立即關(guān)斷ETO晶閘管。
30.如權(quán)利要求29所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括第二光發(fā)射器，其響應(yīng)于從比較器輸出的過電流條件。
31.如權(quán)利要求1所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括用于ETO晶閘管的外殼。
32.如權(quán)利要求31所述的ETO晶閘管，其中該外殼包括印刷電路板(PCB)，其具有用于容納該GTO晶閘管的陰極的大孔；第一金屬盤，在該P(yáng)CB的第一側(cè)上和該GTO晶閘管的陰極接觸；第二金屬盤，在該P(yáng)CB的第二側(cè)上，環(huán)繞該GTO晶閘管，通過螺釘裝配PCB，第一金屬盤和第二金屬盤；以及多個MOSFET，其并聯(lián)連接，構(gòu)成被封裝在PCB中孔周圍環(huán)形區(qū)的第一開關(guān)，該MOSFET的漏極和該GTO晶閘管的陰極、PCB和第一金屬盤連接，使得由MOSFET產(chǎn)生的熱量很容易傳導(dǎo)到第一金屬盤并且使GTO晶閘管和MOSFET之間的雜散電感減至最小。
33.如權(quán)利要求32所述的ETO晶閘管，其中，該MOSFET安裝在XX兩側(cè)上，以增加開關(guān)的數(shù)量，使得改進(jìn)電流控制能力。
34.如權(quán)利要求32所述的ETO晶閘管，進(jìn)一步包括第三金屬盤，其通過PCB和MOSFET的源極連接；以及絕緣體，在第一金屬盤和第三金屬盤之間，該第三金屬盤擔(dān)當(dāng)ETO晶閘管的陰極的作用。
全文摘要
一組發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，包括柵極導(dǎo)通(GTO)晶閘管，第一開關(guān)(S
文檔編號H01L27/02GK1639978SQ03805301
公開日2005年7月13日 申請日期2003年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者黃勤, 張斌 申請人:弗吉尼亞科技知識產(chǎn)權(quán)公司