專利名稱:用于固態(tài)電路中斷器的柵極截止控制電路的制作方法
用固態(tài)電路來(lái)消除電路中斷裝置的觸點(diǎn)電弧，業(yè)已證明不再是經(jīng)濟(jì)合理的了。當(dāng)采用電路開(kāi)關(guān)元件時(shí)，就需要一些復(fù)雜的附加電路來(lái)導(dǎo)通固態(tài)電路裝置，以立即對(duì)正在分開(kāi)的觸點(diǎn)分流，然后把電流轉(zhuǎn)移給一個(gè)電壓控制裝置，例如一只金屬氧化物變阻器。
利用一只可控硅整流器，對(duì)正在分開(kāi)的觸點(diǎn)進(jìn)行分流，已見(jiàn)于英國(guó)書1，072，267。采用一只三端雙向可控硅(triac)，在其柵極上跨接一只電壓敏感電阻，已公布于英國(guó)書1，152，903中。
美國(guó)專利3，783，305描述了一個(gè)接在晶閘管控制極上的邏輯電路，在觸點(diǎn)分開(kāi)時(shí)，用以產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖給晶閘管。
E.K.Howell于1984年10月29日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?65，841，題為“故障電流中斷器”，公布了在分離接點(diǎn)兩端并接以一個(gè)正溫度系數(shù)元件和一只變阻器的應(yīng)用。正溫度系數(shù)元件以其溫度響應(yīng)特性，能對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行分流，并轉(zhuǎn)移給變阻器。
E.K.Howell于1984年12月14日申請(qǐng)的題為“采用電弧換向的電路中斷器”的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?81，478中，在固態(tài)開(kāi)關(guān)的柵極電路中應(yīng)用了一只齊納二極管，當(dāng)一對(duì)可分離觸點(diǎn)兩端的電弧電壓達(dá)到某一預(yù)定電壓時(shí)它就將固態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。一只與變阻器相并聯(lián)的電容器迅速充電到變阻器的箝位電壓，以便把電流從固態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移到變阻器上。
1984年5月16日公布的題為“固態(tài)限流電路中斷器”的美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)610，947使用了一只雙極性功率晶體管，它把電流從正在分開(kāi)的觸點(diǎn)上轉(zhuǎn)移到金屬氧化物變阻器上。晶體管首先由接在其集電極和基極間的電容所提供的電流脈沖所導(dǎo)通，在帶有該晶體管的電路中的一只磁芯可飽和的變流器給晶體管提供了再生基極驅(qū)動(dòng)電流，而一旦變流器磁芯達(dá)到飽和時(shí)，晶體管就截止了。同時(shí)還公布了用一只場(chǎng)效應(yīng)晶體管，場(chǎng)控制晶體管和柵極截止器件，例如晶閘管，去代替雙極性功率晶體管。
本發(fā)明的目的是提供一種快速的方法，以最少的電路元件，在很短的時(shí)間周期里，將電流從正在分開(kāi)的觸點(diǎn)上轉(zhuǎn)移到金屬氧化物變阻器上。
本發(fā)明包含一只柵極截止晶體閘流管(GTO)，跨接在一對(duì)可分開(kāi)的觸點(diǎn)兩端，以便在觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行分流從而在實(shí)際上消除觸點(diǎn)電弧。當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，GTO立即導(dǎo)通然后又截止，從而把電流轉(zhuǎn)移給一只電壓箱位器件，例如一只變阻器。變阻器跨接在GTO上，而電路中與GTO一起的還有一只磁芯可飽和的變流器，以利于控制GTO的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。
圖1是本發(fā)明的柵極截止晶體閘流管控制電路的略圖。
圖1中的固態(tài)電路中斷器10，適用于任何需用無(wú)電弧開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合，例如諸如礦井里暴露在大氣中的開(kāi)關(guān)，也適用于“無(wú)噪聲”開(kāi)關(guān)中，例如在靈敏的電子儀器里。由導(dǎo)體11和12組成的電源母線包含了一只串接開(kāi)關(guān)13，它是由一對(duì)固定觸點(diǎn)14，15和一個(gè)可移動(dòng)的橋型接觸片16所組成。當(dāng)電路中斷器用做電路保護(hù)裝置時(shí)，使用一只電流傳感器，例如一個(gè)變流器，和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如像E.K.Howell申請(qǐng)的美國(guó)專利4，115，829和C.L.Jencks等申請(qǐng)的美國(guó)專利4，001，742中所敘述的那種，在發(fā)生過(guò)流情況時(shí)迅速將開(kāi)關(guān)打開(kāi)。當(dāng)需要將電路高速切斷并限制電流時(shí)，一種高速的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器如E.K.Howell在1984年12月20日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)No.684，304所敘述的那樣，用來(lái)把橋型接觸片16從固定觸點(diǎn)14，15上移開(kāi)。為了改進(jìn)這種無(wú)電弧中斷，把一個(gè)柵極截?cái)嚯娐?7，經(jīng)導(dǎo)線18和19跨接在開(kāi)關(guān)13上。柵極截?cái)嚯娐钒艘恢粬艠O截止晶體閘流管20(以下稱GTO)和一只跨接在GTO陽(yáng)極和柵極間的金屬氧化物或碳化硅變阻器25。GTO的陰極經(jīng)一對(duì)低壓快速恢復(fù)二極管D1和D2，接到變流器21的初級(jí)繞組23上。變阻器25與次級(jí)繞組24串聯(lián)，它們的公共點(diǎn)則接在GTO的柵極上。變流器磁芯22選定在預(yù)定的電流和時(shí)間上達(dá)到飽和。當(dāng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在閉合狀態(tài)時(shí)，GTO保持在截止?fàn)顟B(tài)，電流則經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)14和15。當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，一個(gè)電壓就加到跨接在變阻器兩端的電容器C上，結(jié)果產(chǎn)生一正向柵極電流，經(jīng)導(dǎo)線27使GTO導(dǎo)通，從而旁路了觸點(diǎn)上的電流。在某些電路設(shè)計(jì)中可以不要電容器C，而變阻器本身固有的電容就足以導(dǎo)通GTO。換句話說(shuō)，變阻器25可以從導(dǎo)線18接到GTO的陰極上，也可以接到D1的陰極上、D2的陰極上或接到導(dǎo)線19上。在一些GTO的設(shè)計(jì)中，更把電容器C從導(dǎo)線18接到GTO的陰極或D1的陰極或D2的陰極上，以便限制GTO兩端電壓的增長(zhǎng)速率，作為一只“緩沖器”。當(dāng)GTO導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電流經(jīng)GTO和二極管D1及D2流經(jīng)初級(jí)繞組23。變流器繼續(xù)給GTO提供再生的正向柵極電流，真到變流器磁芯22達(dá)到飽和為止。這時(shí)，變流器所感應(yīng)的電壓下跌，從GTO柵極流出來(lái)的反向電流驅(qū)使變流器磁芯進(jìn)一步飽和。變流器的飽和阻抗設(shè)計(jì)成這樣，即全部的電流都可以從GTO的柵極流出，而電壓降小于柵-陰導(dǎo)通電壓和二極管D1及D2的導(dǎo)通電壓，從而導(dǎo)致GTO截止。一旦GTO截止了，電流就轉(zhuǎn)移到變阻器25上，而變阻器兩端的電壓也就是預(yù)置的箝位電壓。因?yàn)轶槲浑妷撼^(guò)了系統(tǒng)電壓，電流就迅速地旁路走了，而開(kāi)關(guān)13兩端的電壓就降低到系統(tǒng)電壓了。在某些應(yīng)用中，可以把一個(gè)輔助控制電路28，經(jīng)一只二極管D3，由導(dǎo)線27接往GTO的柵極，再經(jīng)導(dǎo)線29接到變流器的初級(jí)繞組上?？刂齐娐?8給GTO提供柵極電流，使其導(dǎo)通。變流器的飽和使GTO受反向柵極電流作用而截止。控制電路提供柵極控制電流的一例見(jiàn)于T.E.Anderson等于1985年4月24日申請(qǐng)的、序號(hào)為726，546的美國(guó)書中。在大多數(shù)應(yīng)用中，控制電路28可以省掉，而經(jīng)變阻器25和/或加到變流器21上電容器C的容性電流，完全能提供導(dǎo)通功能，而截止功能則可由適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)變流器磁芯22的飽和特性來(lái)提供。
于是業(yè)已證明，無(wú)電弧電路中斷實(shí)際上可以用柵極截止控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，據(jù)此，在觸點(diǎn)一旦斷開(kāi)時(shí)，其中的電路電流就會(huì)自動(dòng)地轉(zhuǎn)移到GTO上。當(dāng)GTO柵極截止，電流便轉(zhuǎn)移到金屬氧化物變阻器上，當(dāng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能在變阻器上消耗殆盡時(shí)其中電流也就趨近于零。
前面已描述了我的發(fā)明，我要求用專利證書保護(hù)的權(quán)利要求
如下
權(quán)利要求
1.一種電路中斷器，其特征在于包括了串接在電路里的一對(duì)可斷開(kāi)的觸點(diǎn)；跨接在觸點(diǎn)兩端，以便在觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)對(duì)觸點(diǎn)分流的一只柵控半導(dǎo)體器件。在所述柵控半導(dǎo)體器件電路里的控制裝置，用于在所述觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)使柵控半導(dǎo)體器件能立即導(dǎo)通，在預(yù)定時(shí)間后使它截止。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于柵控半導(dǎo)體器件含有4-敷層晶閘管。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于包括了一只跨接在柵控半導(dǎo)體器件兩端的電壓控制器件，用以在柵控半導(dǎo)體器件截止時(shí)給電流提供通路并限制所述柵控半導(dǎo)體器件上的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于包括了一個(gè)跨接在柵控半導(dǎo)體器件的陽(yáng)極和柵極間的電容性器件，用以在觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)給柵極提供電流，從而使柵控半導(dǎo)體器件導(dǎo)通。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于該柵控半導(dǎo)體器件至少要通過(guò)一只二極管跨接在觸點(diǎn)兩端。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于還包含了一只與柵控半導(dǎo)體器件相串接的變流器。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的電路中斷器，其特征在于變流器的次極繞組接在柵控半導(dǎo)體器件的陰極和柵極之間，用以給柵極提供再生柵極電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的電路中斷器，其特征在于變流器包含有一個(gè)可飽和的磁芯，用以在預(yù)定的時(shí)間延遲之后切斷柵極電流，以截止該柵控半導(dǎo)體器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求
3和8所述的電路中斷器，其特征在于經(jīng)預(yù)定的時(shí)間延遲后，將電路中的電流轉(zhuǎn)移到所述的電壓敏感元件上。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于電路里包含有控制柵控半導(dǎo)體器件的裝置，用以在所述觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)使柵控半導(dǎo)體器件立即導(dǎo)通，而在經(jīng)一預(yù)定時(shí)間后，再截?cái)鄸趴匕雽?dǎo)體器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路中斷器，其特征在于還包含了一個(gè)跨接在柵控半導(dǎo)體器件的陽(yáng)極和陰極之間的電容性器件，用以使柵控半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，并限制柵控半導(dǎo)體器件兩端電壓增長(zhǎng)的速率。
專利摘要
把一只柵極截止晶閘管接在一對(duì)可分離的觸點(diǎn)兩端，使斷路電流首先分流給晶閘管，繼而分流給跨接在晶閘管上的金屬氧化物變阻器。一只可飽和磁芯的變流器與金屬氧化物變阻器的電容相配合，當(dāng)觸點(diǎn)分開(kāi)時(shí)首先使晶閘管導(dǎo)通，當(dāng)觸點(diǎn)進(jìn)一步分開(kāi)而磁芯達(dá)到飽和時(shí)，又使晶閘管截止。
文檔編號(hào)H01H9/54GK86104716SQ86104716
公開(kāi)日1987年1月7日 申請(qǐng)日期1986年7月11日
發(fā)明者愛(ài)德華·基思·豪厄爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan