一种GTO晶闸管快速关断电路的研究

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一种 ,-. 晶闸管快速关断电路的研究
郝 波，李双美
（沈阳工程学院，辽宁 沈阳 %%""#’）
摘 要：介绍了一种新型 ,-. 门极关断电路，它可以实现 ,-. 的快速关断。利用 /0/123 进
行仿真分析并讨论了电路参数对电路特性的影响。
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第8期
尹常永等：52DPBA J)>!F 应用剖析
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图 ! 反相器版图
参考文献：
［#］张楚人 $ %&’ 集成电路分析与设计基础［%］$ 北京：
图 " 振荡器版图 电子工业出版社，#(() $
2.期刊论文 张婵.童亦斌.金新民.ZHANG Chan.TONG Yi-bin.JIN Xin-min 集成门极换流晶闸管门极驱动电路 -
电力电子技术2007,41(9)
介绍了集成门极换流晶闸管(IGCT)的基本结构,它同时拥有晶体管的关断特性和晶闸管的开通特性,是一种理想的兆瓦级中高压半导体开关器件 .IGCT必须结合集成门极驱动电路才能完成硬开通和硬关断,因此门极驱动电路的性能将直接影Байду номын сангаас器件性能的优劣.具体设计了630A/4500V逆导GCT的 驱动电路,并分析了驱动电路的要求和设计原理.
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关 键 词：晶闸管；驱动电路；仿真
中图分类号：-4#+!
文献标识码：5
% 新型门极关断驱动电路
新型门极关断驱动电路如图 % 所示。它由传 统的关断电路和附加的关断电路两部分组成。其 中 !6%和 "% 为传统的关断电路，!6!、"! 和 7 组成 附加的关断电路。在传统的关断电路中，负的脉 冲电流的变化率 8 #6% 9 8 $ 取决于 !6% 和 "%。对于 关断电路来说，应该在不增加关断功率损耗的情 况下尽可能产生大的 8 #6% 9 8 $，这就要求 !6% 9 "% 一 定要大，以便使 ,-. 能安全、可靠地关断，同时获 得大的门极电流幅值及较短的存储时间。而增加 !6%或减小 "% 都是有限度的，如 !6% 不能大于门: 阴极击穿电压，而 "% 由于较大的杂散电感的存在 也 不 能 降 的 太 小。 本 电 路 由 于 增 加 了 附 加 的关断电路，其产生的关断电流 #6! 与 #6% 共同
目前，,-. 的组合模型已有多种，但多数较复 杂，不利于模拟实际电路和系统。本文选择由两 个晶体管组成的 ,-. 模型，如图 ! 所示。
图 % 新型门极关断驱动电路
收稿日期：!""# $ %% $ %" 作者简介：郝 波（%&’" $ ），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院副教授 (
图 ! ! 个晶体管的 ,-. 模型
相似文献(10条)
1.学位论文 张婵 IGCT集成门极驱动电路研究 2007
IGCT(集成门极换流晶闸管)是从GTO(门极可关断晶闸管)发展改进而来的。它结合了GTO和IGBT的优点，如开通损耗低，可靠性高，电压电流容 量大，开关频率高等。由于IGCT的特殊工作原理，驱动电路对IGCT性能、可靠性、成本等影响非常大。驱动电路的参数设计直接取决于IGCT工作的 要求，又反过来影响IGCT的性能。通过对这一新型器件驱动技术研究，为我国自行研制的IGCT器件设计了门极驱动电路。现在已经掌握驱动电路参 数对IGCT器件性能的影响，正在向优化驱动电路设计，更智能方向发展。
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沈阳电力高等专科学校学报
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图中的 !"# 模型由 $（% &’&）和 $（( ’&’）两
用图 ( 的双晶体管 !"# 模型对图 % 电路进
个晶体管组成。在该电路中，!"# 通态时 $%、$( 均处于饱和状态，当门极电流一旦减小，$( 的基 极电流 !)( 也将减小，当 $( 不满足饱和条件后， $( 迅速脱离饱和，电路形成正反馈，使 $%、$( 截 止，!"# 开始关断。本文中附加了一个关断电路， 可使 $% 与 $( 同时脱离饱和，加速关断。 !"! #$% 关断瞬态仿真分析
组成 #6，因此关断速度远大于传统的关断电路。 图中二极管 7 的作用是在存储时间 $6;以后，阳极 电压上升，当 !<=大于或等于 !6! 时，附加的关断 电路对 7 加反偏电压，所以附加关断电 路 仅 在 ,-. 关断时间内工作，使 ,-. 缩短关断时间。
! 仿真分析与讨论
采用 /0/123 对以上电路进行仿真分析，既要 对传统的关断电路和附加的关断电路进行比较， 又要对新型门极关断驱动电路的电路参数进行分 析讨论。 !"# $%& 的双晶体管模型
论文首先比较了IGCT、GTO、IGBT(绝缘栅极门控晶体管)的特点，指出IGCT是一种有很大发展前途的新型大功率半导体开关器件。其次介绍了 IGCT器件结构，结合它的工作原理，详细分析了门极驱动电路的设计方法和原理。最后在IGCT实验台上，完成了系列开通关断实验。从而验证了所 设计的驱动电路方法是可行的，正确的。
IGCT是由瑞士ABB公司最先开发出来的，随后日本三菱公司也研制出系列产品。目前世界IGCT市场基本被ABB，三菱公司垄断。国内对于IGCT的 应用仍处于实验和起步阶段。至于IGCT驱动电路的研究，由于没有相应的IGCT器件配合，大多停留在理论仿真和分析阶段，没有实际的产品。
本文是国内首篇详细介绍自主研制的IGCT 门极驱动电路工作原理及相关测试的论文。目前实验室已经具备IGCT门极驱动电路的小批量生产能 力和专利，今后将继续为推动IGCT组件国产化做更多的工作。
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（责任编辑 刘 珂）
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（责任编辑 翟 春）
一种GTO晶闸管快速关断电路的研究
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
郝波， 李双美 沈阳工程学院,辽宁,沈阳,110036
沈阳电力高等专科学校学报 JOURNAL OF SHENYANG ELECTRIC POWER INSTITUTE 2004，6(2) 0次
第 ’ 卷第 ! 期
沈阳电力高等专科学校学报
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0结论
图 5 新型关断电路的特性
通过对传统 !"# 关断电路与新型关断电路 的分析比较，进一步验证了新型关断电路产生的 38. 9 3 # 远大于传统关断电路的 38. 9 3 #，并得出了新 型关断 电 路 变 化 电 路 参 数 时 的 驱 动 特 性。 其 中 &:&;<= 仿真结果可供进一步应用电路时参考。
行仿真分析，其中 !"# 阳极电压 "*+为 %, ( +-，".% 为 %( -，".(为 (/ -。分析波形如图 0 所示：其中 * 和 1 是传统关断电路的 !"# 阳极电压 "*+、阳极 电流 !* 和 !. 的波形，2、3 是新型关断驱动电路的 波形。从 2 中看出，由于附加电流 !.( 通过阳极， 所以在 #.4时间内阳极电流 !* 随着 !.(的加入而增 加。从 3 中看出 !. 是 !.%与 !.(的迭加。
3.学位论文 李双美 GTO门极驱动电路研究 2003
该文对GTO的结构和开关原理、门极驱动问题、驱动电路的设计原理及保护电路进行了较为详细的论述.该文共分六部分:第一部分序言,回顾了 电力电子器件的发展历程,对各种电力电子器件的原理、特性以及应用进行了比较分析,对电力电子器件的发展前景进行了展望,最后介绍了全控型 电力电子器件对驱动电路的要求,并预测了未来的发展趋势.第一章GTO的结构和开关原理,主要介绍了GTO的多元集成结构,用GTO的双晶体管模型解 释了其导通和关断的原理,并对GTO导通和关断时的门极电流、阳极电流、阳极电压的波形进行了定性分析.第二章讨论的是GTO的门极驱动问题,主 要内容有GTO门极电路概述、GTO对门极电路的要求和门极电路的类型,并重点介绍了GTO对开通和关断脉冲的要求.第三章GTO门极驱动电路设计,是 全文的中心内容.该章依据GTO的设计原理,综合了各种驱动电路的优点,设计出了一种适合于大功率GTO的设计原理,综合了各种驱动电路的优点,设 计出了一种适合于大功率GTO的带有过流自保护的门极驱动电路,并用PSpice OrCAD软件对该门极驱动电路进行了计算机仿真.第四章GTO保护电路的 研究,主要介绍了GTO过流保护的设计原则、GTO的状态检测和GTO的分级快速保护的原理,并设计了一种过流自保护电路.最后部分是结束语.
图 0 !"# 关断瞬态仿真波形
通过传统关断电路与新型关断电路的比较， 说明新型关断电路的存储时间比传统关断电路存 储时间减少了。 !" & !’!的作用与影响
由前面分析可知，附加关断电路产生的关断 电流 !.(不仅作用于 !.，也会影响阳极电流 !*，也 就是电路中 ".(的取值对整个关断电路的工作有 较大的影响。 ".(太小，不能起到有效的作用，如 果 ".( 6 ".%，则 $% 关断后，$( 中留下大量的剩 余载流子会产生一个很大的拖尾电流。 ".(的最 佳值很难靠计算求得，因为 $% 和 $( 有着不同的 内部结构和参杂浓度。图 5 给出了 ".%等于 %( -， ".(为 %7 -、(/ - 和 0( - 时的 !. 波形。 ".(的增加 缩短了关断时间，但也会增加关断的损耗。