專利名稱：改進的發(fā)射極關斷晶閘管及其驅動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及功率電子器件的領域。更為具體的說，本發(fā)明涉及一些發(fā)射極關斷晶閘管的新近改進版本及其驅動電路。
背景技術：
柵極關斷(GTO)晶閘管是PNPN結構的四層半導體器件，通常在直徑達六英寸的單一晶片上制造。在導通狀態(tài)中，它顯示出閂鎖行為，使得它在高電流密度情況下實現(xiàn)非常低的傳導損耗。不幸的是，當設備關斷時這種閂鎖狀態(tài)引起問題。這是因為即使當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斷過程中保護GTO晶閘管。這個緩沖電容器的放電需要通過電阻或使用復雜的能量恢復電路的可觀的功率分散，使得系統(tǒng)尺寸和復雜性增加。將GTO晶閘管關斷需要等于必須由柵極驅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。
通過在關斷過程中驅動柵極電流使其大于或等于陽極電流，可以顯著改進現(xiàn)有GTO晶閘管的關斷性能。在這種條件下，被稱為單位增益或硬驅動，當GTO晶閘管仍在導通狀態(tài)時上層NPN晶體管非?？斓仃P斷。如果在晶閘管的PNP部關斷之前這個晶體管完全關斷，那么在升壓階段過程中沒有正向反饋環(huán)存在。基極基路的PNP晶體管非常堅固，特別是和GTO晶閘管的閂鎖的關斷相比。當滿足單元增益條件時，在短暫的關斷過程中，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。一種可實現(xiàn)單元增益關斷的設備是一種發(fā)射極關斷(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晶閘管機械結構的剖面圖。該ETO晶閘管具有和GTO晶閘管的陰極串聯(lián)的另外的開關11。該GTO晶閘管10的陰極是內部NPN晶體管的發(fā)射極，所以將串聯(lián)的開關11被稱為發(fā)射極開關。關斷這個開關將高瞬時電壓施加到GTO晶閘管10的柵極使得實現(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12和GTO晶閘管的柵極連接，并且與發(fā)射極開關互補。這些開關由許多并聯(lián)的低電壓，高電流金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)實現(xiàn)。
但是，當使用短陽極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。當在高功率電壓源轉換器中使用時，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通雙向電流的開關。當反向并聯(lián)二極管導通電流時，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入導通。換句話說，在ETO晶閘管中存在寄生反向電流導通路徑。這可能在ETO晶閘管柵極“導通”和ETO晶閘管柵極“關斷”情況過程中發(fā)生。如果ETO晶閘管在它的寄生二極管導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性能而發(fā)生ETO晶閘管失效。
而且，當ETO晶閘管關斷時，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晶閘管的結電容，以及ETO晶閘管的發(fā)射極開關的恢復二極管的諧振過程。當諧振電流流進柵極并且流出GTO晶閘管的陰極時，可能啟動GTO晶閘管的重新觸發(fā)，這會引起關斷故障。
另外，從圖1B可以看到，柵極開關和發(fā)射極開關都安裝在銅盤上。這個機械結構使得難以生產(chǎn)ETO晶閘管。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一組改進的發(fā)射極可關斷(ETO)晶閘管，其能夠消除反向電流路徑，使開關更加可靠，并且具有改進的外殼，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晶閘管的高效驅動電路。該驅動電路可以在反向并聯(lián)二極管導通電流的時間過程中阻斷導通命令。這個功能可以為驅動電路節(jié)省能量并且在脈沖寬度調制(PWN)轉換器的應用條件下，改進ETO晶閘管的可靠性。
另外，本發(fā)明提供了一種自供電的ETO驅動方法。使用該方法，驅動電路不需要單獨的功率輸入。這個自供電的ETO晶閘管及其驅動電路可以大大改進可靠性和降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種發(fā)射極關斷晶閘管，其包括柵極導通(GTO)晶閘管，第一開關，該第一開關的漏極和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的源極之間的第二開關。該第一開關包括許多并聯(lián)的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。該GTO晶閘管的陽極和第一開關的源極分別用作發(fā)射極關斷晶閘管的陽極和陰極。該發(fā)射極關斷晶閘管具有四個控制電極GTO晶閘管的柵極，第二開關的控制電極，第一開關的柵極，以及GTO晶閘管的陰極。
在第一實施例中，第二開關包括許多并聯(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的源極到GTO晶閘管的陰極的電流。
在第二實施例中，第二開關包括許多并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。第二開關的集電極和GTO晶閘管的柵極連接，并且第二開關的發(fā)射極和第一開關的源極連接。
在第三實施例中，第二開關包括許多并聯(lián)的MOSFET。第二開關的源極和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的源極連接在一起。
在第四實施例中，第二開關包括許多并聯(lián)的NPN功率晶體管。第二開關的發(fā)射極和GTO晶閘管的柵極連接。第二開關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目的。
除了上述一組改進的發(fā)射極關斷晶閘管及其驅動電路，本發(fā)明的另一目的是提供ETO晶閘管的改進的外殼。這個改進的外殼除了提供ETO晶閘管的更好的操作，還被設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)選實施例的詳細描述，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)射極關斷(ETO)晶閘管的等效電路圖；圖1B是圖1A的ETO晶閘管機械結構的橫截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的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)明的第五實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的ETO晶閘管驅動器時序圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的ETO晶閘管驅動器時序圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的ETO晶閘管驅動器時序圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的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)明的第九實施例的ETO晶閘管外殼的剖面圖。
具體實施例方式
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)明的第一實施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結構中，許多(m個，在所述實例中，m＝68)的并聯(lián)MOSFETS11-S1m被用于建立發(fā)射極開關。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S11-S1m的陰極和GTO晶閘管的柵極之間存在柵極開關和柵極二極管的串聯(lián)電路。許多(n個，在所述實例中，n＝12)的并聯(lián)MOSFETS21-S2n被用于建立柵極開關。還有電阻R11-R1n和MOSFET的柵極連接。并且有許多(i個，在所述實例中，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。為關斷ETO晶閘管，關斷發(fā)射極開關S11-S1m并且導通柵極開關S21-S2n。為導通ETO晶閘管，導通發(fā)射極開關S11-S1m，關斷柵極開關S21-S2n，并且將電流注入GATE1。D11-D1I被用于在PWM電壓源轉換器應用中，當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)明的第二實施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結構中，許多(m個，在所述實例中，m＝68)并聯(lián)的MOSFET S11-S1m被用于建立發(fā)射極開關。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。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。為關斷ETO晶閘管，關斷發(fā)射極開關S11-S1m并且導通柵極開關S21-S2n。為導通ETO晶閘管，導通發(fā)射極開關S11-S1m，關斷柵極開關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)明的第三實施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結構中，許多(m個，在所述實例中，m＝68)并聯(lián)的MOSFETS11-S1m被用于建立發(fā)射極開關。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S11-S1m的陰極和GTO晶閘管的柵極之間，存在柵極開關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。為關斷ETO晶閘管，關斷發(fā)射極開關S11-S1m并且導通柵極開關S2。電流將流出GTO晶閘管的柵極并且通過D2對電容C1充電。為導通ETO晶閘管，導通發(fā)射極開關S11-S1m，并且導通柵極開關S2。C1將提供導通電流使得待注入GATE的驅動電路僅需要小的恒定電流。柵極開關S2被用于在PWM電壓源轉換器應用中，當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)明的第四實施例的ETO晶閘管的等效電路圖。在這個結構中，許多(m個，在所述實例中，m＝68)并聯(lián)的MOSFETS11-S1m被用于建立發(fā)射極開關。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S11-S1m的陰極和GTO晶閘管的柵極之間存在柵極開關和柵極二極管的串聯(lián)電路。許多(n個，在所述實例中，n＝12)并聯(lián)的MOSFETS21-S2n被于建立柵極開關。還有電阻R11-R1n和MOSFET的柵極連接。并且有許多(i個，在所述實例中，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。為關斷ETO晶閘管，關斷發(fā)射極開關S11-S1m并且導通柵極開關S21-S2n。將發(fā)射極開關S11-S1m的陽極電壓鉗位到跨接在C1兩端的電壓。為導通ETO晶閘管，導通發(fā)射極開關S11-S1m，關斷柵極開關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S11-S1m的導通動作。D11-D1I被用于在PWM電壓源轉換器應用中，當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)明的第五實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖。在這個結構中，ETO晶閘管1與圖2所示的本發(fā)明的第一實施例一致，ETO晶閘管驅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。當導通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)導通。在所述實例中，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電壓源轉換器應用中，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)二極管是否導通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導通電流，該ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。在所述實例中，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)二極管導通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關斷以節(jié)省驅動電路功率。所以僅在COMMAND為高電平且COMP的輸出為高電平的情況下，才導通ETO晶閘管。該ETO晶閘管1和它的驅動電路由控制電路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)明的第五實施例的ETO晶閘管驅動時序圖。在圖7中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導通/關斷的控制信號；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S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是跨在GATE3和柵極開關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是負的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關斷。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?，以導通ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷ETO晶閘管的柵極開關S21-S2n。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通S4。因為S4導通，I2增加。在時間t3，I2減小到零。電流脈沖注入結束。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立即啟動關斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P斷ETO晶閘管發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通ETO晶閘管的柵極開關S21-S2n。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m關斷，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晶閘管的陰極轉向到柵極，以實現(xiàn)所謂的單元關斷增益。V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關斷狀體過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷S4。因為S4關斷，I2減少。作為結果，節(jié)省了驅動電路功率。
現(xiàn)在參考圖8，其是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖。在這個結構中，ETO晶閘管1與如圖4所示的本發(fā)明的第三實施例一致，ETO晶閘管驅動電路包括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)導通。在所述實例中，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電壓源轉換器應用中，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)二極管是否導通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導通電流，該ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。在所述實例中，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)二極管導通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。所以僅在COMMAND為高電平和COMP的輸出為高電平的情況下，才導通ETO晶閘管。該ETO晶閘管1和它的驅動電路由控制電路2控制。
現(xiàn)在參考圖9，其是也根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的ETO晶閘管驅動時序圖。在圖9中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導通/關斷的控制信號；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是負的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關斷。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啟動導通動作。V_GATE2從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖剑詫⊿2。之后，電容C1提供導通電流給GTO晶閘管的柵極。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫⊿4。因為S4被導通，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立即啟動關斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷ETO晶閘管發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷S2。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m被關斷，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晶閘管的陰極轉向到柵極，以實現(xiàn)所謂的單元關斷增益。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晶閘管導通。同時，V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關斷狀體過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P斷S4。因為S4被關斷，I2的限制減少。作為結果，節(jié)省了驅動電路功率。
現(xiàn)在參考圖10，其是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖。在這個結構中，ETO晶閘管1與圖5所示的本發(fā)明的第四實施例一致，ETO晶閘管驅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ETO晶閘管的柵極導通時，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)導通。在所述實例中，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電壓源轉換器應用中，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)二極管是否導通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導通電流，該ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。在所述實例中，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)二極管導通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。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S11-S1m的雪崩擊穿電壓。該ETO晶閘管1和它的驅動電路由控制電路2控制。
現(xiàn)在再次參看圖7，其是也根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的ETO晶閘管驅動時序圖。在圖7中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導通/關斷的控制信號；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S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是跨在GATE3和柵極開關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是負的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關斷。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?，以導通ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P斷ETO晶閘管的柵極開關S21-S2n。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通S4。因為S4被導通，I2增加。在時間t3，I2減小到零。電流脈沖注入結束。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立即啟動關斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷ETO晶閘管發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通ETO晶閘管柵極開關S21-S2n。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m被關斷，將在S11-S1m的發(fā)射極和漏極之間產(chǎn)生、由ETO晶閘管內的C1鉗位的正的電壓，迫使電流從GTO晶閘管的陰極轉向到柵極，以實現(xiàn)所謂的單元關斷增益。V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫–LAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關斷狀體過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷S4。因為S4被關斷，I2減小。作為結果，節(jié)省了驅動電路功率。
現(xiàn)在參考圖11，其是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的ETO晶閘管驅動電路的等效電路圖。在這個結構中，ETO晶閘管1與圖5所示的本發(fā)明的第四實施例一致，并且Ia是它的陽極電流。該ETO晶閘管驅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電壓預充電電路6、PG電壓限制器7、DC-DC轉換器4、以及控制電路2。CS1和KATHODE2和GATE1連接。當ETO晶閘管的柵極導通時，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斷狀態(tài)中反向偏置，以防止它錯誤地觸發(fā)導通。在所述實例中，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電壓源轉換器應用中，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)二極管是否導通電流。如果ETO晶閘管的反向并聯(lián)二極管導通電流，該ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。在所述實例中，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的電壓轉換為可以由比較器接收的低電壓。在所述實例中，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)二極管導通電流。在這個情況中，ETO晶閘管保持關斷，以節(jié)省驅動電路功率。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S11-S1m的導通，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S11-S1m的導通。在所述實例中，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，Vref1和Vref2，并且Vref1低于Vref2。Vref1和COMP2的負的輸入連接，而Vref2和COMP3的負的輸入連接。在ETO晶閘管的導通或導通狀態(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S11-S1m關斷，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S11-S1m將不被打開，并且Vref2的輸出變?yōu)楦?。另一方面，如果在ETO晶閘管導通的開始，PG大于Vref1，控制電路2將不延遲發(fā)射極開關S11-S1m的導通。PG電壓預充電電路6被連接在ANODE和PG之間，并且被用于當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S11-S1m的雪崩擊穿電壓的電壓。在所述實例中，PG電壓預充電電路6是電阻R5，并且PG電壓限制器7是齊納二極管D4。DC-DC轉換器4的輸入和PG及KATHODE1連接。DC-DC轉換器4的輸入的功率取自C1所存貯的能量，DC-DC轉換器4產(chǎn)生用于整個驅動電路的功率，該整個驅動電路包括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)明的實施例中，驅動電路不需要單獨的功率輸入。這個自供電的ETO晶閘管及其驅動電路顯著的改進可靠性并降低成本。該ETO晶閘管1及其驅動電路由控制單元2控制。
現(xiàn)在參看圖12，其是也根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的ETO晶閘管驅動時序圖。在圖12中，COMMAND是觸發(fā)ETO晶閘管的導通/關斷的控制信號；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S11-S1m的陰極之間的電壓；V_GATE3是跨在GATE3和柵極開關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是負的，COMP的ETO晶閘管輸出為低電平。ETO晶閘管保持關斷。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?，以關斷ETO晶閘管的柵極開關S21-S2n。V_S3從高電平變?yōu)榈碗娖揭躁P斷CLAMP。V_S5從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通S4。因為S4被導通，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，并且作為結果，ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m仍然保持關斷。因為S11-S1m關斷，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的輸出轉到高，之后，將V_GATE2從低電平充電到高電平，以導通ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m。在時間t4，COMMAND為低電平。通過控制電路2立即啟動關斷動作。V_GATE2從高電平變?yōu)榈碗娖剑躁P斷ETO晶閘管發(fā)射極開關S11-S1m。V_GATE3從低電平變?yōu)楦唠娖剑詫‥TO晶閘管柵極開關S21-S2n。因為ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m關斷，在S11-S1m的發(fā)射極和漏極之間產(chǎn)生、由ETO晶閘管內的C1鉗位的正的電壓，迫使電流從GTO晶閘管的陰極轉向到柵極，以實現(xiàn)所謂的單元關斷增益。V_S3從低電平變?yōu)楦唠娖?，以導通CLAMP，從而使得GTO晶閘管的柵極在它的關斷狀態(tài)過程中反向偏置。V_S5從高電平變?yōu)榈碗娖?，以關斷S4。因為S4被關斷，I2減小。作為結果，節(jié)省了驅動電路功率。
現(xiàn)在轉到圖13，其是根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的ETO晶閘管電流傳感和過電流檢測器電路圖。當ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m導通時，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?？紤]ETO晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m的結的溫度，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的結溫度有關。該PWM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。如果這個電壓足夠高，將觸發(fā)過電流警報。在所述實例中，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5、以及光發(fā)射器7。開關S1的電壓，電流和溫度之間的關系可以由下面等式表達I=VVref+k×T]]>其中I是電流，V是電壓，并且Vref和k是關于晶閘管的發(fā)射極開關S11-S1m的參數(shù)。溫度傳感器2得到晶閘管發(fā)射極開關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S11-S1m的漏極的電壓V。該PWM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。由光發(fā)射器7發(fā)出該PWM信號。并且該電流信息可用于電流控制。當ETO晶閘管關斷時，開關5導通。這個功能確保當ETO晶閘管在閉合狀態(tài)是V＝0。
在所述實例中，過電流檢測器電路包括溫度傳感器2、電壓基準4、計算電路3、比較器8和光發(fā)射器9?？捎捎嬎汶娐?設置過電流觸發(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105、機架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。在這個結構中，N-MOSFET的漏極非常接近金屬盤104。由發(fā)射極開關105產(chǎn)生的熱量很容易傳導到金屬盤104，并且使在GTO晶閘管100和發(fā)射極開關105之間的雜散電感最小化?？梢詫l(fā)射極開關105放置在PCB104的兩側，以增加發(fā)射極開關的數(shù)量，使得可以改善電流控制能力。發(fā)射極開關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。使用金屬機架109支撐整個設備。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。
雖然關于優(yōu)選實施例描述本發(fā)明，本領域普通技術人員將認可在所附權利要求的精神和范圍中，可以對本發(fā)明進行多種修改。
權利要求
1.一種發(fā)射極關斷(ETO)晶閘管，其包括柵極導通(GTO)晶閘管，其具有陽極，陰極和柵極；第一開關，其包括許多并聯(lián)的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，并具有漏極，源極和柵極，該第一開關的漏極和GTO晶閘管的陰極連接；以及第二開關，其連接在GTO晶閘管的柵極和第一開關的源極之間，所述的第二開關具有一個控制極，GTO晶閘管的陽極和第一開關的源極分別用作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，第二開關的控制電極，第一開關的柵極，以及GTO晶閘管的陰極。
2.如權利要求1所述的ETO晶閘管，其中，第二開關包括許多并聯(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晶閘管進一步包括和該第二開關串聯(lián)的二極管，該二極管用于阻斷從第二開關的源極到GTO晶閘管的陽極的電流。
3.如權利要求2所述的ETO晶閘管，其中，為關斷該ETO晶閘管，關斷該第一開關并導通該第二開關，并且為導通該ETO晶閘管，導通該第一開關并關斷該第二開關，并且將電流注入GTO晶閘管的柵極。
4.如權利要求3所述的ETO晶閘管，其中，為導通該ETO晶閘管，進一步在該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，并且為導通該ETO晶閘管，進一步移去在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間的正的鉗位電壓。
5.如權利要求3所述的ETO晶閘管，進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的柵極連接，且響應于電流方向檢測器，并且如果電流方向檢測器檢測到二極管導通電流，使該ETO晶閘管保持關斷狀態(tài)。
6.如權利要求4所述的ETO晶閘管，進一步包括驅動電路，該電路包括電流源電路，被連接在該第一開關的源極和該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的源極的第一和第二輸入，比較器進一步具有一輸出；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、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PNP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PNP功率晶體管的基極和該第一開關的源極之間；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，其具有正向結和負向結；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向結連接。
9.如權利要求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的柵極、該第一MOSFET的柵極和該控制晶體管的基極。
10.如權利要求1所述的ETO晶閘管，其中，該第二開關包括許多并聯(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，該基極是第二開關的控制電極，該第二開關的集電極和該GTO晶閘管的柵極連接，并且該第二開關的發(fā)射極和該第一開關的源極連接。
11.如權利要求10所述的ETO晶閘管，其中，為關斷該ETO晶閘管，關斷該第一開關并導通該第二開關，并且為導通該ETO晶閘管，導通該第一開關并關斷該第二開關，并且將電流注入該GTO晶閘管的柵極，當該第一開關的源極電壓高于該GTO晶閘管的陽極電壓時，該第二開關阻斷從該第一開關的源極到該GTO晶閘管的陽極的電流。
12.如權利要求11所述的ETO晶閘管，其中，為關斷該ETO晶閘管，進一步在該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，并且為導通該ETO晶閘管，進一步移去在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間的正的鉗位電壓。
13.如權利要求12所述的ETO晶閘管，進一步包括驅動電路，該電路包括電流源電路，被連接在該第一開關的源極和該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的源極的第一和第二輸入，比較器進一步具有一輸出；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、該電流源電路和該電壓鉗位電路。
14.如權利要求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的源極和PNP功率晶體管的發(fā)射極之間，并且該PNP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PNP功率晶體管的基極和該第一開關的源極之間；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)在該第一開關的源極和該GTO晶閘管的陰極之間。
16.如權利要求15所述的ETO晶閘管，進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的柵極連接，且響應于電流方向檢測器，并且如果電流方向檢測器檢測到第三二極管導通電流，該ETO晶閘管保持關斷狀態(tài)。
17.如權利要求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的柵極、該控制晶體管的基極和該MOSFET的柵極。
18.如權利要求1所述的ETO晶閘管，其中該第二開關包括許多并聯(lián)的MOSFET，并具有源極，漏極和柵極，該第二開關的柵極是該第二開關的控制電極，并且該第二開關的源極和該GTO晶閘管的柵極連接，進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的源極連接在一起；以及第二二極管，其和第二開關并聯(lián)連接。
19.如權利要求18所述的ETO晶閘管，其中，為關斷該ETO晶閘管，關斷該第一開關并導通該第二開關，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，并且為導通該ETO晶閘管，導通該第一開關并關斷該第二開關，該電容提供導通電流，使得被注入該GTO晶閘管的柵極的驅動電流僅需要小的恒定電流，當該電容放電時，該二極管提供電流續(xù)流路徑。
20.如權利要求9所述的ETO晶閘管，其中，為關斷該ETO晶閘管，進一步在該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，并且為導通該ETO晶閘管，進一步移去在該GTO晶閘管的陰極和柵極之間的正的鉗位電壓，當該第一開關的源極電壓高于該GTO晶閘管的陽極電壓時，該第一開關阻斷從該第一開關的源極到該GTO晶閘管的陽極的電流。
21.如權利要求19所述的ETO晶閘管，進一步包括驅動電路，該電路包括電流源電路，被連接在該第一開關的源極和該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的源極的第一和第二輸入，比較器進一步具有一輸出；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、該電流源電路和該電壓鉗位電路。
22.如權利要求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的源極和該PNP功率晶體管的發(fā)射極之間，并且該PNP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PNP功率晶體管的基極和該第一開關的源極之間；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)在該第一開關的源極和該GTO晶閘管的陰極之間。
24.如權利要求23所述的ETO晶閘管，進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的柵極連接，且響應于電流方向檢測器，并且如果電流方向檢測器檢測到第五二極管導通電流，使該ETO晶閘管保持關斷狀態(tài)。
25.如權利要求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的柵極、該控制晶體管的基極和該MOSFET的柵極。
26.如權利要求1所述的ETO晶閘管，進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的源極之間。
27.如權利要求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，其接近該第一開關的漏極并產(chǎn)生和感應的溫度T成正比的第一電壓信號；電壓基準；提供基準電壓Vref；計算電路，接收該第一電壓信號和基準電壓并計算Vref+k×T，其中k是與第一開關的參數(shù)；以及脈沖寬度調制(PWM)波形產(chǎn)生器，其和溫度傳感器連接并接收其輸出，其還和第一開關的漏極連接，以檢測第一開關的漏極的電壓V，該PWM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.如權利要求27所述的ETO晶閘管，進一步包括光發(fā)射器，其和該PWM波形產(chǎn)生器的輸出連接。
29.如權利要求28所述的ETO晶閘管，進一步包括比較器，其具有分別和計算電路的輸出和第一開關的漏極連接的第一和第二輸入，該比較器進一步當電壓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，響應于比較器指示過電流條件的輸出，立即關斷ETO晶閘管。
30.如權利要求29所述的ETO晶閘管，進一步包括第二光發(fā)射器，其響應于從比較器輸出的過電流條件。
31.如權利要求1所述的ETO晶閘管，進一步包括用于ETO晶閘管的外殼。
32.如權利要求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PCB的第一側上和該GTO晶閘管的陰極接觸；第二金屬盤，在該PCB的第二側上，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，構成被封裝在PCB中孔周圍環(huán)形區(qū)的第一開關，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.如權利要求32所述的ETO晶閘管，其中，該MOSFET安裝在XX兩側上，以增加開關的數(shù)量，使得改進電流控制能力。
34.如權利要求32所述的ETO晶閘管，進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，該第三金屬盤擔當ETO晶閘管的陰極的作用。
全文摘要
一組發(fā)射極關斷晶閘管，包括柵極導通(GTO)晶閘管，第一開關(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)權公司