申请/专利权人：清华大学

申请日：2018-01-02

公开（公告）日：2024-03-12

公开（公告）号：CN108092491B

主分类号：H02M1/06

分类号：H02M1/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.12#授权;2018.06.22#实质审查的生效;2018.05.29#公开

摘要：一种应用于GCT器件门极驱动的电源管理电路，包括第一电源模块，为GCT器件的关断模块、开通模块、监控与通信模块等模块进行供电；第二电源模块，用于对GCT器件的上电启动和断电过程中的电源进行管理；第三电源模块，用于提供上、下相邻级GCT器件的第一电源模块的备用电源，对相邻GCT器件进行隔离供电。这种电源管理电路满足GCT门极驱动单元从GCT器件高压侧主电路直接取电的需求，从而不需要从低电位对GCT的门极驱动单元进行高压隔离供电，大大降低了器件体积和成本，提供多种备用供电方式，提高了可靠性。增加上电、断电过程的供电管理策略，有效防止过程中的电压击穿。

主权项：1.一种应用于GCT器件门极驱动的电源管理电路，连接外部电源，其特征在于：包括：第一电源模块，为所述GCT器件门极驱动的关断模块、开通模块和监控与通信模块进行供电；第二电源模块，电耦接所述第一电源模块，用于对所述GCT器件的上电启动和断电过程中的电源进行管理，并利用所述GCT器件的阳极、阴极间电压对所述第一电源模块进行备用供电；所述第一电源模块和第二电源模块电耦接外部电源，所述外部电源为所述第一电源模块和第二电源模块供电；所述管理包括：在所述GCT器件上电过程中，关断电路模块的电容未完成充电时，所述第二电源模块为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路；或者，在所述GCT器件断电过程中，关断电路模块的电容电压较低的情况下，所述第二电源模块为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路。

全文数据：应用于GCT器件门极驱动的电源管理电路技术领域[0001]本发明属于电力技术领域，涉及到电力电子器件，特别涉及一种应用于GCT器件门极驱动的电源管理电路。背景技术[0002]门极换流晶阐管GCTGateCommutatedThyristor器件作为一种大功率半导体开关器件，以门极换流关断技术为特色，兼有晶闸管SCR和门极可关断晶闸管GT0低通态压降以及IGBT稳定的动态和静态关断性能等优点。[0003]现有应用于GCT器件（如IGCT、ET0等）的门极驱动，如图1所示，其电路模块主要包括电源管理电路模块、开通模块、关断模块、监控与通信模块等。GCT器件的关断模块中存在几十mF的预充电电容组，在关断状态下，该电容组与GCT的门极、阴极并联连接，使门极、阴极间电压保持反向偏置，从而保证GCT的阳极、阴极可以耐受额定的直流电压或暂态电压。如若门极、阴极间电压不满足一定的反向偏置条件，则GCT的耐受电压及电压变化率将不能达到额定耐压值。电源管理电路为关断模块的几十mF电容组、开通模块、监控与通信模块等进行供电。[0004]GCT门极驱动的上电启动过程需要将电容组充电至预设电压阈值如20V。由于电源管理电路充电功率有限，现有GCT典型的门极驱动上电启动过程一般需要3-5秒。在充电过程中应保证GCT处于关断状态，并且阳极、阴极间不能施加较高电压或电压变化率，否则可能导致GCT过压击穿损坏。因此，在GCT的应用中，需要先完成GCT门极驱动上电过程，再将阳极、阴极之间施加高压电。相应的，应在阳极、阴极之间电压下降至一定值后，才可以断开GCT门极驱动电源。这也就决定了GCT的门极驱动不能从阳极、阴极之间直接取电，而是需要利用低电位的其他电源回路，对GCT门极驱动单元进行高压隔离供电。[0005]另外，在现有电源管理电路的条件下，一旦外部电源出现故障，门极驱动将立即无法正常工作，造成GCT所应用的系统出现故障。[0006]现有技术的这种门极驱动的电源管理电路严重限制了GCT的应用，尤其是在高压领域，随着电压等级的提高，对GCT门极驱动单元供电的隔离电压等级不断提高，极大地增加了器件体积和供电的成本，降低了可靠性。发明内容[0007]解决现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种应用于GCT器件的门极驱动的新型电源管理电路。[0008]技术方案如下：[0009]—种应用于GCT器件门极驱动的电源管理电路，连接外部电源，包括：[0010]第一电源模块，为所述GCT器件门极驱动的关断模块、开通模块和监控与通信模块进行供电；[0011]第二电源模块，电耦接所述第一电源模块，用于对所述GCT器件的上电启动和断电过程中的电源进行管理，并利用所述GCT器件的阳极、阴极间电压对所述第一电源模块进行备用供电；[0012]所述第一、二电源模块电耦接外部电源，所述外部电源为所述第一、二电源模块供电。[0013]进一步包括第三电源模块，电耦接上、下相邻级GCT器件的第一电源模块，用于提供上、下相邻级GCT器件的第一电源模块的备用电源，对所述相邻GCT器件进行备用隔离供电;所述第一电源模块电耦接所述第三电源模块，为所述第三电源模块供电。[0014]其中，所述第二电源模块，用于在所述GCT器件上电过程中关断电路模块的电容未完成充电时，为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路。[0015]其中，所述第二电源模块，用于在所述GCT器件断电过程中关断电路模块的电容电压较低的情况下，为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路。[0016]其中，在GCT器件上电、断电、正常工作过程中，通过所述第二电源模块利用所述GCT器件的阳极、阴极间电压为所述第一电源模块供电，关闭所述外部电源，减少外部电源供电。[0017]其中，在所述外部电源供电异常且相邻级GCT器件的第三电源模块异常时，所述第二电源模块从所述GCT器件的阳、阴极间电压取电，通过所述第一电源模块为开通模块、关断模块进行供电。[0018]其中，在所述外部电源供电异常且第二电源模块异常时，所述相邻级GCT器件的第三电源模块，通过所述第一电源模块为开通模块、关断模块进行供电。[0019]其中所述第二电源模块提供的门极、阴极间反向偏置电压阈值等于或低于所述第一电源模块的预设电压阈值，并在所述GCT器件上电过程中，当所述GCT器件阳极、阴极电压上升至较低电压时，迅速充电至第二电源模块预设的门极、阴极间反向偏置电压阈值。其中所述第二电源模块提供的门极、阴极间反向偏置电压，维持直至所述GCT器件的阳极、阴极间的电压降至安全数值以下。[0020]其中所述第二电源模块在所述GCT器件上电过程中，当所述GCT器件阳极、阴极电压上升至较低电压时，迅速将门极、阴极短路。[0021]其中所述第二电源模块维持所述GCT器件的门极、阴极短路，直至所述GCT器件的阳极、阴极间的电压降至安全数值以下。[0022]所述第一、二、三电源模块能够将自身和外部电源的状态信息，反馈到监控和通信模块;所述监控和通信模块上报所述状态信息到上级系统。[0023]其中所述GCT器件和门极驱动，共同构成IGCT器件或ET0器件。[0024]采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：[0025]1满足GCT门极驱动单元从GCT器件高压侧主电路直接取电的需求，从而不需要从低电位对GCT的门极驱动单元进行高压隔离供电，大大降低了器件体积和成本，提高了可靠性；[0026]2提供多种备用供电方式，增强可靠性；[0027]3增加上电、断电过程的供电管理策略，有效防止过程中的电压击穿。附图说明[0028]图1现有技术应用于GCT器件的门极驱动的电源管理电路[0029]图2本发明应用于GCT器件的门极驱动的新型电源管理电路的实施例。具体实施方式[0030]结合本发明的技术方案和附图进一步阐述本发明的具体实施例。[0031]本发明的应用于GCT器件的门极驱动的新型电源管理电路，如图2所示，包括第一电源模块，正常工作过程中，为GCT器件的关断模块的几十mF电容组、开通模块、监控与通信模块等模块进行供电；第二电源模块，电耦接第一电源模块，用于对GCT器件的上电启动和断电过程中的电源进行管理，并利用所述GCT器件的阳极、阴极间电压对所述第一电源模块进行备用供电。第二电源模块主要用于在GCT器件上电过程中关断电路模块的电容未完成充电时，为GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路;在所述GCT器件断电过程中关断电路模块的电容电压较低的情况下，为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路。其中，在GCT器件上电、断电、正常工作过程中，通过第二电源模块利用GCT器件的阳极、阴极间电压为第一电源模块供电，关闭所述外部电源，减少外部电源供电，从而保证GCT器件能够耐受额定的直流和暂态电压及电压变化率。[0032]进一步包括第三电源模块，电耦接上、下相邻级GCT器件的第一电源模块，用于提供上、下相邻级GCT器件的第一电源模块的备用电源，对相邻GCT器件进行备用隔离供电;第一电源模块电耦接第三电源模块，为所述第三电源模块供电。[0033]此外，当外部电源供电异常且相邻级GCT器件的第三电源模块异常时，本级第二电源模块还可以从GCT阳、阴极电压间取电，通过第一电源模块为开通模块、关断模块进行短时供电，为GCT所应用系统的故障保护提供缓冲时间。[0034]其中，在外部电源供电异常且第二电源模块异常时，相邻级GCT器件的第三电源模块，通过本级第一电源模块为开通模块、关断模块进行供电。[0035]如图2所示，各电源模块通过虚线连接为相应结构部件供电；监控和通信模块通过点线连接对开通模块、关断模块、第三电源模块等被监测控制模块进行监控;其中第一、二、三电源模块能够将自身和外部电源的状态信息，反馈到监控和通信模块;所述监控和通信模块上报这些状态信息到上级系统;开通模块、关断模块、第二电源模块等通过实线分别连接GCT器件的门极与阴极。[0036]其中，第二电源模块提供的门极、阴极间反向偏置电压阈值等于或低于第一电源模块的预设电压阈值，并在所述GCT器件上电过程中，当GCT器件阳极、阴极电压上升至较低电压时，迅速充电至第二电源模块预设的门极、阴极间反向偏置电压阈值。[0037]其中第二电源模块提供的门极、阴极间反向偏置电压，维持直至所述GCT器件的阳极、阴极间的电压降至安全数值以下。[0038]其中第二电源模块在所述GCT器件上电过程中，当所述GCT器件阳极、阴极电压上升至较低电压时，迅速将门极、阴极短路。第二电源模块维持所述GCT器件的门极、阴极短路，直至所述GCT器件的阳极、阴极间的电压降至安全数值以下。[0039]本发明的电源管理电路，为了提高本发明的电源管理电路在高压串级应用中的供电可靠性，防止因某一级为驱动单元供电的电源模块故障而导致驱动掉电，本发明的各子模块的电源管理模块，同时作为前后相邻的两个子模块的备用电源，对相邻子模块进行隔离供电。[0040]综上所述，采用本发明的应用于GCT器件的门极驱动的电源管理电路，其优点在于：[0041]1满足GCT门极驱动单元从GCT器件高压侧主电路直接取电的需求，从而不需要从低电位对GCT的门极驱动单元进行高压隔离供电，大大降低了器件体积和成本，提高了可靠性；[0042]2提供多种备用供电方式，增强可靠性；[0043]3增加上电、断电过程的供电管理策略，有效防止过程中的电压击穿。[0044]尽管根据上述实施例描述了本发明，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改实现本发明。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。因此，示例和附图被视为是示例性的而非限制性的。

权利要求：1.一种应用于GCT器件门极驱动的电源管理电路，连接外部电源，其特征在于：包括：第一电源模块，为所述GCT器件门极驱动的关断模块、开通模块和监控与通信模块进行供电•，第二电源模块，电耦接所述第一电源模块，用于对所述GCT器件的上电启动和断电过程中的电源进行管理，并利用所述GCT器件的阳极、阴极间电压对所述第一电源模块进行备用供电；所述第一、二电源模块电耦接外部电源，所述外部电源为所述第一、二电源模块供电。2.如权利要求1所述的电源管理电路，进一步包括第三电源模块，所述第三电源模块电耦接上、下相邻级GCT器件的第一电源模块，用于提供上、下相邻级GCT器件的第一电源模块的备用电源，对所述相邻GCT器件进行备用隔离供电;所述第一电源模块电耦接所述第三电源模块，为所述第三电源模块供电。3.如权利要求2所述的电源管理电路，其中，在所述外部电源供电异常且相邻级GCT器件的第三电源模块异常时，所述第二电源模块从所述GCT器件的阳、阴极间电压取电，通过所述第一电源模块为开通模块、关断模块进行供电。4.如权利要求1所述的电源管理电路，其中，所述第二电源模块，用于在所述GCT器件上电过程中关断电路模块的电容未完成充电时，为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路。5.如权利要求1所述的电源管理电路，其中，所述第二电源模块，用于在所述GCT器件断电过程中关断电路模块的电容电压较低的情况下，为所述GCT器件的门极、阴极间提供一定的反向偏置电压，或将所述GCT器件的门极、阴极短路。6.如权利要求4所述的电源管理电路，其中所述第二电源模块提供的所述GCT器件的门极、阴极间反向偏置电压阈值等于或低于所述第一电源模块的预设电压阈值，并在所述GCT器件上电过程中，当所述GCT器件阳极、阴极间电压上升至较低电压时，迅速充电至所述第二电源模块预设的门极、阴极间反向偏置电压阈值;所述第二电源模块提供的所述GCT器件的门极、阴极间反向偏置电压，维持直至所述GCT器件的阳极、阴极间的电压降至安全数值以下。7.如权利要求1所述的电源管理电路，其中所述第二电源模块在所述GCT器件上电过程中，当所述GCT器件的阳极、阴极间电压上升至较低电压时，迅速将所述GCT器件的门极、阴极短路;所述第二电源模块维持所述GCT器件的门极、阴极短路，直至所述GCT器件的阳极、阴极间的电压降至安全数值以下。8.如权利要求1所述的电源管理电路，其中在所述GCT器件上电、断电、正常工作过程中，通过所述第二电源模块利用所述GCT器件的阳极、阴极间电压为所述第一电源模块供电，关闭所述外部电源，减少外部电源供电。9.如权利要求2所述的电源管理电路，其中，在所述外部电源供电异常且第二电源模块异常时，所述相邻级GCT器件的第三电源模块，通过所述第一电源模块为开通模块、关断模块进行供电。10.如权利要求1-9中任一项所述的电源管理电路，其中所述GCT器件为IGCT器件或ETO器件。

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