晶闸管或双向可控硅控制电路的制作方法

  晶闸管或双向可控硅型功率开关的控制需要从其栅极提取或注入电流。该电流的产生可能需要用特定电路来产生与上游电路电流隔离的电流，该上游电路在不同电压下操作或利用不一样电位参考操作。当开关控制ac负载或连接到ac电压的端子时，在功率应用中尤其如此。

  第一电容性元件，与第一二极管串联连接，在第一端子与第二端子之间，第二端子旨在耦合到晶闸管或双向可控硅的栅极；

  第二电容性元件，在第二端子与第三端子之间，旨在连接到晶闸管或双向可控硅的在栅极侧的导电端子；以及

  根据实施例，该电路进一步包括第三电容性元件，该第三电容性元件具有连接到第三端子的第一电极。

  根据实施例，第一端子旨在接收脉冲串，该脉冲串具有的振幅小于施加到晶闸管或双向可控硅的导电端子的ac电压的振幅，并且频率大于该ac电压的频率。

  根据实施例，第三电容性元件的第二电极旨在连接到脉冲串的电位中的一个电位的端子。

  实施例还提供了一种电路操控方法，其中脉冲串被施加到第一端子，该脉冲串具有的振幅小于被施加到晶闸管或双向可控硅的导电端子的ac电压的振幅，并且具有的频率大于该ac电压的频率。

  在结合附图的特定实施例的以下非限制性描述中将详细讨论前述和其他特征和优势。

  图4示出了根据本公开的一个实施例的在混合整流桥中的关于图2描述的类型的电路的应用；

  图5示出了根据本公开的实施例的图2的电路应用于半桥整流器电路的示例；以及

  图6示出了根据本公开的实施例的图2的电路应用于三相电动机的控制的另一示例。

  在不同的附图中，相同的元件已利用相同的附图标记来被表示。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件能利用相同的附图标记来被表示，并能具有相同的结构、尺寸和材料属性。

  为清楚起见，仅对将要描述的实施例的理解有用的那些步骤和元件已被示出并且被详细说明。特别地，开关的最终应用尚未被详细说明，所描述的实施例与晶闸管和双向可控硅的通常应用兼容。

  除非另有说明，否则当参考连接在一起的两个元件时，这在某种程度上预示着除导体之外直接连接而没有中间元件，并且当参考耦合在一起的两个元件时，这在某种程度上预示着这两个元件能直接耦合(连接)或通过一个或多个其他元件耦合。

  在下面的描述中，表述“约”、“基本上”和“大约”意味着在10％以内，优选在5％以内。

  假设提供有ac电压vac的负载1(load)的情况。负载1与施加电压vac的两个端子11和13之间的至少一个晶闸管串联连接。在所示的示例中，假设负载在电压vac的两个半波上操作。

  控制电路包括两个晶闸管tha和thb，它们在负载1的端子15与端子13之间并联耦合(优选地并连连接)，负载的另一端连接到端子11。晶闸管tha的阳极在端子15侧并且晶闸管thb的阳极在端子13侧。如本领域技术人员将理解，这里的每个晶闸管是阴极-栅极晶闸管，意味着晶闸管的栅极连接到晶闸管的“阴极侧”，而在阳极-栅极晶闸管中，栅极连接到晶闸管的“阳极侧”。

  根据图1中描述的实施例，基于以控制电路3的接地gnd为参考的低电压信号，晶闸管tha优选地通过在这里是反相的放大器级(driver)32a来被控制，放大器级32a连接在晶闸管tha的阴极和栅极(控制端子21a)之间，控制电路3通常是数字的，例如微控制器mcu。放大器32a的输入连接到微控制器的输出端子33a。晶闸管thb(其控制信号不能直接以接地为参考)与形成可控隔离电流源的电路2b(cs)相关联。电路2b连接在晶闸管thb的阴极和栅极之间。电路2b根据以控制电路3的接地gnd为参考的低电压信号来是可控的。在这里是反相的放大器级(driver)32b可以插入在微控制器3的输出端子33b与电路2b的控制端子21b之间。作为变型，放大器级32a、32b可以对应于微控制器3的输出级。

  微控制器3利用dc电压vdd(通常为几伏)来被供电，电压vdd相对于ac电压的振幅(通常从几十到几百伏)是低的。在存在放大器32a和32b的情况下，后者也利用电压vdd来被供电。

  已经能够准确的看出，晶闸管tha和thb的控制不需要隔离的电源。实际上，在电压vac侧，电路2b直接连接到它控制的晶闸管thb的端子(阴极和栅极)。在电压vdd侧，电路2b直接连接到接地gnd，并且通过放大器32b耦合到电位vdd。晶闸管tha由放大器32a直接控制。

  在某些实施例中，两个晶闸管tha和thb可以用双向可控硅代替。然后，单个电流源或电路2就足够，并且双向可控硅的栅极在直接连接到双向可控硅的电压vac的端子侧(这里是端子15)。

  在图2中，当这些元件同时存在于两个晶闸管中时，这些在图1中由字母a和b标识的元件被引用时没有用该字母。

  根据所描述的实施例，提供了借助于基于电容性元件的电流源来产生晶闸管th的控制电流，电容性元件的电介质确保隔离功能。

  参考端子25，旨在连接到晶闸管th的阴极(更一般地，连接到位于栅极侧的功率开关的导电电极)。

  电路2包括第一电容性元件c1，第一电容性元件c1经由第一二极管d1将端子21耦合到端子23，二极管d1的阳极在电容性元件c1的一侧。电容性元件c1还经由第二二极管d2将端子21耦合到端子25，二极管d2的阴极在电容性元件c1的一侧。第二电容性元件c2耦合二极管d1的阴极和二极管d2的阳极。

  在图2的示例中，端子25进一步通过第三电容性元件c3连接到端子37。端子37耦合或连接到电路3的电源的参考电位，接地gnd。在这种情况下，在应用中已经存在形成电容性元件c3的电容器。若不是，则在电路2的层级处提供。在图2的示例中，晶闸管th的栅极电阻器rg参与电压到电流转换。附加的电阻器可以将二极管d1的阴极连接到晶闸管th的栅极。

  电容性元件c1由高电压电容器(或多个并联的高电压电容器)形成，即，可承受电容性元件c1的端子之间的电压，该电压具有在关断状态下的晶闸管th的阴极-阳极电压的振幅(典型地是电压vac)，或者甚至更高。电容器c1具有在电路3或放大器32与服从于ac电压vac的元件之间提供电流隔离的功能。

  电容性元件c3也由高电压电容器(或多个并联的高电压电容器)形成，即，可承受电容性元件c3的端子之间的电压，该电压具有在关断状态下的晶闸管th的阴极-阳极电压的振幅(典型地是电压vac)，或者甚至更高。电容器c3的功能是确保控制电流循环回路的闭合，同时确保接地gnd与ac电压vac之间的电流隔离。

  电容性元件c2由低电压电容器(或多个并联的低电压电容器)形成，即，可承受电容性元件c2的端子之间的电压，该电压低于在关断状态下的晶闸管th的阴极-阳极电压(典型地是电压vac)，例如电压vdc的数量级。电容器c2具有形成电压源的功能。

  在图2的示例中，假设控制电路3外部的放大器32。例如，放大器由串联连接在电压vdd施加的端子35和37之间的两个mos晶体管m1和m2形成。晶体管m1和m2的栅极连接到电路3的端子33。晶体管m1和m2的连接点耦合到端子21。高值(至少大约十千欧)的电阻器r将端子33耦合到接地(端子37)，以在由电路3提供的信号的脉冲之间使晶体管m1和m2的栅极电容器放电。

  工作原理是施加具有比端子21上的电压vac的频率更大(比率至少为10，优选地至少为100)的频率的脉冲信号，以通过电容器c1和c3将功率传输到电容器c2。电源来自电路3的直流电源，即经由放大器32来自电压vdd。注入的电流取决于脉冲信号的频率和电容器c1和c2的值。

  因此，假设晶闸管th被适当地偏置以导通，即，其阳极-阴极电压为正，由电路3在其端子33上提供数字脉冲信号s33(例如，具有接近于电压vdd的振幅，忽略电路3的开关元件中的导通状态电压降)通过向晶闸管注入栅极电流来导通晶闸管。

  在信号s33的下降沿期间(脉冲信号从高状态(1或vdd)切换到低状态(0或gnd))，晶体管m1导通，并且晶体管m2关断。这导致电流从电势vdd处的端子35流过晶体管m1、电容器c1、二极管d1以在一方面将栅极电流注入到晶闸管th中(电流通过晶闸管th的栅极电阻器rg，其阴极，其导通晶闸管th)，并且在另一方面为电容器c2充电(正电极+在二极管d1的阴极侧)。二极管d2是非导电的。电流回路由电容器c3闭合。

  在信号s33的上升沿期间(脉冲信号从低状态切换到高状态)，晶体管m2导通，并且晶体管m1截止。这导致电流从电容器c2的正电极+流过晶闸管th的栅极、其阴极(其导通晶闸管th)、二极管d2和晶体管m2。电流回路由电容器c3闭合(相对于信号s33的下降沿期间的方向的反向电流)。

  在电路启动时，电压vdd用于在晶闸管th能够导通之前逐步对电容器c2充电。

  在晶闸管th反向偏置(负阳极-阴极电压)期间，脉冲信号s33继续由电路3供电而不可能会受到干扰。

  这样形成的控制电路的优点是它既不需要变压器也不需要光隔离器，从下面的附图中可以更清楚地看出，包括当两个晶闸管利用针对它们各自的阴极的不同参考来被使用时。实际上，将电路2引用到其控制的晶闸管的阴极的事实避免了使用电平移位电路。

  图3是图1的负载控制电路的实施例的更详细的图，其中详细描述了电路2a和2b。

  它示出了两个晶闸管tha和thb头尾相接，与负载1(load)串联连接，它们在施加ac电压vac的两个端子11和13之间进行控制。

  晶闸管tha和thb的控制由图2中所示类型的两个电路2a和2b提供。在以下的图3的描述中，根据它们所属的电路2a、2b，电路2a和2b的元件分别利用字母a和b来被标识。当省略参考标号a或b时，这在某种程度上预示着电路2a或2b及其各自的部件是无关紧要的。

  针对每个电路2，元件d1、d2、c1、c2和c3如图2中关于控制电路3以及关于相关晶闸管的栅极和阴极来连接。

  控制电路3，例如微控制器(mcu)，由端子35与接地37之间的dc低电压vdd供电，包括两个输出i/oa和i/ob，其分别连接到电容器c1a或c1b的与对应的电路2的二极管d1和d2相对的电极。每个输出i/o提供相对于电压vac的频率的高频率的数字脉冲串。这里，认为放大器32(图1和图2)集成到提供脉冲的电路3的输出级。

  两个输入端子11和13旨在接收ac电压vac。两个阴极-栅极晶闸管tha和thb通过它们各自的阳极连接到端子11和13，并且通过它们各自的阴极连接到电桥的第一输出端子17。两个二极管da和db分别通过它们的阴极连接到端子11和13，并且通过它们的阳极连接到电桥的第二输出端子19。电容性元件，例如电容器cout，耦合输出端子17和19，端子17限定由电桥提供的dc电压vout的正端子并且端子19限定参考电位(接地)。

  功率元件(晶闸管tha、thb、二极管da、db)的操作是常见的。晶闸管tha在电压vac的正半波期间被控制为导通，而晶闸管thb在电压vac的负半波期间被控制为导通。

  晶闸管tha和thb的控制由图2所示类型的两个电路2a和2b提供。在图4的以下描述中，电路2a和2b的元件，根据他们所属的电路2分别利用字母a、b来被标识。当省略参考标号a或b时，这在某种程度上预示着电路2a或2b及其各自的部件是无关紧要的。

  二极管d1a和d1b，在其电容器c1和c2之间，其中其阳极在电容器c1的一侧；以及

  二极管d2a和d2b，在其二极管d1的阳极和其电容器c2的与二极管d1相对的电极之间。

  控制电路3由端子35和接地19之间的低dc电压vdd供电，这里包括分别连接到电容器c1a或c1b的与对应电路2的二极管d1和d2相对的电极的两个输出i/oa和i/ob。每个输出i/o提供相对于电压vac的频率的高频率的数字脉冲串。认为放大器32集成到提供脉冲的电路3的输出级。

  电路2a在电压vac的正半波期间导通晶闸管tha，而电路2b在负半波期间导通晶闸管thb。

  在图4的实施例中，进一步提供组件以当另一个晶闸管导通时在电压vac的半波期间停用与晶闸管th相关联的电路2。这与由电路3提供的信号无关地停用对应电路2。

  每个组件包括开关，例如，分别跨另一个分支的二极管d2b、d2a的双极晶体管ta、tb。晶体管ta和tb例如是npn晶体管。每个晶体管t的基极通过电阻器r连接到另一个分支的晶体管的集电极。因此，当晶闸管tha有效并且栅极电流流过其栅极(并且流过其栅极电阻器rga)时，流过电容器c1a的电流的部分通过电阻器ra注入到晶体管ta的基极，晶体管ta导通并且短路二极管d2b。对称地，当晶闸管thb有效并且栅极电流流过其栅极(并且流过其栅极电阻器rgb)时，流过电容器c1b的电流的部分通过电阻器rb注入到晶体管tb的基极，晶体管tb导通并且短路二极管d2a。因此，能确定，当另一个晶闸管tha、thb分别被控制时，分别不受脉冲信号控制的晶闸管thb、tha当在电容器c1b、c1a的电荷作用下不被控制。

  两个mos功率晶体管ma和mb串联连接在两个输出端子17和19之间，用于提供输出电压vout，由连接端子17和19的电容器cout整流和滤波。两个阴极-栅极晶闸管thb和tha也串联连接在端子17和19之间。晶体管ma和mb的连接点限定了用于ac电压的电桥的第一输入端子11。晶闸管thb和tha的连接点限定了用于ac电压的电桥的第二输入端子13。晶闸管thb的阳极和晶闸管tha的阴极连接在端子13的一侧。

  功率开关(晶闸管tha和thb，晶体管ma和mb)的操作是常见的。晶闸管tha和晶体管ma在电压vac的正半波期间被控制为导通，而晶闸管thb和晶体管mb在电压vac的负半波期间被控制为导通。

  为了控制，每个晶闸管tha、thb分别与电路2a、2b相关联。这里同样，电路2a和2b的元件根据它们所属的电路2分别由字母a、b标识。当省略参考标号a或b时，这在某种程度上预示着电路2a或2b及其各自的部件是无关紧要的。

  针对每个电路2，元件d1、d2、c1和c2如图2或者图3或图4中关于控制电路3和关于相关晶闸管的栅极和阴极来连接。针对电路2b，并且因此晶闸管thb，电容器cout起到图2的电容器c3的作用。针对电路2a，并且因此晶闸管tha，电容器c3a将端子13(晶闸管tha的阴极)连接到接地19。

  三个双向可控硅ta、tb和tc分别连接在应用于三相ac电压的三个相la、lb和lc的三个端子11、12、13与电动机5的三个绕组端子之间。双向可控硅ta、tb和tc的栅极分别在端子11、12和13的一侧。通常，双向可控硅根据ac电压的相位来两两接通。

  为了控制，每个双向可控硅ta、tb、tc与电路2a、2b、2c相关联。同样，电路2a、2b和2c的元件根据它们所属的电路2由字母a、b或c标识。当省略参考a、b或c时，这在某种程度上预示着电路2a、2b或2c及其各自的部件是无关紧要的。

  针对每个电路2，元件d1、d2、c1和c2如图2中关于控制电路3、关于输出i/o以及关于端子11、12、13的一侧的栅极和电极来连接，端子11、12、13具有与之相连的连接的晶闸管。这里，由各个电容器c3a、c3b、c3c形成的高电压电容器c3将端子11、12或13连接到电路3的电源电压vdd的接地37。

  所描述的实施例的优点是它们与来自微控制器型电路的直接控制兼容，而不需要光隔离器或隔离变压器。

  已经参考了基于阴极-栅极晶闸管的实施例。然而，所描述的所有内容也适用于阳极-栅极晶闸管，不同之处在于必须提取栅极电流而不是注入栅极电流。因此，反转二极管d1和d2的偏置就足够了。

  此外，控制电路的控制信号可以由振荡器提供，优选地由具有矩形或方形信号的振荡器提供，而不是由微控制器提供。

  已经描述了各种实施例。本领域技术人员将容易想到各种修改。特别地，晶闸管和双向可控硅之间的选择取决于应用，并且所描述的实施例的实现与这方面的通常选择兼容。此外，基于上文给出的功能性指示并且利用通常电子部件本身，所描述的实施例的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。

  这样的备选、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本公开的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，而不是限制性的。本公开仅受限于所述权利要求及其等同的限定。

  可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据上文的详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求所赋予的等同的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。