改进的发射极关断晶闸管及其驱动电路 【技术领域】
本发明一般涉及功率电子器件的领域。更为具体的说，本发明涉及一些发射极关断晶闸管的新近改进版本及其驱动电路。
背景技术
栅极关断(GTO)晶闸管是PNPN结构的四层半导体器件，通常在直径达六英寸的单一晶片上制造。在导通状态中，它显示出闩锁行为，使得它在高电流密度情况下实现非常低的传导损耗。不幸的是，当设备关断时这种闩锁状态引起问题。这是因为即使当阳极电压开始升高时一些部分管芯(单元)保持闩锁，引起不良的安全操作区域(SOA)。需要大容量的缓冲电容器以便在关断过程中保护GTO晶闸管。这个缓冲电容器的放电需要通过电阻或使用复杂地能量恢复电路的可观的功率分散，使得系统尺寸和复杂性增加。将GTO晶闸管关断需要等于必须由栅极驱动器长时间提供的阳极电流的大约五分之一到三分之一的栅极电流。
通过在关断过程中驱动栅极电流使其大于或等于阳极电流，可以显著改进现有GTO晶闸管的关断性能。在这种条件下，被称为单位增益或硬驱动，当GTO晶闸管仍在导通状态时上层NPN晶体管非常快地关断。如果在晶闸管的PNP部关断之前这个晶体管完全关断，那么在升压阶段过程中没有正向反馈环存在。基极基路的PNP晶体管非常坚固，特别是和GTO晶闸管的闩锁的关断相比。当满足单元增益条件时，在短暂的关断过程中，在整个管芯上电流分配非常均匀。这使得相比GTO晶闸管，产生了大得多的SOA。一种可实现单元增益关断的设备是一种发射极关断(ETO)晶闸管，于2000年3月2日提交的、Alex Q.Huang的“Emitter Turn-off Thyristors(ETO)”的美国专利申请序列号No.09/486,779中公开引入本文，作为参考。
图1A示出了ETO晶闸管等效电路，并且图1B示出了ETO晶闸管机械结构的剖面图。该ETO晶闸管具有和GTO晶闸管的阴极串联的另外的开关11。该GTO晶闸管10的阴极是内部NPN晶体管的发射极，所以将串联的开关11被称为发射极开关。关断这个开关将高瞬时电压施加到GTO晶闸管10的栅极使得实现单元增益，这个高瞬时电压长得足以使来自阴极的电流换向。另外的开关12和GTO晶闸管的栅极连接，并且与发射极开关互补。这些开关由许多并联的低电压，高电流金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实现。
但是，当使用短阳极GTO晶闸管或透明发射极GTO晶闸管建立ETO晶闸管(这是通常情况)时，从GTO晶闸管的栅极到阳极会存在寄生二极管。当在高功率电压源转换器中使用时，该ETO晶闸管通常和它的反向并联续流(freewheeling)二极管连接，以形成可以阻断单向电压并导通双向电流的开关。当反向并联二极管导通电流时，如果通过ETO晶闸管的路径的压降可以和续流二极管的相比，该ETO晶闸管的寄生二极管也进入导通。换句话说，在ETO晶闸管中存在寄生反向电流导通路径。这可能在ETO晶闸管栅极“导通”和ETO晶闸管栅极“关断”情况过程中发生。如果ETO晶闸管在它的寄生二极管导通电流之后立即开始阻断正向电压，可能因为ETO晶闸管寄生二极管的不良反向恢复性能而发生ETO晶闸管失效。
而且，当ETO晶闸管关断时，存在等于流过栅极杂散电感的阳极电流的电流。在此条件下，可能发生包括栅极环的杂散电感，GTO晶闸管的结电容，以及ETO晶闸管的发射极开关的恢复二极管的谐振过程。当谐振电流流进栅极并且流出GTO晶闸管的阴极时，可能启动GTO晶闸管的重新触发，这会引起关断故障。
另外，从图1B可以看到，栅极开关和发射极开关都安装在铜盘上。这个机械结构使得难以生产ETO晶闸管。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是，提供一组改进的发射极可关断(ETO)晶闸管，其能够消除反向电流路径，使开关更加可靠，并且具有改进的外壳，从而允许更容易的制造它。
本发明的另一目的是，提供一种用于该ETO晶闸管的高效驱动电路。该驱动电路可以在反向并联二极管导通电流的时间过程中阻断导通命令。这个功能可以为驱动电路节省能量并且在脉冲宽度调制(PWN)转换器的应用条件下，改进ETO晶闸管的可靠性。
另外，本发明提供了一种自供电的ETO驱动方法。使用该方法，驱动电路不需要单独的功率输入。这个自供电的ETO晶闸管及其驱动电路可以大大改进可靠性和降低成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种发射极关断晶闸管，其包括栅极导通(GTO)晶闸管，第一开关，该第一开关的漏极和GTO晶闸管的阴极连接，以及连接在GTO晶闸管的栅极和第一开关的源极之间的第二开关。该第一开关包括许多并联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该GTO晶闸管的阳极和第一开关的源极分别用作发射极关断晶闸管的阳极和阴极。该发射极关断晶闸管具有四个控制电极：GTO晶闸管的栅极，第二开关的控制电极，第一开关的栅极，以及GTO晶闸管的阴极。
在第一实施例中，第二开关包括许多并联的MOSFET。另外，MOSFET和二极管串联连接。该二极管用来阻断从第二开关的源极到GTO晶闸管的阴极的电流。
在第二实施例中，第二开关包括许多并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。第二开关的集电极和GTO晶闸管的栅极连接，并且第二开关的发射极和第一开关的源极连接。
在第三实施例中，第二开关包括许多并联的MOSFET。第二开关的源极和GTO晶闸管的栅极连接。将一个由许多并联的电容组成的电容和一个由许多并联的二极管组成的二极管并联连接。第二开关的漏极和二极管的阴极连接，并且二极管的阳极和第一开关的源极连接在一起。
在第四实施例中，第二开关包括许多并联的NPN功率晶体管。第二开关的发射极和GTO晶闸管的栅极连接。第二开关的集电极和由许多并联电容组成的电容的一个管脚连接。电容的另一个管脚和第一开关的源极连接在一起。一个由许多并联二极管组成的二极管被连接在第二开关的集电极和发射极之间。
本发明的另一目的是，提供一种新颖的ETO晶闸管电流传感电路和新的过电流检测电路。电流传感电路的输出可以被用于电流控制目的，并且过电流检测电路的输出可以被用于过电流保护目的。
除了上述一组改进的发射极关断晶闸管及其驱动电路，本发明的另一目的是提供ETO晶闸管的改进的外壳。这个改进的外壳除了提供ETO晶闸管的更好的操作，还被设计成可以更容易的制造。
【附图说明】
通过下面参考附图的本发明优选实施例的详细描述，可以更好的理解上述和其它目的，方面和优先，在附图中：
图1A是发射极关断(ETO)晶闸管的等效电路图；
图1B是图1A的ETO晶闸管机械结构的横截面图；
图2是根据本发明的第一实施例的ETO晶闸管的等效电路图；
图3是根据本发明的第二实施例的ETO晶闸管的等效电路图；
图4是根据本发明的第三实施例的ETO晶闸管的等效电路图；
图5是根据本发明的第四实施例的ETO晶闸管的等效电路图；
图6是根据本发明的第五实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图；
图7是根据本发明的第五实施例的ETO晶闸管驱动器时序图；
图8是根据本发明的第六实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图；
图9是根据本发明的第六实施例的ETO晶闸管驱动器时序图；
图10是根据本发明的第七实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图；
图11是根据本发明的第八实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图；
图12是根据本发明的第七实施例的ETO晶闸管驱动器时序图；
图13是根据本发明的第八实施例的ETO晶闸管电流传感和过电流检测器电路图；
图14是示意性的示出了根据本发明的第九实施例的ETO晶闸管外壳的装备图；
图15是示意性的示出了根据本发明的第九实施例的ETO晶闸管外壳的剖面图。
【具体实施方式】
再次参考附图，并且具体地说参考附图2，示出了根据本发明的第一实施例的ETO晶闸管的等效电路图。在这个结构中，许多(m个，在所述实例中，m＝68)的并联MOSFETS11-S1m被用于建立发射极开关。还有电阻R11-R1m和MOSFET的栅极连接。S11-S1m的漏极和GTO晶闸管的阴极连接。在发射极开关S11-S1m的阴极和GTO晶闸管的栅极之间存在栅极开关和栅极二极管的串联电路。许多(n个，在所述实例中，n＝12)的并联MOSFETS21-S2n被用于建立栅极开关。还有电阻R11-R1n和MOSFET的栅极连接。并且有许多(i个，在所述实例中，i＝12)的并联二极管D11-D1I被用于建立栅极二极管。GTO晶闸管的阳极，ANODE和S11-S1m的源极，KATHODE1被分别为定义ETO晶闸管的阳极和阴极。存在四个控制管脚：GATE1是GTO晶闸管的栅极，GATE2是S21-S2n的控制输入，GATE3是S11-S1m的控制输入，并且KATHOD2是GTO晶闸管的阴极。为关断ETO晶闸管，关断发射极开关S11-S1m并且导通栅极开关S21-S2n。为导通ETO晶闸管，导通发射极开关S11-S1m，关断栅极开关S21-S2n，并且将电流注入GATE1。D11-D1I被用于在PWM电压源转换器应用中，当KATHODE1的电压高于ANODE的电压时，阻断从KATHODE1到ANODE的电流。
现在参考附图3，其示出了根据本发明的第二实施例的ETO晶闸管的等效电路图。在这个结构中，许多(m个，在所述实例中，m＝68)并联的MOSFET S11-S1m被用于建立发射极开关。还有电阻R11-R1m和MOSFET的栅极连接。S11-S1m的漏极和GTO晶闸管的阴极连接。许多(n个，在所述实例中，n＝12)并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)S21-S2n被用于建立栅极开关。还有电阻R11-R1n和IGBT的栅极连接。S21-S2n的阳极和GTO晶闸管的栅极连接。S11-S1m的源极和S21-S2n的源极连接在一起。GTO晶闸管的阳极，ANODE和S21-S2n及S11-S1m的源极，KATHODE1分别被定义为ETO晶闸管的阳极和阴极。存在四个控制管脚：GATE1是GTO晶闸管的栅极，GATE2是S21-S2n的控制输入，GATE3是S11-S1m的控制输入，并且KATHOD2是GTO晶闸管的阴极。为关断ETO晶闸管，关断发射极开关S11-S1m并且导通栅极开关S21-S2n。为导通ETO晶闸管，导通发射极开关S11-S1m，关断栅极开关S21-S2n，并且将电流注入GATE1。
现在参考图4，其示出了根据本发明的第三实施例的ETO晶闸管的等效电路图。在这个结构中，许多(m个，在所述实例中，m＝68)并联的MOSFETS11-S1m被用于建立发射极开关。还有电阻R11-R1m和MOSFET的栅极连接。S11-S1m的漏极和GTO晶闸管的阴极连接。在发射极开关S11-S1m的阴极和GTO晶闸管的栅极之间，存在栅极开关S2和电容C1的串联电路。S2具有三个端子，其中G是控制输入。存在和C1并联的二极管D1。并且存在和S2并联的二极管D2。GTO晶闸管的阳极，ANODE和S21-82n的源极，KATHODE1被分别定义为ETO晶闸管的阳极和阴极。存在四个控制管脚：GATE1是GTO晶闸管的栅极，GATE2是S11-S1m的控制输入，GATE3和S2的控制输入连接，并且KATHOD2是GTO晶闸管的阴极。为关断ETO晶闸管，关断发射极开关S11-S1m并且导通栅极开关S2。电流将流出GTO晶闸管的栅极并且通过D2对电容C1充电。为导通ETO晶闸管，导通发射极开关S11-S1m，并且导通栅极开关S2。C1将提供导通电流使得待注入GATE的驱动电路仅需要小的恒定电流。栅极开关S2被用于在PWM电压源转换器应用中，当KATHODE1的电压高于ANODE的电压时，阻断从KATHODE1到ANODE的电流。二极管D1被用于当C1放电时提供电流续流路径。
现在参考图5，示出了根据本发明的第四实施例的ETO晶闸管的等效电路图。在这个结构中，许多(m个，在所述实例中，m＝68)并联的MOSFETS11-S1m被用于建立发射极开关。还有电阻R11-R1m和MOSFET的栅极连接。S11-S1m的漏极和GTO晶闸管的阴极连接。在发射极开关S11-S1m的阴极和GTO晶闸管的栅极之间存在栅极开关和栅极二极管的串联电路。许多(n个，在所述实例中，n＝12)并联的MOSFETS21-S2n被于建立栅极开关。还有电阻R11-R1n和MOSFET的栅极连接。并且有许多(i个，在所述实例中，i＝12)并联的二极管D11-D1I被用于建立栅极二极管。存在许多(j个，在所述实例中，j＝12)并联的二极管D11-D1j和电容C1的串联电路，并且这个串联电路和发射极开关S11-S1m并联。GTO晶闸管的阳极，ANODE和S21-S2n及S11-S1m的源极，KATHODE1分别被定义为ETO晶闸管的阳极和阴极。存在五个控制管脚：GATE1是GTO晶闸管的栅极，GATE2是S11-S1m的控制输入，GATE3是S21-S2n的控制输入，KATHOD2是GTO晶闸管的阴极，并且PG是D11-D1j的阴极。为关断ETO晶闸管，关断发射极开关S11-S1m并且导通栅极开关S21-S2n。将发射极开关S11-S1m的阳极电压钳位到跨接在C1两端的电压。为导通ETO晶闸管，导通发射极开关S11-S1m，关断栅极开关S21-S2n，并且将电流注入GATE1。为了对C1充电可以延迟发射极开关S11-S1m的导通动作。D11-D1I被用于在PWM电压源转换器应用中，当KATHODE1的电压高于ANODE的电压时，阻断从KATHODE1到ANODE的电流。
现在参考图6，其是根据本发明的第五实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图。在这个结构中，ETO晶闸管1与图2所示的本发明的第一实施例一致，ETO晶闸管驱动电路包括脉冲电流源CS1、DC电流源电路CS2、电压钳位电路CLAMP，电流方向检测器3、以及控制电路2。CS1和KATHODE2和GATE1连接。当导通ETO晶闸管的栅极时，CS1提供脉冲电流给GTO晶闸管的栅极。CS2和KATHODE1和GATE1连接。在ETO晶闸管的栅极在导通状态过程中，CS2提供DC电流给GTO晶闸管的栅极。在所述实例中，CS2包括电压源VS2、PNP功率晶体管S4、两个电阻R3和R4、晶体管S5、以及用来当GATE1的电压大于VS2时阻断电压的二极管D3。钳位电路CLAMP和KATHODE2和GATE1连接。CLAMP使得GTO晶闸管的栅极在它的闭合状态中反向偏置，以防止它错误地触发导通。在所述实例中，CLAMP是电压源VS1，MOSFETS3，以及二极管D2的串联电路。电流方向检测器3和GATE1和KATHODE1连接。在PWM电压源转换器应用中，二极管和ETO晶闸管反向并联连接。电流方向检测器3被用来检测反向并联二极管是否导通电流。如果ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流，该ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。在所述实例中，电流方向检测器3是比较器COMP。如果COMP的输出在操作过程中为低电平，指示ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流。在这个情况中，ETO晶闸管保持关断以节省驱动电路功率。所以仅在COMMAND为高电平且COMP的输出为高电平的情况下，才导通ETO晶闸管。该ETO晶闸管1和它的驱动电路由控制电路2控制。
现在参考图7，其是也根据如图6所示的本发明的第五实施例的ETO晶闸管驱动时序图。在图7中，COMMAND是触发ETO晶闸管的导通/关断的控制信号；I1是CS1的输出；I2是CS2的输出；V_GATE1是跨接在GATE1和KATHODE1之间的电压；V_GATE2是跨在GATE2和发射极开关S11-S1m的阴极之间的电压；V_GATE3是跨在GATE3和栅极开关S21-S2n的阴极之间的电压；V_S3是跨在S3的栅极和阴极之间的电压；V_S5是跨在S5的栅极和阴极之间的电压。在时间t1，COMMAND为高电平。因为V_GATE1是负的，COMP的ETO晶闸管输出为低电平。ETO晶闸管保持关断。在时间t2，GTO晶闸管的栅极的电压高于ETO晶闸管阴极的电压。在这时，COMP的输出和COMMAND都为高电平。之后通过控制电路2启动导通动作。触发CS1，将电流脉冲I1注入GATE1。V_GATE2从低电平变为高电平，以导通ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m。V_GATE3从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管的栅极开关S21-S2n。V_S3从高电平变为低电平，以关断CLAMP。V_S5从低电平变为高电平，以导通S4。因为S4导通，I2增加。在时间t3，I2减小到零。电流脉冲注入结束。GTO晶闸管的栅极电流仅由I2维持。在时间t4，COMMAND为低电平。通过控制电路2立即启动关断动作。V_GATE2从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管发射极开关S11-S1m。V_GATE3从低电平变为高电平，以导通ETO晶闸管的栅极开关S21-S2n。因为ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m关断，将在S11-S1m的发射极和漏极之间产生正的电压，迫使电流从GTO晶闸管的阴极转向到栅极，以实现所谓的单元关断增益。V_S3从低电平变为高电平，以导通CLAMP，从而使得GTO晶闸管的栅极在它的关断状体过程中反向偏置。V_S5从高电平变为低电平，以关断S4。因为S4关断，I2减少。作为结果，节省了驱动电路功率。
现在参考图8，其是根据本发明的第六实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图。在这个结构中，ETO晶闸管1与如图4所示的本发明的第三实施例一致，ETO晶闸管驱动电路包括DC电流源电路CS2、电压钳位电路CLAMP、电流方向检测器3、以及控制电路2。CS2和KATHODE1和GATE1连接。在ETO晶闸管的栅极导通状态过程中，CS2提供DC电流给GTO晶闸管的栅极。在所述实例中，CS2包括电压源VS2、PNP功率晶体管S4、两个电阻R3和R4、晶体管S5、以及用来当GATE1的电压大于VS2时阻断电压的二极管D3。钳位电路CLAMP和KATHODE2和GATE1连接。CLAMP使得GTO晶闸管的栅极在它的闭合状态中反向偏置，以防止它错误地触发导通。在所述实例中，CLAMP是电压源VS1，MOSFETS3，以及二极管D2的串联电路。电流方向检测器3和GATE1和KATHODE1连接。在PWM电压源转换器应用中，存在一二极管和ETO晶闸管反向并联连接。电流方向检测器3被用来检测反向并联二极管是否导通电流。如果ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流，该ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。在所述实例中，电流方向检测器3是比较器COMP。如果COMP的输出在操作过程中为低电平，指示ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流。在这个情况中，ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。所以仅在COMMAND为高电平和COMP的输出为高电平的情况下，才导通ETO晶闸管。该ETO晶闸管1和它的驱动电路由控制电路2控制。
现在参考图9，其是也根据本发明的第六实施例的ETO晶闸管驱动时序图。在图9中，COMMAND是触发ETO晶闸管的导通/关断的控制信号；I1是CS1的输出；I2是CS2的输出；V_GATE1是跨在GATE1和KATHODE1之间的电压V_GATE2是跨在GATE2和发射极开关S11-S1m的阴极之间的电压；V_GATE3是GATE3的控制电压；V_S3是跨在S3的栅极和阴极之间的电压；V_S5是跨在S5的栅极和阴极之间的电压。在时间t1，COMMAND为高电平。因为V_GATE1是负的，COMP的ETO晶闸管输出为低电平。ETO晶闸管保持关断。在时间t2，GTO晶闸管的栅极的电压高于ETO晶闸管阴极的电压。在这时，COMP的输出和COMMAND都为高电平。之后，通过控制电路2启动导通动作。V_GATE2从低电平变为高电平，以导通ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m。V_GATE3从高电平变为低电平，以导通S2。之后，电容C1提供导通电流给GTO晶闸管的栅极。V_S3从高电平变为低电平，以关断CLAMP。V_S5从低电平变为高电平，以导通S4。因为S4被导通，I2增加。在时间t3，电容C1放电。但是GTO晶闸管的栅极的环路电感将维持电流。电流通过二极管D1。在时间t4，完全释放存储在栅极环路电感中的能量。流入GTO晶闸管栅极的电流仅由I2提供。在时间t5，COMMAND为低电平。通过控制电路2立即启动关断动作。V_GATE2从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管发射极开关S11-S1m。V_GATE3从高电平变为低电平，以关断S2。因为ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m被关断，将在S11-S1m的发射极和漏极之间产生正的电压，迫使电流从GTO晶闸管的阴极转向到栅极，以实现所谓的单元关断增益。流出GTO晶闸管的栅极的电流将通过C1对C1充电，并且存储在C1中的能量将被用于ETO晶闸管导通。同时，V_S3从低电平变为高电平，以导通CLAMP，从而使得GTO晶闸管的栅极在它的关断状体过程中反向偏置。V_S5从高电平变为低电平，以关断S4。因为S4被关断，I2的限制减少。作为结果，节省了驱动电路功率。
现在参考图10，其是根据本发明的第七实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图。在这个结构中，ETO晶闸管1与图5所示的本发明的第四实施例一致，ETO晶闸管驱动电路包括脉冲电流源CS1，DC电流源电路CS2，以及电压钳位电路CLAMP，电流方向检测器3，DC电压源VS3和电阻R5的串联电路，以及控制电路2。CS1和KATHODE2和GATE1连接。当ETO晶闸管的栅极导通时，CS1提供脉冲电流给GTO晶闸管的栅极。CS2和KATHODE1和GATE1连接。在ETO晶闸管的栅极导通状态过程中，CS2提供DC电流给GTO晶闸管的栅极。在所述实例中，CS2包括电压源VS2，PNP功率晶体管S4，两个电阻R3和R4，晶体管S5，以及用来当GATE1的电压大于VS2时阻断电压的二极管D3。VS3和R5的串联电路连接在PG和KATHODE1之间。钳位电路CLAMP和KATHODE2和GATE1连接。CLAMP使得GTO晶闸管的栅极在它的闭合状态中反向偏置，以防止它错误地触发导通。在所述实例中，CLAMP是电压源VS1，MOSFETS3，以及二极管D2的串联电路。电流方向检测器3和GATE1和KATHODE1连接。在PWM电压源转换器应用中，存在一二极管，和ETO晶闸管反向并联连接。电流方向检测器3被用来检测反向并联二极管是否导通电流。如果ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流，该ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。在所述实例中，电流方向检测器3是比较器COMP。如果COMP的输出在操作过程中为低电平，指示ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流。在这个情况中，ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。所以仅在COMMAND为高电平和COMP的输出为高电平的情况下，才导通ETO晶闸管。VS3和R5的串联电路被用于维持跨在ETO晶闸管内的C1两端的正的电压，并且这个低于ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m的雪崩击穿电压。该ETO晶闸管1和它的驱动电路由控制电路2控制。
现在再次参看图7，其是也根据本发明的第七实施例的ETO晶闸管驱动时序图。在图7中，COMMAND是触发ETO晶闸管的导通/关断的控制信号；I2是CS2的输出；V_GATE1是跨在GATE1和KATHODE1之间的电压V_GATE2是跨在GATE2和发射极开关S11-S1m的阴极之间的电压；V_GATE3是跨在GATE3和栅极开关S21-S2n的阴极之间的电压；V_S3是跨在S3的栅极和阴极之间的电压；V_S5是跨在S5的栅极和阴极之间的电压。在时间t1，COMMAND为高电平。因为V_GATE1是负的，COMP的ETO晶闸管输出为低电平。ETO晶闸管保持关断。在时间t2，GTO晶闸管的栅极的电压高于ETO晶闸管阴极的电压。在这时，COMP的输出和COMMAND都为高电平。之后，通过控制电路2启动导通动作。触发CS1将电流脉冲I1注入GATE1。V_GATE2从低电平变为高电平，以导通ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m。V_GATE3从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管的栅极开关S21-S2n。V_S3从高电平变为低电平，以关断CLAMP。V_S5从低电平变为高电平，以导通S4。因为S4被导通，I2增加。在时间t3，I2减小到零。电流脉冲注入结束。GTO晶闸管的栅极电流仅由I2维持。在时间t4，COMMAND为低电平。通过控制电路2立即启动关断动作。V_GATE2从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管发射极开关S11-S1m。V_GATE3从低电平变为高电平，以导通ETO晶闸管栅极开关S21-S2n。因为ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m被关断，将在S11-S1m的发射极和漏极之间产生、由ETO晶闸管内的C1钳位的正的电压，迫使电流从GTO晶闸管的阴极转向到栅极，以实现所谓的单元关断增益。V_S3从低电平变为高电平，以导通CLAMP，从而使得GTO晶闸管的栅极在它的关断状体过程中反向偏置。V_S5从高电平变为低电平，以关断S4。因为S4被关断，I2减小。作为结果，节省了驱动电路功率。
现在参考图11，其是根据本发明的第八实施例的ETO晶闸管驱动电路的等效电路图。在这个结构中，ETO晶闸管1与图5所示的本发明的第四实施例一致，并且Ia是它的阳极电流。该ETO晶闸管驱动电路包括脉冲电流源CS1、DC电流源电路CS2、电压钳位电路CLAMP、电流方向检测器3、PG电压检测器5、PG电压预充电电路6、PG电压限制器7、DC-DC转换器4、以及控制电路2。CS1和KATHODE2和GATE1连接。当ETO晶闸管的栅极导通时，CS1提供DC电流给GTO晶闸管的栅极。CS2也和KATHODE2和GATE1连接。在ETO晶闸管的栅极导通状态过程中，CS2提供DC电流给GTO晶闸管的栅极。在所述实例中，CS2包括电压源VS2、PNP功率晶体管S4、两个电阻R3和R4、晶体管S5、以及用来当GATE1的电压大于VS2时阻断电压的二极管D3。钳位电路CLAMP和KATHODE2和GATE1连接。CLAMP使得GTO晶闸管的栅极在它的关断状态中反向偏置，以防止它错误地触发导通。在所述实例中，CLAMP是电压源VS1，MOSFETS3，以及二极管D2的串联电路。电流方向检测器3和ANODE和KATHODE1连接。在PWM电压源转换器应用中，存在一二极管，和ETO晶闸管反向并联连接。电流方向检测器3用来检测反向并联二极管是否导通电流。如果ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流，该ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。在所述实例中，电流方向检测器3包括比较器COMP和分压器VD。VD被用于将高电平电压的ANODE的电压转换为可以由比较器接收的低电压。在所述实例中，VD是两个电阻R6和R7的串联电路，并且VD与ANODE和KATHODE1连接。COMP1的负的输入和KATHODE1连接，并且COMP1的正的输入和R6的另一端子连接。如果COMP1的输出在操作过程中为低电平，指示ETO晶闸管的反向并联二极管导通电流。在这个情况中，ETO晶闸管保持关断，以节省驱动电路功率。所以，仅在COMMAND为高电平和COMP1的输出为高电平的情况下，导通ETO晶闸管。PG电压检测器5和PG及控制电路2连接，并且用来检测PG电压并将PG电压信息发送到控制电路2。如果PG过低，控制电路2将延迟发射极开关S11-S1m的导通，从而通过阳极电流Ia对C1充电。另一方面，如果PG过高，控制电路2将不延迟发射极开关S11-S1m的导通。在所述实例中，PG电压检测器5包括两个比较器，COMP2和COMP3，其输出和控制电路2连接。COMP2和COMP3的正的输入和PG连接。还有电压基准，Vref1和Vref2，并且Vref1低于Vref2。Vref1和COMP2的负的输入连接，而Vref2和COMP3的负的输入连接。在ETO晶闸管的导通或导通状态过程中，如果PG低于Verf1，COMP2的输出为低，并且控制电路2将保持发射极开关S11-S1m关断，从而通过阳极电流Ia对C1充电，并且在PG上升到Vref2之前发射极开关S11-S1m将不被打开，并且Vref2的输出变为高。另一方面，如果在ETO晶闸管导通的开始，PG大于Vref1，控制电路2将不延迟发射极开关S11-S1m的导通。PG电压预充电电路6被连接在ANODE和PG之间，并且被用于当ETO晶闸管首次接通电源，对C1充电。PG电压限制器7被连接在KATHODE1和PG之间，并且被用于限制PG的电压到低于发射极开关S11-S1m的雪崩击穿电压的电压。在所述实例中，PG电压预充电电路6是电阻R5，并且PG电压限制器7是齐纳二极管D4。DC-DC转换器4的输入和PG及KATHODE1连接。DC-DC转换器4的输入的功率取自C1所存贮的能量，DC-DC转换器4产生用于整个驱动电路的功率，该整个驱动电路包括CS1，CS2、CLAMP、电流方向检测器3、PG电压检测器5、PG电压预充电电路6、PG电压限制器7、以及控制电路2。所示在本发明的实施例中，驱动电路不需要单独的功率输入。这个自供电的ETO晶闸管及其驱动电路显著的改进可靠性并降低成本。该ETO晶闸管1及其驱动电路由控制单元2控制。
现在参看图12，其是也根据本发明的第八实施例的ETO晶闸管驱动时序图。在图12中，COMMAND是触发ETO晶闸管的导通/关断的控制信号；I1是CS1的输出；I2是CS2的输出；V_GATE1是跨在GATE1和KATHODE1之间的电压；V_PG是跨在PG和KATHODE1之间的电压；V_GATE2是跨在GATE2和发射极开关S11-S1m的阴极之间的电压；V_GATE3是跨在GATE3和栅极开关S21-S2n的阴极之间的电压；V_S3是跨在S3的栅极和阴极之间的电压；V_S5是跨在S5的栅极和阴极之间的电压。在时间t1，COMMAND为高电平。因为V_GATE1是负的，COMP的ETO晶闸管输出为低电平。ETO晶闸管保持关断。在时间t2，GTO晶闸管的栅极的电压高于ETO晶闸管阴极的电压。在这时，COMP的输出和COMMAND都为高电平。之后，通过控制电路2启动导通动作。触发CS1将电流脉冲I1注入GATE1。V_GATE3从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管的栅极开关S21-S2n。V_S3从高电平变为低电平以关断CLAMP。V_S5从低电平变为高电平，以导通S4。因为S4被导通，I2增加。因为在这时V_PG低于Vref1，COMP2的输出为低。所以V_GATE2仍然为低，并且作为结果，ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m仍然保持关断。因为S11-S1m关断，ETO晶闸管的阳极电流I1将通过并联二极管D11-D1j对C1充电，使得V_PG升高。在时间t3，I2减小到零。电流脉冲注入结束。GTO晶闸管的栅极电流仅由I2维持。在时间t4，V_PG升高到Vref2。控制电路2检测到COMP3的输出转到高，之后，将V_GATE2从低电平充电到高电平，以导通ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m。在时间t4，COMMAND为低电平。通过控制电路2立即启动关断动作。V_GATE2从高电平变为低电平，以关断ETO晶闸管发射极开关S11-S1m。V_GATE3从低电平变为高电平，以导通ETO晶闸管栅极开关S21-S2n。因为ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m关断，在S11-S1m的发射极和漏极之间产生、由ETO晶闸管内的C1钳位的正的电压，迫使电流从GTO晶闸管的阴极转向到栅极，以实现所谓的单元关断增益。V_S3从低电平变为高电平，以导通CLAMP，从而使得GTO晶闸管的栅极在它的关断状态过程中反向偏置。V_S5从高电平变为低电平，以关断S4。因为S4被关断，I2减小。作为结果，节省了驱动电路功率。
现在转到图13，其是根据本发明的第九实施例的ETO晶闸管电流传感和过电流检测器电路图。当ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m导通时，它执行小型线性电阻的功能。所以跨在S11-S1m的漏极和源极之间的压降反映流过它的电流。考虑ETO晶闸管的发射极开关S11-S1m的结的温度，以消除在S11-S1m的电阻上的温度效果。PWM信号的工作周期和跨在S11-S1m的漏极和源极之间的电压成正比，并且其周期和S11-S1m的结温度有关。该PWM信号以光信号发出。该跨在S11-S1m的漏极和源极之间的电压也用于ETO晶闸管的过电流保护。如果这个电压足够高，将触发过电流警报。在所述实例中，该电流传感电路包括温度传感器2、PWM波形产生器6、电阻R3、开关5、以及光发射器7。开关S1的电压，电流和温度之间的关系可以由下面等式表达：
I=VVref+k×T]]>
其中I是电流，V是电压，并且Vref和k是关于晶闸管的发射极开关S11-S1m的参数。温度传感器2得到晶闸管发射极开关S11-S1m的温度信号，并且将它发送到PWM产生器6。也由PWM产生器6检测晶闸管的发射极开关S11-S1m的漏极的电压V。该PWM产生器6产生工作周期和电压V成正比的PWM信号，并且该信号的周期和S11-S1m的温度有关。由光发射器7发出该PWM信号。并且该电流信息可用于电流控制。当ETO晶闸管关断时，开关5导通。这个功能确保当ETO晶闸管在闭合状态是V＝0。
在所述实例中，过电流检测器电路包括温度传感器2、电压基准4、计算电路3、比较器8和光发射器9。可由计算电路3设置过电流触发器值为Vref+kT。如果电压V大于Vref+kT，该过电流信号可由比较器9产生。该过电流信号可由ETO晶闸管的控制电路10接收，以立即关断ETO晶闸管。它也可有由光发射器9发出到外部控制器。
现在参考图14，其是示意性的示出了根据本发明的第十实施例的ETO晶闸管外壳的装配图。还参考图15，其是示意性的示出也根据本发明的第十实施例的ETO晶闸管外壳的横截面图。该外壳包括GTO晶闸管100、印刷电路板(PCB)104、发射极开关105、机架109、绝缘体107和金属盘101、102、103、106和108。印刷电路板(PCB)104，金属盘106，金属盘103由螺钉装配在一起。从PCB104切去一个大孔，使得GTO晶闸管100的阴极和金属盘106直接接触。发射极开关105是很多并联的N沟道MOSFET，将其封装在该孔周围的圆形区。该发射极开关105的漏极和GTO晶闸管100的阴极由PCB104和金属盘106连接。在这个结构中，N-MOSFET的漏极非常接近金属盘104。由发射极开关105产生的热量很容易传导到金属盘104，并且使在GTO晶闸管100和发射极开关105之间的杂散电感最小化。可以将发射极开关105放置在PCB104的两侧，以增加发射极开关的数量，使得可以改善电流控制能力。发射极开关105的源极通过PCB104和金属盘108连接，所以金属盘108执行ETO晶闸管的阴极的功能。金属盘108和106由绝缘体107彼此绝缘。使用金属机架109支撑整个设备。将中间部分切去以将金属盘108暴露在外。所以热量可以从金属盘108直接传送到外部热沉。
虽然关于优选实施例描述本发明，本领域普通技术人员将认可在所附权利要求的精神和范围中，可以对本发明进行多种修改。