SCALE驅動器在100kVA電力機車輔助變流器中的應用

摘    要: 本文介紹了CONCEPT公司新一代高性能SCALE驅動器的特點、工作原理以及驅動電路設計，通過100kVA電力機車輔助變流器的系統(tǒng)實驗證明該驅動電路穩(wěn)定可靠，達到了設計要求。
關鍵詞: 驅動器；輔助變流器；絕緣柵雙極型晶體管
引言
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種電壓控制型電力電子器件。與電流控制型電力電子器件(如門極可關斷晶閘管GTO)相比較，IGBT具有驅動功率小、開關速度快等優(yōu)點。要保證IGBT穩(wěn)定可靠地工作，其驅動電路起著至關重要的作用。本文在100kVA電力機車輔助變流器設計中，采用了以瑞士CONCEPT公司的高性能雙通道SCALE驅動器2SD315AI為核心的驅動電路，達到了良好的應用效果。

圖1  電力機車輔助變流器主電路原理圖

圖2   PWM脈沖信號輸入處理電路

圖3  故障信號輸出及自動復位電路

電力機車輔助變流器的
主電路原理
電力機車輔助變流器將電力機車主變壓器輔助繞組輸出的單相交流340V進行整流，再逆變?yōu)槿嘟涣?80V給機車上的各種輔助設備供電，主電路原理如圖1所示。
每套輔助變流器由單相電壓型PWM整流器、中間支撐環(huán)節(jié)、三相電壓型逆變器和輸出濾波器等幾部分構成。在一個機柜內(nèi)配置有兩套輔助變流器，單套容量為100kVA，是典型的中功率“交－直－交”變流器系統(tǒng)。其中，PWM整流器和逆變器分別采用了EUPEC公司的額定值為800A/1200V和400A/1200V的IGBT模塊。

基于2SD315AI的驅動電路設計
在實際應用中，驅動電路一般都要求盡量靠近IGBT模塊，同時盡可能地縮短驅動器輸出PWM脈沖信號到柵極之間的引線長度，以增強驅動回路的抗干擾性能，對于中大功率變流裝置更是如此。因此，在100kVA電力機車輔助變流器的設計中，以SCALE驅動器2SD315AI為核心的IGBT驅動板就近放置于四象限變流器和逆變器的IGBT模塊上方，驅動器輸出PWM脈沖信號到柵極之間的引線距離不足10cm。
驅動器工作模式選擇
2SD315AI主要由LDI(Logic to Driver Interface)、脈沖變壓器、IGD(Intelligent Gate Driver)和DC/DC變換器構成，有兩種工作模式可供選擇：半橋模式和直接模式。驅動器的MOD管腳接地則工作在半橋模式，接電源則工作在直接模式。
在半橋工作模式中，驅動器的InA管腳作為PWM脈沖輸入信號，InB管腳作為脈沖允許信號。只需在驅動器的RC1、RC2管腳外部加入簡單的RC電路，便可以產(chǎn)生長度從100ns到幾ms的死區(qū)時間。在直接工作模式中，管腳InA和InB分別是兩個通道的輸入PWM脈沖信號，兩個通道之間沒有進行互鎖處理，也不能進行死區(qū)時間設置。
在輔助變流器的設計中，四象限變流器和逆變器的PWM脈沖信號都是由專用DSP控制器TMS320F240直接發(fā)生，通過軟件可以很方便地設置死區(qū)時間，因此驅動器選取了直接工作模式。
脈沖信號傳輸
控制器發(fā)出的PWM脈沖信號經(jīng)過一定距離的傳輸才能到達驅動板，這就要求解決好脈沖信號的傳輸問題。較長距離數(shù)字信號傳輸?shù)某Ｓ梅椒ㄓ校汗饫w傳輸、電流環(huán)方式傳輸、絕緣隔離方式傳輸、差動方式傳輸以及強信號傳輸?shù)?。考慮到實際傳輸距離為兩米左右，又兼顧到成本等因素，在驅動電路設計中采取了強信號傳輸方式。驅動器的PWM脈沖輸入信號采用+15V電平，為提高信噪比，傳輸電流為15mA。同時，信號傳輸采用雙絞屏蔽線，單端接地，大幅降低了噪聲的影響。
脈沖信號輸入處理電路
圖2所示為PWM脈沖信號輸入處理電路。Input A和Input B是從驅動板外部輸入的PWM脈沖信號。D1、D2和D3、D4分別為A、B兩個通道的脈沖鉗位電路。N溝道絕緣柵場效應晶體管Q1和Q2構成互鎖電路，用于防止兩個PWM脈沖信號同為高電平，以避免導致IGBT擊穿短路。R5、C1和R6、C2分別為A、B兩通道的PWM脈沖信號的低通濾波環(huán)節(jié)，用以防止由于尖峰脈沖干擾信號而造成的IGBT誤導通，可根據(jù)IGBT開關頻率等因素來確定濾波時間常數(shù)。InA和InB分別接至驅動器的兩個PWM脈沖輸入引腳。
故障信號輸出及
故障自動復位電路
故障信號輸出及故障自動復位電路如圖3所示。SCALE驅動器的故障信號為集電極開路輸出，所以可以將各驅動器的故障輸出信號管腳SO1、SO2直接相連，產(chǎn)生總的驅動器故障信號。圖中以單驅動器為例。在驅動器正常情況下，SO1和SO2處于懸空狀態(tài)，由R2上拉到高電平，施密特反向器U1A輸出高電平使三極管T1導通，VCC經(jīng)過D1和D2組成的鉗位電路和限流電阻R1，送出驅動器狀態(tài)信號SO到驅動板外部。任何一個通道發(fā)生故障后，都會使U1A的輸出變?yōu)榈碗娖?，從而使三極管T1截止，表示驅動器故障；同時U1A的輸出送入驅動器的VL/Reset管腳，自動將故障信號復位。故障信號的持續(xù)時間由R2、C1的時間常數(shù)確定，通常取10ms左右。

結語
目前，100kVA電力機車輔助變流器的地面實驗已經(jīng)全部完成。實驗結果表明，2SD315AI的驅動能力強、隔離電壓高、保護功能完善、外圍電路簡單、工作穩(wěn)定可靠，是性能優(yōu)良的新一代IGBT集成驅動模塊?！?/p>

參考文獻
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