SCALE驅(qū)動(dòng)器在100kVA電力機(jī)車輔助變流器中的應(yīng)用

摘    要: 本文介紹了CONCEPT公司新一代高性能SCALE驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)、工作原理以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，通過100kVA電力機(jī)車輔助變流器的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞: 驅(qū)動(dòng)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(guān)斷晶閘管GTO)相比較，IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。要保證IGBT穩(wěn)定可靠地工作，其驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用。本文在100kVA電力機(jī)車輔助變流器設(shè)計(jì)中，采用了以瑞士CONCEPT公司的高性能雙通道SCALE驅(qū)動(dòng)器2SD315AI為核心的驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。

圖1  電力機(jī)車輔助變流器主電路原理圖

圖2   PWM脈沖信號(hào)輸入處理電路

圖3  故障信號(hào)輸出及自動(dòng)復(fù)位電路

電力機(jī)車輔助變流器的
主電路原理
電力機(jī)車輔助變流器將電力機(jī)車主變壓器輔助繞組輸出的單相交流340V進(jìn)行整流，再逆變?yōu)槿嘟涣?80V給機(jī)車上的各種輔助設(shè)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(gòu)成。在一個(gè)機(jī)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)電路一般都要求盡量靠近IGBT模塊，同時(shí)盡可能地縮短驅(qū)動(dòng)器輸出PWM脈沖信號(hào)到柵極之間的引線長(zhǎng)度，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)回路的抗干擾性能，對(duì)于中大功率變流裝置更是如此。因此，在100kVA電力機(jī)車輔助變流器的設(shè)計(jì)中，以SCALE驅(qū)動(dòng)器2SD315AI為核心的IGBT驅(qū)動(dòng)板就近放置于四象限變流器和逆變器的IGBT模塊上方，驅(qū)動(dòng)器輸出PWM脈沖信號(hào)到柵極之間的引線距離不足10cm。
驅(qū)動(dòng)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(gòu)成，有兩種工作模式可供選擇：半橋模式和直接模式。驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器的InA管腳作為PWM脈沖輸入信號(hào)，InB管腳作為脈沖允許信號(hào)。只需在驅(qū)動(dòng)器的RC1、RC2管腳外部加入簡(jiǎn)單的RC電路，便可以產(chǎn)生長(zhǎng)度從100ns到幾ms的死區(qū)時(shí)間。在直接工作模式中，管腳InA和InB分別是兩個(gè)通道的輸入PWM脈沖信號(hào)，兩個(gè)通道之間沒有進(jìn)行互鎖處理，也不能進(jìn)行死區(qū)時(shí)間設(shè)置。
在輔助變流器的設(shè)計(jì)中，四象限變流器和逆變器的PWM脈沖信號(hào)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(shè)置死區(qū)時(shí)間，因此驅(qū)動(dòng)器選取了直接工作模式。
脈沖信號(hào)傳輸
控制器發(fā)出的PWM脈沖信號(hào)經(jīng)過一定距離的傳輸才能到達(dá)驅(qū)動(dòng)板，這就要求解決好脈沖信號(hào)的傳輸問題。較長(zhǎng)距離數(shù)字信號(hào)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(dòng)方式傳輸以及強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)??？紤]到實(shí)際傳輸距離為兩米左右，又兼顧到成本等因素，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中采取了強(qiáng)信號(hào)傳輸方式。驅(qū)動(dòng)器的PWM脈沖輸入信號(hào)采用+15V電平，為提高信噪比，傳輸電流為15mA。同時(shí)，信號(hào)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(hào)輸入處理電路
圖2所示為PWM脈沖信號(hào)輸入處理電路。Input A和Input B是從驅(qū)動(dòng)板外部輸入的PWM脈沖信號(hào)。D1、D2和D3、D4分別為A、B兩個(gè)通道的脈沖鉗位電路。N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1和Q2構(gòu)成互鎖電路，用于防止兩個(gè)PWM脈沖信號(hào)同為高電平，以避免導(dǎo)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(hào)的低通濾波環(huán)節(jié)，用以防止由于尖峰脈沖干擾信號(hào)而造成的IGBT誤導(dǎo)通，可根據(jù)IGBT開關(guān)頻率等因素來確定濾波時(shí)間常數(shù)。InA和InB分別接至驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)PWM脈沖輸入引腳。
故障信號(hào)輸出及
故障自動(dòng)復(fù)位電路
故障信號(hào)輸出及故障自動(dòng)復(fù)位電路如圖3所示。SCALE驅(qū)動(dòng)器的故障信號(hào)為集電極開路輸出，所以可以將各驅(qū)動(dòng)器的故障輸出信號(hào)管腳SO1、SO2直接相連，產(chǎn)生總的驅(qū)動(dòng)器故障信號(hào)。圖中以單驅(qū)動(dòng)器為例。在驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通，VCC經(jīng)過D1和D2組成的鉗位電路和限流電阻R1，送出驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)信號(hào)SO到驅(qū)動(dòng)板外部。任何一個(gè)通道發(fā)生故障后，都會(huì)使U1A的輸出變?yōu)榈碗娖剑瑥亩谷龢O管T1截止，表示驅(qū)動(dòng)器故障；同時(shí)U1A的輸出送入驅(qū)動(dòng)器的VL/Reset管腳，自動(dòng)將故障信號(hào)復(fù)位。故障信號(hào)的持續(xù)時(shí)間由R2、C1的時(shí)間常數(shù)確定，通常取10ms左右。

結(jié)語
目前，100kVA電力機(jī)車輔助變流器的地面實(shí)驗(yàn)已經(jīng)全部完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2SD315AI的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、隔離電壓高、保護(hù)功能完善、外圍電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，是性能優(yōu)良的新一代IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊。■

參考文獻(xiàn)
1鄭樹選.8K型電力機(jī)車.北京：中國鐵道出版社， 1994
2吳強(qiáng).機(jī)車輔助變流器的技術(shù)發(fā)展.機(jī)車電傳動(dòng)[J]. 2002
3 Description and application manual for SCALE drivers[M]. Switzerland: CT-Concept Technology Ltd, 2000
4 諸邦田.電子電路實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1994