SCALE驱动器在100kVA电力机车辅助变流器中的应用

摘    要: 本文介绍了CONCEPT公司新一代高性能SCALE驱动器的特点、工作原理以及驱动电路设计，通过100kVA电力机车辅助变流器的系统实验证明该驱动电路稳定可靠，达到了设计要求。

引言
绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种电压控制型电力电子器件。与电流控制型电力电子器件(如门极可关断晶闸管GTO)相比较，IGBT具有驱动功率小、开关速度快等优点。要保证IGBT稳定可靠地工作，其驱动电路起着至关重要的作用。本文在100kVA电力机车辅助变流器设计中，采用了以瑞士CONCEPT公司的高性能双通道SCALE驱动器2SD315AI为核心的驱动电路，达到了良好的应用效果。

图1  电力机车辅助变流器主电路原理图

图2   PWM脉冲信号输入处理电路

图3  故障信号输出及自动复位电路

电力机车辅助变流器的
主电路原理
电力机车辅助变流器将电力机车主变压器辅助绕组输出的单相交流340V进行整流，再逆变为三相交流380V给机车上的各种辅助设备供电，主电路原理如图1所示。
每套辅助变流器由单相电压型PWM整流器、中间支撑环节、三相电压型逆变器和输出滤波器等几部分构成。在一个机柜内配置有两套辅助变流器，单套容量为100kVA，是典型的中功率“交－直－交”变流器系统。其中，PWM整流器和逆变器分别采用了EUPEC公司的额定值为800A/1200V和400A/1200V的IGBT模块。

基于2SD315AI的驱动电路设计
在实际应用中，驱动电路一般都要求尽量靠近IGBT模块，同时尽可能地缩短驱动器输出PWM脉冲信号到栅极之间的引线长度，以增强驱动回路的抗干扰性能，对于中大功率变流装置更是如此。因此，在100kVA电力机车辅助变流器的设计中，以SCALE驱动器2SD315AI为核心的IGBT驱动板就近放置于四象限变流器和逆变器的IGBT模块上方，驱动器输出PWM脉冲信号到栅极之间的引线距离不足10cm。
驱动器工作模式选择
2SD315AI主要由LDI(Logic to Driver Interface)、脉冲变压器、IGD(Intelligent Gate Driver)和DC/DC变换器构成，有两种工作模式可供选择：半桥模式和直接模式。驱动器的MOD管脚接地则工作在半桥模式，接电源则工作在直接模式。
在半桥工作模式中，驱动器的InA管脚作为PWM脉冲输入信号，InB管脚作为脉冲允许信号。只需在驱动器的RC1、RC2管脚外部加入简单的RC电路，便可以产生长度从100ns到几ms的死区时间。在直接工作模式中，管脚InA和InB分别是两个通道的输入PWM脉冲信号，两个通道之间没有进行互锁处理，也不能进行死区时间设置。
在辅助变流器的设计中，四象限变流器和逆变器的PWM脉冲信号都是由专用DSP控制器TMS320F240直接发生，通过软件可以很方便地设置死区时间，因此驱动器选取了直接工作模式。
脉冲信号传输
控制器发出的PWM脉冲信号经过一定距离的传输才能到达驱动板，这就要求解决好脉冲信号的传输问题。较长距离数字信号传输的常用方法有：光纤传输、电流环方式传输、绝缘隔离方式传输、差动方式传输以及强信号传输等。考虑到实际传输距离为两米左右，又兼顾到成本等因素，在驱动电路设计中采取了强信号传输方式。驱动器的PWM脉冲输入信号采用+15V电平，为提高信噪比，传输电流为15mA。同时，信号传输采用双绞屏蔽线，单端接地，大幅降低了噪声的影响。
脉冲信号输入处理电路
图2所示为PWM脉冲信号输入处理电路。Input A和Input B是从驱动板外部输入的PWM脉冲信号。D1、D2和D3、D4分别为A、B两个通道的脉冲钳位电路。N沟道绝缘栅场效应晶体管Q1和Q2构成互锁电路，用于防止两个PWM脉冲信号同为高电平，以避免导致IGBT击穿短路。R5、C1和R6、C2分别为A、B两通道的PWM脉冲信号的低通滤波环节，用以防止由于尖峰脉冲干扰信号而造成的IGBT误导通，可根据IGBT开关频率等因素来确定滤波时间常数。InA和InB分别接至驱动器的两个PWM脉冲输入引脚。
故障信号输出及
故障自动复位电路
故障信号输出及故障自动复位电路如图3所示。SCALE驱动器的故障信号为集电极开路输出，所以可以将各驱动器的故障输出信号管脚SO1、SO2直接相连，产生总的驱动器故障信号。图中以单驱动器为例。在驱动器正常情况下，SO1和SO2处于悬空状态，由R2上拉到高电平，施密特反向器U1A输出高电平使三极管T1导通，VCC经过D1和D2组成的钳位电路和限流电阻R1，送出驱动器状态信号SO到驱动板外部。任何一个通道发生故障后，都会使U1A的输出变为低电平，从而使三极管T1截止，表示驱动器故障；同时U1A的输出送入驱动器的VL/Reset管脚，自动将故障信号复位。故障信号的持续时间由R2、C1的时间常数确定，通常取10ms左右。

结语
目前，100kVA电力机车辅助变流器的地面实验已经全部完成。实验结果表明，2SD315AI的驱动能力强、隔离电压高、保护功能完善、外围电路简单、工作稳定可靠，是性能优良的新一代IGBT集成驱动模块。