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。
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图2 pwm脉冲信号输入处理电路
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