電力機車輔助變流器是CONCEPT公司研發的新一代高性能SCALE驅動器，實驗證明該驅動電路穩定可靠。
特點,簡介,主電路原理,結語,
特點
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實驗證明該驅動電路穩定可靠，達到了設計要求。
簡介
絕緣柵雙極型電晶體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、開關速度快等優點。要保證IGBT穩定可靠地工作，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，採用了以瑞士CONCEPT公司的高性能雙通道SCALE驅動器2SD315AI為核心的驅動電路，達到了良好的套用效果。
圖1電力機車輔助變流器主電路原理圖 圖2PWM脈衝信號輸入處理電路 圖3故障信號輸出及自動復位電路
圖1電力機車輔助變流器主電路原理圖 |
圖2PWM脈衝信號輸入處理電路 |
圖3故障信號輸出及自動復位電路 |
電力機車輔助變流器圖1電力機車輔助變流器主電路原理圖
電力機車輔助變流器圖2PWM脈衝信號輸入處理電路
電力機車輔助變流器圖3故障信號輸出及自動復位電路
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，再逆變為三相交流380V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、中間支撐環節、三相電壓型逆變器和輸出濾波器等幾部分構成。在一個機櫃內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。其中，PWM整流器和逆變器分別採用了EUPEC公司的額定值為800A/1200V和400A/1200V的IGBT模組。
每套輔助變流器由單相電壓型PWM整流器、中間支撐環節、三相電壓型逆變器和輸出濾波器等幾部分構成。在一個機櫃內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。其中，PWM整流器和逆變器分別採用了EUPEC公司的額定值為800A/1200V和400A/1200V的IGBT模組。
基於2SD315AI的驅動電路設計在實際套用中，驅動電路一般都要求儘量靠近IGBT模組，同時儘可能地縮短驅動器輸出PWM脈衝信號到柵極之間的引線長度，以增強驅動迴路的抗干擾性能，對於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驅動板就近放置於四象限變流器和逆變器的IGBT模組上方，驅動器輸出PWM脈衝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(LogictoDriverInterface)、脈衝變壓器、IGD(IntelligentGateDriver)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脈衝輸入信號，InB管腳作為脈衝允許信號。只需在驅動器的RC1、RC2管腳外部加入簡單的RC電路，便可以產生長度從100ns到幾ms的死區時間。在直接工作模式中，管腳InA和InB分別是兩個通道的輸入PWM脈衝信號，兩個通道之間沒有進行互鎖處理，也不能進行死區時間設定。
在輔助變流器的設計中，四象限變流器和逆變器的PWM脈衝信號都是由專用DSP控制器TMS320F240直接發生，通過軟體可以很方便地設定死區時間，因此驅動器選取了直接工作模式。
脈衝信號傳輸控制器發出的PWM脈衝信號經過一定距離的傳輸才能到達驅動板，這就要求解決好脈衝信號的傳輸問題。較長距離數位訊號傳輸的常用方法有：光纖傳輸、電流環方式傳輸、絕緣隔離方式傳輸、差動方式傳輸以及強信號傳輸等。考慮到實際傳輸距離為兩米左右，又兼顧到成本等因素，在驅動電路設計中採取了強信號傳輸方式。驅動器的PWM脈衝輸入信號採用+15V電平，為提高信噪比，傳輸電流為15mA。同時，信號傳輸採用雙絞禁止線，單端接地，大幅降低了噪聲的影響。
脈衝信號輸入處理電路
圖2所示為PWM脈衝信號輸入處理電路。InputA和InputB是從驅動板外部輸入的PWM脈衝信號。D1、D2和D3、D4分別為A、B兩個通道的脈衝鉗位電路。N溝道絕緣柵場效應電晶體Q1和Q2構成互鎖電路，用於防止兩個PWM脈衝信號同為高電平，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脈衝信號的低通濾波環節，用以防止由於尖峰脈衝干擾信號而造成的IGBT誤導通，可根據IGBT開關頻率等因素來確定濾波時間常數。InA和InB分別接至驅動器的兩個PWM脈衝輸入引腳。
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處於懸空狀態，由R2上拉到高電平，施密特反向器U1A輸出高電平使三極體T1導通，VCC經過D1和D2組成的鉗位電路和限流電阻R1，送出驅動器狀態信號SO到驅動板外部。任何一個通道發生故障後，都會使U1A的輸出變為低電平，從而使三極體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。故障信號的持續時間由R2、C1的時間常數確定，通常取10ms左右。
驅動器工作模式選擇
2SD315AI主要由LDI(LogictoDriverInterface)、脈衝變壓器、IGD(IntelligentGateDriver)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脈衝輸入信號，InB管腳作為脈衝允許信號。只需在驅動器的RC1、RC2管腳外部加入簡單的RC電路，便可以產生長度從100ns到幾ms的死區時間。在直接工作模式中，管腳InA和InB分別是兩個通道的輸入PWM脈衝信號，兩個通道之間沒有進行互鎖處理，也不能進行死區時間設定。
在輔助變流器的設計中，四象限變流器和逆變器的PWM脈衝信號都是由專用DSP控制器TMS320F240直接發生，通過軟體可以很方便地設定死區時間，因此驅動器選取了直接工作模式。
脈衝信號傳輸控制器發出的PWM脈衝信號經過一定距離的傳輸才能到達驅動板，這就要求解決好脈衝信號的傳輸問題。較長距離數位訊號傳輸的常用方法有：光纖傳輸、電流環方式傳輸、絕緣隔離方式傳輸、差動方式傳輸以及強信號傳輸等。考慮到實際傳輸距離為兩米左右，又兼顧到成本等因素，在驅動電路設計中採取了強信號傳輸方式。驅動器的PWM脈衝輸入信號採用+15V電平，為提高信噪比，傳輸電流為15mA。同時，信號傳輸採用雙絞禁止線，單端接地，大幅降低了噪聲的影響。
脈衝信號輸入處理電路
圖2所示為PWM脈衝信號輸入處理電路。InputA和InputB是從驅動板外部輸入的PWM脈衝信號。D1、D2和D3、D4分別為A、B兩個通道的脈衝鉗位電路。N溝道絕緣柵場效應電晶體Q1和Q2構成互鎖電路，用於防止兩個PWM脈衝信號同為高電平，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脈衝信號的低通濾波環節，用以防止由於尖峰脈衝干擾信號而造成的IGBT誤導通，可根據IGBT開關頻率等因素來確定濾波時間常數。InA和InB分別接至驅動器的兩個PWM脈衝輸入引腳。
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處於懸空狀態，由R2上拉到高電平，施密特反向器U1A輸出高電平使三極體T1導通，VCC經過D1和D2組成的鉗位電路和限流電阻R1，送出驅動器狀態信號SO到驅動板外部。任何一個通道發生故障後，都會使U1A的輸出變為低電平，從而使三極體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。故障信號的持續時間由R2、C1的時間常數確定，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、工作穩定可靠，是性能優良的新一代IGBT集成驅動模組。
