scale驱动器在100kva电力机车辅助变流器中的应用

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1、SCALE驱动器在100kVA电力机车辅助变流器中的应用作者：■北京交通大学电气工程学院刘京斗童亦斌摘   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。关键词:驱动器；辅助变流器；绝缘栅双极型晶体管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

2、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

3、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

4、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(LogictoDriverInterface)、脉冲变压器、IGD(IntelligentGateDriver)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

5、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

6、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。InputA和InputB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

7、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

8、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