单电源供电的IGBT驱动电路在铁路辅助电源系统中的应用
3．一种基于单电源供电的光耦驱动电路
在我公司为青藏铁路所做的电源产品中，其中有大功率的逆变器（55KVA），
由电力机车或发电车为各节车厢的逆变器提供DC600V输入，然后由逆变器输出三相AC380V，为车上的空调和制氧机等设备供电。逆变器驱动电路所使用的光耦为HCPL316。HCPL316是由惠普公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成塑封电感器集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路。主要有以下一些特性：兼容CMOS/TTL电平；光隔离，故障状态反馈；开关速度最大500ns；“软”IGBT关断；VCE欠饱和检测及带滞环欠压锁定保护；宽工作电压范围（15～30V）。IGBT用的是西门子公司的BSM300GA120DN2，耐压等级为1200V，300A单管，共六个IGBT，使用单模块的目的是为有效散热；而驱动电源的设计通常作为驱动电路设计的一个重要的环节，如国内很多厂家经常使用的M57959风华电感和M57962芯片，在三相逆变控制中，要设计多路相互隔离的驱动电源，如多路+15V和多路-10V等。同时驱动电源的高要求也是整个产品差模电感器可靠性的根本保证。而如何设计简单可靠的驱动电源也就成为设计人员想方设法去解决的问题。在青藏铁路的辅助电源系统中，就采用了单电源供电的可靠性高的驱动电路，见下图。
图1上管IGBT驱动电路
图1为上管IGBT驱动电路，其中由控制器产生PWM1及RESET信号输出给光耦，同时光耦产生的IGBT故障信号FAIL_DR给控制器；TL1111芯片把输入的+15变换成-10V关断电压；同时利用二极管D101使的上管三路驱动+15V和其它路相互隔离；图2为下管IGBT驱动电路，下管的驱动电源无须隔离，从而使得单电源供电成为可能，简化了驱动电源的设计。对比上管驱动电路和下管驱动电路的区别，除了上管有二极管下管没有以外，还有就是+15V的地接在下管的EM_2而上管没有。可以看到，当下管的IGBT导通时，+15V的地通过下管的IGBT和上管的EM1相通，此时电解电容C104处于充电状态，当下管关断时，通过C104放电来驱动上管IGBT导通。同时通过HCPL316故塑封电感障检测功能在IGBT过压、过流及短路的情况下很好的保护IGBT。
图2下管IGBT驱动电路
在运行及试验中发现的一些问题及改进措施
此方案已成功应用于25T和25G型电气化列车逆变器上，性能可靠，运行稳定。但是在为青藏铁路的列车提供电源产品中逆变器在试验时出现了问题。因为工作温度范围要求为-40℃～50℃，在做低温试验时（-40℃），逆变器出现带载(制氧机)波形畸变，电机运行时抖动比较利害，声音异常。通过电流钳直观地发现三相输出电流不平衡，用示波器仔细观察电流和电压波形发现波形出现畸变。经过分析开始认为可能是驱动电源在低温下输出功率下降引起，后使用外接电源板故障依然没有解决，才发现并不是驱动电源负载能力不够或波动引起的。后通过在低温下测量驱动信号发现，当低温时，逆变器上管三路驱动信号如下图4，而下管三路驱动信号如下图3。
经测量和分析以上驱动波形发现：在低温时三路上管IGBT驱动信号不正常，但分析认为这种驱动信号不正常的情况是有驱动电源不正常引起的。在排除驱动电源有问题的情况下，仔细研究以上给出的驱动电路和反复试验发现，当下管导通时+15V给C104充电，而当下管关断时，C104放电驱动上管，但是当温度很低时（-40℃），电解电容C104容量下降，储能降低，不能有地的驱动上管导通，所以在低温运行时驱动信号就会出现如上图4所示波形，不能有效驱动IGBT导通，一体电感从而影响产品的正常运行。后把电解电容C104改为低温特性比较好的钽电容后，驱动信号正常，在低温情况下逆变器也能够正常运行，从而有力保证了项目的正常进行。
5．结束语
驱动电路设计是逆变电源设计的一个十分重要的环节，希望通过以上的设计和试验经验，能够为同行在设计同类产品时提供一点借鉴和参考。
参考文献：[1]王建渊钟彦儒张晓滨基于数字信号处理器的IGBT驱动电路可靠性分析与设计《电源技术应用》
[2]蒋朝华通用变频器常见的驱动电路形式及分析《变频器世界》 平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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