EBZ－135綜掘機IGBT驅(qū)動保護(hù)電路研究

周維新

（同煤集團(tuán) 朔州朔煤小峪煤礦，山西 懷仁038300）

近年來，隨著我國能源需求的增加和西部大開發(fā)的進(jìn)行，煤炭資源的開采大量增加。EBZ－135綜掘機就是由太原重工研究院研制開發(fā)的挖掘機械，在國內(nèi)煤礦挖掘設(shè)備中技術(shù)領(lǐng)先，其技術(shù)條件主要應(yīng)用于煤礦礦體的開采挖掘工作。為在使用過程中方便設(shè)備檢修，提高檢修效率，深化人們對IGBT的理解，本文不僅對哈爾烏素煤礦采用EBZ－135綜掘機在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了描述，也對機電檢修人員在檢修過程中的技術(shù)方法進(jìn)行了說明，也還對IGBT元件的工作原理及相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行了闡述。

1 IGBT特性

IGBT叫做絕緣柵雙極型晶體管，采用了集成橋臂續(xù)流二極管的模塊式封裝，一個封裝內(nèi)的橋臂數(shù)目有單、雙與全橋等結(jié)構(gòu)。IGBT器件在G、E端已加有高電壓的情況下，不允許G、E端開路，否則會損壞器件。另外，在操作過程中切忌用手觸摸G端。現(xiàn)場條件下，用萬用表可以簡單地判斷IGBT器件的好壞，但檢查結(jié)果并不可靠。在G、E端可靠地短接后，用高阻表檢查IGBT的耐壓情況也是可以的。使用SE70的測試盒可以較為有效地在現(xiàn)場檢查IGBT器件的狀態(tài)，但前提是必須把模塊安裝到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上。

2 IGBT存在問題

由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會使它損壞。在EBZ－135綜掘機電氣線路中整流和逆變系統(tǒng)都運用到IGBT來控制局部線路的關(guān)斷和閉合，一旦IGBT損壞，交直流無法正常轉(zhuǎn)換，因此做好IGBT的保護(hù)工作對于整個電路的循環(huán)流通相當(dāng)重要。在EBZ－135綜掘機中，共有13個電氣柜，控制整臺設(shè)備的整流、逆變、提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走以及 AFE〔2〕，相當(dāng)于綜掘機的CPU，每個電氣柜中三相線路各有一組IGBT，每組4個，累計有156個，每個IGBT都控制著三相橋型電路的關(guān)斷和閉合。其中任意一個IGBT擊穿都引發(fā)大范圍電氣元件損壞。

3 IGBT擊穿原因

IGBT元件在EBZ－135綜掘機中應(yīng)用廣泛，IGBT主要用于大功率部件以及電路斷合變化多的電路中，但由于IGBT不耐高壓和電流的特性，這就造成在實際生產(chǎn)過程中，EBZ－135綜掘機中的IGBT元件容易發(fā)生擊穿甚至特殊情況下發(fā)生IGBT炸管，通過對EBZ－135綜掘機電路研究發(fā)現(xiàn)，IGBT擊穿的主要原因有三個，即通過電壓過高造成IGBT擊穿，通過的電流過大造成IGBT擊穿，濕度過高造成IGBT擊穿。經(jīng)測試，電源板、光電轉(zhuǎn)換板、VDU、輸入板、輸出板和觸發(fā)板，這些元件不能造成IGBT的擊穿。后經(jīng)過多次的試驗發(fā)現(xiàn)，造成IGBT擊穿的原因有以下幾個方面：

3.1 過壓擊穿

在EBZ－135綜掘機的運行過程中，造成IGBT上加載電壓過高導(dǎo)致?lián)舸┑闹饕蛴校涸陔娐方油ǖ倪^程中，電路中的元件、線圈以及電阻中電流的突然變化，形成電感電壓，特別是電路由通路轉(zhuǎn)化為斷路時，電流突然由很大變?yōu)榱?，電流梯度較大，急劇變化的電流造成EBZ－135綜掘機中的IGBT元件G、E兩端產(chǎn)生極高的感應(yīng)電壓，也叫做IGBT的浪涌尖峰電壓〔3〕，若此感應(yīng)電動勢超過IGBT的額定極限電壓，就會使IGBT產(chǎn)生過壓擊穿，除了這種情況，許多生產(chǎn)過程中常見的活動也會造成IGBT過電壓擊穿，比如，EBZ－135綜掘機運行過程中產(chǎn)生的靜電、礦用電網(wǎng)電壓的波動、EBZ－135電路故障造成的斷路以及相鄰電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁波變化都可能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，這就造成EBZ－135綜掘機中IGBT的過電壓擊穿過程。

3.2 過流擊穿

（1）在使用過程中造成IGBT元件電流過大而擊穿元件的主要原因有IGBT元件的所在電路短路，或者元件接地短路造成通過IGBT的電流大，雖然在EBZ－135綜掘機中有一定的措施防止IGBT電流過大，IGBT本身也有較好的防過載電流的特性，但為了生產(chǎn)的正常進(jìn)行，仍要避免IGBT出現(xiàn)過流現(xiàn)象。IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管，所以會產(chǎn)生一定的擎住效應(yīng)。而在IGBT元件所在的電路中，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，NPN的正偏壓不足以使NPN晶體管導(dǎo)通，當(dāng)通過IGBT的電流增大到一定數(shù)值，超過NPN晶體管和PNP晶體管的額定極限電流值，這個正偏壓足以使NPN晶體管導(dǎo)通，從而造成PNP晶體管和NPN晶體管在此影響下進(jìn)入飽和情況，導(dǎo)致EBZ－135綜掘機中的晶閘管電路開通，使EBZ－135綜掘機的門極破壞，使其失去控制電流保護(hù)電路的作用，這就是IGBT的擎住效應(yīng)，當(dāng)EBZ－135綜掘機的IGBT發(fā)生這種效應(yīng)時，通過的過載電流在元件上產(chǎn)生了較高的負(fù)載，最終造成IGBT擊穿，EBZ－135綜掘機出現(xiàn)破壞。

3.3 過溫?fù)舸?/h3>

在EBZ－135綜掘機中的IGBT上限作業(yè)溫度范圍在160℃～175℃內(nèi)，但由于煤礦復(fù)雜的開采環(huán)境，IGBT的實際工作溫度要小于它的極限工作溫度，一般規(guī)定將IGBT工作溫度控制在130℃～150℃以下，不然，較高的工作溫度不僅會造成EBZ－135綜掘機內(nèi)部元件的損壞，還會降低IGBT元件的穩(wěn)定性，經(jīng)研究，EBZ－135綜掘機的適宜工作溫度在10℃～70℃范圍內(nèi)，可以保證IGBT的穩(wěn)定性，保證EBZ－135綜掘機長時間正常運轉(zhuǎn)。

3.4 匯流排耳子接地

在EBZ－135綜掘機上的逆變柜和整流柜中，IGBT用導(dǎo)電膏粘連在匯流排上，IGBT元件的穩(wěn)定性主要由匯流排的匯流電壓的變化決定，EBZ－135綜掘機的匯流排布置在內(nèi)部的主機板上，通過信號變化來收集電路變化情況，并將匯集的信息通過電路傳至下一部的一個信息中轉(zhuǎn)站，在實際情況下，在EBZ－135綜掘機中會將所有介面卡安裝在內(nèi)部的匯流排上，并通過其將所有收集的信息發(fā)送到介面卡的外部裝置中，我們將其統(tǒng)稱為總線設(shè)備，總線設(shè)備可以為EBZ－135綜掘機中的各個器件使用，在實際工作中，EBZ－135內(nèi)部元件將信息發(fā)送出去，通過總線設(shè)備進(jìn)行匯總，通過總線設(shè)備的處理，再將信息傳輸?shù)蕉鄠€不同的信息接收站，信息接收站的確定，主要由EBZ－135綜掘機的中央處理器所有信息編碼轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電子信號來確定。當(dāng)單相匯流排上的絕緣卡柱斷裂時，固定在卡柱上的銅質(zhì)耳子就會來回擺動，擺動過程中會觸碰到附近的金屬件，碰觸會導(dǎo)致該電器柜內(nèi)直流母線接地，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT擊穿。

4 驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計

4.1 驅(qū)動電路設(shè)計思路

4.1.1 確定門級電容及驅(qū)動電壓

用Cin＝5Ciss進(jìn)行計算，根據(jù)手冊可查Ciss＝2360 pF，則Cin＝2360×5＝11.8nF，根據(jù) Q＝∫idt＝Cin×ΔU計算驅(qū)動電壓ΔU，經(jīng)查此IGBT門級電容Q＝192nC，ΔU＝Q／Cin＝16.3V，因此最小驅(qū)動電壓為16.3V。

4.1.2 確定門級正偏壓以及負(fù)偏壓

IGBT的門級正偏壓越高，根據(jù)歐姆定律，則元件的功率損耗也就越低，但是根據(jù)IGBT的門級正電壓的極限值為20V，正偏壓超過限定值，元件電阻一定，則通過IGBT的電流就越大，會造成IGBT過電流損壞，IGBT的門級正偏壓越大，損壞的可能性越大，IGBT的門級負(fù)偏壓的作用是開關(guān)噪音出現(xiàn)時對電流進(jìn)行阻截，IGBT的門級負(fù)偏壓額定值為5～15V。根據(jù)IGBT電壓電流關(guān)系曲線確定IGBT門級正偏壓為11V，IGBT門級負(fù)偏壓為－9V，而且IGBT還必須對門級電壓進(jìn)行限定，防止電壓過大，造成IGBT過壓過流擊穿。

4.1.3 確定驅(qū)動電流及驅(qū)動電阻

通常來說，IGBT的額定電壓和額定電流越高，對電路造成的危害越大，需要通過的電流越大，造成開關(guān)斷合周期越小，這就需要更復(fù)雜的門級電路。

若IGBT的額定電壓為20V，額定電流為20mA，則通過計算，IGBT的額定電阻為10kΩ，根據(jù)IGBT的開關(guān)斷合頻率來計算，得出IGBT的門級額定電阻為40Ω。

而且由于IGBT的敏感性和過壓過流易擊穿的特性，需要在IGBT的元件電路中加入保護(hù)電路模塊，可在電路中加入耦合器或者變壓器來起到保護(hù)電路作用，防止通過IGBT的電壓超過額定值或者過流導(dǎo)致電路損壞的情況出現(xiàn)。

4.2 IGBT驅(qū)動電路

IGBT門級電路的開關(guān)頻率主要影響因素有兩個：一個是IGBT門級電路電感分布情況和電容布置情況，為了防止IGBT擊穿損壞，對電路采用分級設(shè)計的方案，電路通過雙絞線連接，來提高電路的穩(wěn)定性。

圖1 前級驅(qū)動電路

圖1 中IGBT的前級驅(qū)動電路：由光耦進(jìn)行隔離，信號由光耦輸入，20V電壓輸入經(jīng)整形變?yōu)椋?1／－9V的驅(qū)動波形由G／E輸出。圖中電容的作用是使輸出波形更平穩(wěn)，穩(wěn)壓管IN4739（9.1V穩(wěn)壓管）的目的是提供負(fù)偏壓，可根據(jù)實際情況進(jìn)行改變。

圖2中IGBT后級驅(qū)動部分，以H橋單橋臂為例實際應(yīng)用中可在電源母線加裝π型濾波器、增加電容組的容量以抑制浪涌電壓，P6KE16CA為雙向瞬態(tài)電壓抑制器件，防止門級電壓過高引起器件損毀。

圖2 后級驅(qū)動電路

5 結(jié)語

由于煤礦開采的需要，要求EBZ－135綜掘機具有大功率的特性，這就使得IGBT元件要長期處于高電流、高電壓的工作狀態(tài)下，因此IGBT發(fā)生過壓過流擊穿導(dǎo)致EBZ－135綜掘機不能正常運行的情況經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)，這就要求工程技術(shù)人員嚴(yán)格按照EBZ－135綜掘機手冊和IGBT電路結(jié)構(gòu)，并使用合格的電子器件，在電路中設(shè)置多種過載保護(hù)措施，并保證EBZ－135正常的工作環(huán)境。有針對性的采取防護(hù)措施，完全可以避免IGBT產(chǎn)生擊穿，使EBZ－135綜掘機正常運轉(zhuǎn)。此外，工程技術(shù)人員也要了解EBZ－135綜掘機及IGBT特性，提高設(shè)備可靠度，保證礦井生產(chǎn)的穩(wěn)定有序。

〔1〕朱玉琴，鄭曉東，寥曉維 .一種基于IGBT的逆變器的驅(qū)動電路設(shè)計〔J〕.陜西煤炭，2008，06：23－26.

〔2〕巴清偉 .基于大功率IGBT的恒磁場脫磁器的設(shè)計及應(yīng)用〔J〕.現(xiàn)代礦業(yè)，2011，03：47－50.

〔3〕徐惠勇，王 聰，王汝琳，等 .礦用電機車IGBT脈寬調(diào)速系統(tǒng)中的參數(shù)研究〔J〕.煤礦機電，2003，04：54－56.

〔4〕劉 柏.IGBT直流斬波器在工礦電機車的應(yīng)用〔J〕.電器工業(yè)，2009，04：12－14.