IGBT在新型礦用電機車司控器中的應用

摘 要：晶閘管斬波器導通后，關斷比較困難。IGBT屬于全控性器件，晶體管的導通和關斷很容易實現。IGBT在新型礦用電機車司控器中應用效果良好。

關鍵詞：晶閘管；斬波器；IGBT；礦用電機車司控器

前言

礦用電機車司控器采用晶閘管斬波調速的優點是：啟動平穩、無極變速、效率高、損耗小。不足之處是晶閘管一旦導通，關斷比較困難，只能通過換流電容和電感振蕩產生的反壓來實現。當電源電壓下降時還會導致換流失敗，電機車承受全部電壓而失去控制，給生產和人身安全帶來威脅。晶閘管斬波器的工作頻率低（150HZ～300HZ左右），電機上的力矩脈動和電流脈動比較嚴重，濾波器件體積較大。晶閘管的開關時間受元件本身和換流電路參數的限制，一般導通率不能過低，否則在輕載時電流將出現斷續，使電機附加損耗增大。同時由于這種司控器無保護功能，因而故障率高。

1 IGBT 斬波器的工作原理

1.1 IGBT元器件介紹

IGBT的等效原理如圖1所示，在IGBT的柵極和發射極之間加上正向驅動電壓，MOSFET管（金屬-氧化層半導體場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管）導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態，晶體管導通；如果加在IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，晶體管截止。

1.2 IGBT組成的斬波器

如圖2a所示為IGBT-PWM放大器，在IGBT柵極G加上如圖2b所示的脈沖信號，在0≤t≤ton時，IGBT導通，集電極電流流過電動機電樞；在ton≤t≤T期間，IGBT關斷，續流二極管D續流，電樞電壓和電流波形如圖2c和2d所示。電樞電壓的平均值為：Uav=■Us=？籽Us，其中？籽=■為占空比。如果柵極輸入電壓信號的頻率一定，改變脈沖寬度，就改變了占空比，電樞上的平均電壓就改變了，進而可以實現電機的調速。

圖1 IGBT等效原理圖 圖2 IGBT-PWM放大器

2 IGBT礦用電機車伺控器電路原理分析

2.1 電源部分

電源部分由蓄電池組、隔離二極管D1、平波電容C1和C2。直流斷路器閉合，驅動板獲得直流電壓，同時經過DC/DC變換得到+24V電源。

2.2 驅動電路板

驅動板采用STC12C5A系列單片機做為整機電路的核心元件，用來給換向接觸器、喇叭、IPM、照明燈等負荷提供各種控制信號。STC12C5A系列單片機是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，其內部設置有專用復位電路，2路PWM，8路10位高速A/D轉換，很適合電機控制和強干擾場合使用。

驅動板中的IPM把功率開關器件和驅動電路集成在一起，有過電壓、欠電壓、過電流和過熱保護功能，并可將檢測信號送CPU進行中斷處理。同時由于IPM具有自關斷能力，不需強迫換流電路，從而簡化了主電路，體積大大減小，它是一個電流控制元件，不存在換流失敗問題；IPM工作頻率超過音頻（1000HZ～4000HZ），供電給串激電動機可大大減少濾波器的容量，為實現256檔無級調速。IPM接口電路也極其簡單，更換起來十分方便，只需將5芯插頭一拔，卸下固定螺絲即可取下模塊進行更換。

2.3 電機控制主電路

驅動板接可接瓦斯監控器，接有七組控制開關，6個接觸器，4個信號燈，一個揚聲器。

電機車前進時：首先閉合直流斷路器QF，按下SB2開關，接觸器KM1和KM3閉合，S1-1、C2-1閉合，前后直流電動機正向轉動。按下加速按鈕SB4電機車加速，按下SB5減速，當接觸器KM5閉合時電機車由于承受全壓全速運行。同時還設有KM1和KM3的反饋監視信號，通過驅動板X7監視接觸器的工作狀態。電機車后退時按下SB3開關，接觸器KM2和KM4閉合，S1-2、C2-2閉合，前后直流電動機反向轉動。按下加速按鈕SB4電機車加速，按下SB5減速，當接觸器KM5閉合時電機車由于承受全壓全速運行。按下SB1開關，接觸器KM6閉合，電機車停止轉動。SB6閉合，電子喇叭發出聲音。前白燈、后白燈，由Y0、Y2輸出口控制。前紅燈后紅燈由Y1、Y2控制。

3 結束語

IGBT屬于全控性器件，晶體管的導通和關斷很容易實現。它將P-MOSFET（功率場效應晶體管）和GTR（大功率晶體管）的優點集合在一體，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的特點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點，因此發展很快，備受青睞。

參考文獻

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作者簡介：魏德育，男，河南工業和信息化職業學院教師，機械工程碩士，主要從事煤礦機電一體化教學和煤礦機電設備研究。