IGBT在礦用大功率電鏟中的應用

摘要：IGBT是近年來發展最快的一種功率電子器件，已廣泛應用于工業、交通、家電等各個領域。通過對IGBT的技術特性的介紹，著重闡述IGBT在礦用大功率電鏟上應用現狀，希望能夠為解決IGBT在使用中存在的問題提供一點幫助。

關鍵詞：IGBT 主開關元件 功率

九十年代中期，研發出的功率場效應管（PowerMetal Oxide Semiconductor Field"" EffectTransistor，筒稱PMOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱 IGBT），開辟了電力電子技術向高頻化邁進的現實道路。

一、IGBT在礦山電鏟中的應用情況

在技術全球化的背景條件下，中國太原重型機械集團生產的WK系列礦山電鏟和美國BUCYRUS公司生產的全系礦山電鏟和吊斗鏟的電氣系統都采用西門子公司配套的變頻調速技術，使用IGBT作為驅動部分的主開關元件。

神華準格爾黑岱溝露天礦和哈爾烏素露天煤礦大量的采購并使用國產的WK系列電鏟和BUCYRUS的395BI型T 495HR型電鏟。395BI型號作為八十年代末、九十年代初設計和制造的產品，它的輔助功率逆變器也不可避免地代表那個時代的特征—一使用大功率電力電子器件：GTO（ Gate turn" off）即門極可關斷晶閘管。應該說，作為大功率逆變用元件，GTO是可以勝任的，但由于其本身特性的限定，它不可避免地存在著對過電壓吸收電路元器件要求高、保護電路龐雜、成本昂貴等等弱點。因現有的電力電子技術的高速發展，395BI型電鏟配套使用的GTO（500A）生產已經停止，國內配件采購存在較大困難，加之設備運行均已超過10年，故障增加，所以現有的7臺395BI電鏟的輔助功率逆變器由原配的大功率電力電子器件GTO升級改造成采用IGBT作為主開關元件。

現在的問題是：作為用戶，我們基本沒有IGBT逆變器使用的經驗可談。這里僅結合" IGBT的基本特性展開討論，希望為今后掌握" IGBT逆變技術，用好以IGBT為主開關元件的電鏟和其它采用IGBT作為主開關元件的設備提供些許有益的借鑒。

二、關于IGBT技術

1、IGBT的輸入/輸出特性

IGBT輸入特性相當于一種自鎖型場效應管，是一種簡單、高效，幾乎無功控制的新型元器件；它的輸出特性相當于一個二極管，尤其空穴導電的特性，使它達到相當大的載流容量而不易過電壓擊穿；它的開關頻率可達幾十到幾百千赫茲。這樣高的操作頻率促使它向模塊化方向發展，以抑制可能在高速轉換過程中產生的有害的寄生容量和電感。

2、IGBT的控制特性

在穩定工作狀態，IGBT不需要門極驅動電流，因為它是由電壓控制的。在實際應用中，常常使用負的門極控制電壓來保證其可靠關斷；這是為了抵御元件快速開關過程中產生的寄生容量的作用。從理論上講，IGBT的關斷，可以認為當終止了正極控制的電壓和使得門極—一發射極電壓為零時已經實現。實際上IGBT在關斷過程中產生的寄生電容量卻常常影響元件的正常工作。使用負極控制是IGBT的優點之一，使它的關斷特性得到了進一步的改進。

對于正的或負的門極控制電壓，它的值一般都須嚴格地控制在技術規格書規定值范圍之內。門極電阻RG限定IGBT導通和關斷時的門極電流脈沖的大小。但對RG的選擇也須注意，當IGBT工作在飽和區段時，變化的VLF和VCE可能會干擾集電極的電壓。在這種情況下，常用的辦法是使RG在導通和關斷時分別采用不同時值，即將RG分裂成兩個電阻，分別控制導通和關斷的觸發脈沖。

3、IGBT的智能化模塊控制

盡管IGBT有著載流容量大、控制簡單、開關頻率高等自身的優勢，但它仍需要在電路中采取一定的措施進行適當的保護。

第一，它需要對開關過程中的過電壓進行防護。一般是在電路前級（或后級負載端），或橋臂上使用抑制元器件，這種電路結構在初期的IGBT電路設計中常可見到，在直流端（前級）和在橋臂上的抑制電路基本接法。另外在IGBT關斷時寄生電感所產生的過電壓，常用續流二極管的辦法解決，為此還需要電容、電阻等一套儲能、耗能電路，但由于開關管頻率高，故相應的元器件容量。體積要小很多。

第二，在某些故障情況下，IGBT電路可能產生過電流。如：一對橋臂上的兩個管子同時導通或負載回路出現接地。理論上，IGBT可以自行關斷過電流，即在負的門極驅動回路中設置過電流檢測信號的觸發控制，一旦發現有過電流甚而在過電流上升的過程中，即可通過送出負脈沖使IGBT關斷。

此外，還需要對元件本身工作溫度的監控、保護；由接線、端子等因素引起的寄生容量的防護等等一系列的保護措施。

現在，隨著電子加工技術的發展，已經可以把上述所有這些保護功能，做在" IGBT同一塊模塊里，稱作IPM（ Intel lgent" Power" Module）即智能化模塊。

使這些欠壓、過流、溫控保護等系統一體化還有一個好處是減少了控制電路阻抗，各種傳感器的連接、監視信息的傳輸、控制動作等等都限定在一個最直接的短的路徑聯絡中，也使寄生電感不易產生，同時減少了安裝步驟和設計程序。上述種種好處是顯而易見的，智能化模塊正在迅速地發展，為越來越廣泛的領域所采用。495BI電鏟逆變器已在多處使用了IPM模塊。

4、IGBTR 的控制方法

現代工業設備在許多場合下需要根據相應的指令來調節控制。譬如495HR電鏟，需要以參考值來作控制指令。微處理機有下列控制功能：

·程序控制（如啟動→間歇→停止…）

·指令控制（轉速、扭矩、電壓…）

·監控（直流回路電壓、過電流…）

·質詢（鍵盤、顯示屏。）

所需的控制參數和功能的要求，由一個監控模塊（EPROM）發出，經過電子計算機對數據進行對比處理后，通過脈寬調制對IGBT進行控制，最后將控制的結果反饋、儲存。將上述一系列的操作過程，可以做成通用的脈寬調制的IGBT模塊。"

三、電器設備不斷升級和國產化，勢在必行。

由于電力電子產品市場的競爭和新技術的開發，原裝的元器件已遭淘汰，找新的替代品恐怕也不容易，這就逼得我們非另僻蹊徑不可。

大功率的IGBT不僅是在進出的大型采礦設備上，且在國內許多的大型電動拖動設備上都有較廣泛的應用，如上海寶鋼的扎鋼設備、上海地鐵及近幾年新建成的水電站的水閘控制系統等。根據IGBT技術發展的前景，結合我國半導體工業的實際，我們應當加大在IGBT的智能化模塊（IPM）作為逆變器方面的研究與開發，把握" IGBT的發展方向，盡可能早的掌握其核心技術和擁有生產能力，尤其像輔助逆變器這樣大型的電力電子設備，如果不走國產化的道路，在事隔五年、十年，甚至更久以后再到原國外、生產廠家去訂貨，即使價格的因素不考慮，廠家也再無法用早已淘汰的原產品生產得出來。不撐其技術，沒有生產能力，不國產化我們就不得不依懶別人，就沒有出路。要保證395BI電鏟、495HR電鏟和其它采用西門子變頻調速技術的設備可靠地運行下去，可以說，國產化是真正的出路。

參考文獻

[1]《機電控制技術及應用》楊公源主編，出版日期： 2005-05

[2]《電氣自動控制系統》作譯者：張傳祥，出版日期： 2003-02

[3]《變頻調整技術與應用》作譯者：李良仁主編，出版日期： 2004-12

[4]《IGBT和IPM及其應用電路》周志敏主編，出版日期：2006-3

[5]《現化調速控制系統》侯崇升主編，出版日期：2004-6