IGBT在新型礦用電機(jī)車司控器中的應(yīng)用

摘 要：晶閘管斬波器導(dǎo)通后，關(guān)斷比較困難。IGBT屬于全控性器件，晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷很容易實(shí)現(xiàn)。IGBT在新型礦用電機(jī)車司控器中應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：晶閘管；斬波器；IGBT；礦用電機(jī)車司控器

前言

礦用電機(jī)車司控器采用晶閘管斬波調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)平穩(wěn)、無極變速、效率高、損耗小。不足之處是晶閘管一旦導(dǎo)通，關(guān)斷比較困難，只能通過換流電容和電感振蕩產(chǎn)生的反壓來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電源電壓下降時(shí)還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗，電機(jī)車承受全部電壓而失去控制，給生產(chǎn)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(jī)上的力矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)比較嚴(yán)重，濾波器件體積較大。晶閘管的開關(guān)時(shí)間受元件本身和換流電路參數(shù)的限制，一般導(dǎo)通率不能過低，否則在輕載時(shí)電流將出現(xiàn)斷續(xù)，使電機(jī)附加損耗增大。同時(shí)由于這種司控器無保護(hù)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(fā)射極之間加上正向驅(qū)動(dòng)電壓，MOSFET管（金屬-氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管）導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)，晶體管導(dǎo)通；如果加在IGBT的柵極和發(fā)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(hào)，在0≤t≤ton時(shí)，IGBT導(dǎo)通，集電極電流流過電動(dòng)機(jī)電樞；在ton≤t≤T期間，IGBT關(guān)斷，續(xù)流二極管D續(xù)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(hào)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(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。

圖1 IGBT等效原理圖 圖2 IGBT-PWM放大器

2 IGBT礦用電機(jī)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(qū)動(dòng)板獲得直流電壓，同時(shí)經(jīng)過DC/DC變換得到+24V電源。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路板

驅(qū)動(dòng)板采用STC12C5A系列單片機(jī)做為整機(jī)電路的核心元件，用來給換向接觸器、喇叭、IPM、照明燈等負(fù)荷提供各種控制信號(hào)。STC12C5A系列單片機(jī)是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其內(nèi)部設(shè)置有專用復(fù)位電路，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，很適合電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場(chǎng)合使用。

驅(qū)動(dòng)板中的IPM把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，有過電壓、欠電壓、過電流和過熱保護(hù)功能，并可將檢測(cè)信號(hào)送CPU進(jìn)行中斷處理。同時(shí)由于IPM具有自關(guān)斷能力，不需強(qiáng)迫換流電路，從而簡(jiǎn)化了主電路，體積大大減小，它是一個(gè)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(dòng)機(jī)可大大減少濾波器的容量，為實(shí)現(xiàn)256檔無級(jí)調(diào)速。IPM接口電路也極其簡(jiǎn)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(jìn)行更換。

2.3 電機(jī)控制主電路

驅(qū)動(dòng)板接可接瓦斯監(jiān)控器，接有七組控制開關(guān)，6個(gè)接觸器，4個(gè)信號(hào)燈，一個(gè)揚(yáng)聲器。

電機(jī)車前進(jìn)時(shí)：首先閉合直流斷路器QF，按下SB2開關(guān)，接觸器KM1和KM3閉合，S1-1、C2-1閉合，前后直流電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。按下加速按鈕SB4電機(jī)車加速，按下SB5減速，當(dāng)接觸器KM5閉合時(shí)電機(jī)車由于承受全壓全速運(yùn)行。同時(shí)還設(shè)有KM1和KM3的反饋監(jiān)視信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)板X7監(jiān)視接觸器的工作狀態(tài)。電機(jī)車后退時(shí)按下SB3開關(guān)，接觸器KM2和KM4閉合，S1-2、C2-2閉合，前后直流電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。按下加速按鈕SB4電機(jī)車加速，按下SB5減速，當(dāng)接觸器KM5閉合時(shí)電機(jī)車由于承受全壓全速運(yùn)行。按下SB1開關(guān)，接觸器KM6閉合，電機(jī)車停止轉(zhuǎn)動(dòng)。SB6閉合，電子喇叭發(fā)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(jié)束語

IGBT屬于全控性器件，晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷很容易實(shí)現(xiàn)。它將P-MOSFET（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和GTR（大功率晶體管）的優(yōu)點(diǎn)集合在一體，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，備受青睞。

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作者簡(jiǎn)介：魏德育，男，河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院教師，機(jī)械工程碩士，主要從事煤礦機(jī)電一體化教學(xué)和煤礦機(jī)電設(shè)備研究。