EBZ－135綜掘機IGBT驅動保護電路研究

周維新

（同煤集團 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的進行，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的挖掘機械，在國內煤礦挖掘設備中技術領先，其技術條件主要應用于煤礦礦體的開采挖掘工作。為在使用過程中方便設備檢修，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綜掘機在生產過程中出現的問題進行了描述，也對機電檢修人員在檢修過程中的技術方法進行了說明，也還對IGBT元件的工作原理及相關技術背景進行了闡述。

1 IGBT特性

IGBT叫做絕緣柵雙極型晶體管，采用了集成橋臂續流二極管的模塊式封裝，一個封裝內的橋臂數目有單、雙與全橋等結構。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場檢查IGBT器件的狀態，但前提是必須把模塊安裝到系統的結構上。

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都運用到IGBT來控制局部線路的關斷和閉合，一旦IGBT損壞，交直流無法正常轉換，因此做好IGBT的保護工作對于整個電路的循環流通相當重要。在EBZ－135綜掘機中，共有13個電氣柜，控制整臺設備的整流、逆變、提升、推壓、回轉、行走以及 AFE〔2〕，相當于綜掘機的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斷和閉合。其中任意一個IGBT擊穿都引發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過程中，EBZ－135綜掘機中的IGBT元件容易發生擊穿甚至特殊情況下發生IGBT炸管，通過對EBZ－135綜掘機電路研究發現，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。經測試，電源板、光電轉換板、VDU、輸入板、輸出板和觸發板，這些元件不能造成IGBT的擊穿。后經過多次的試驗發現，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上加載電壓過高導致擊穿的主要原因有：在電路接通的過程中，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化為斷路時，電流突然由很大變為零，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兩端產生極高的感應電壓，也叫做IGBT的浪涌尖峰電壓〔3〕，若此感應電動勢超過IGBT的額定極限電壓，就會使IGBT產生過壓擊穿，除了這種情況，許多生產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生的靜電、礦用電網電壓的波動、EBZ－135電路故障造成的斷路以及相鄰電氣設備產生的電磁波變化都可能產生較大的感應電壓，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，但為了生產的正常進行，仍要避免IGBT出現過流現象。IGBT復合器件內有一個寄生晶閘管，所以會產生一定的擎住效應。而在IGBT元件所在的電路中，在規定的漏極電流范圍內，NPN的正偏壓不足以使NPN晶體管導通，當通過IGBT的電流增大到一定數值，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晶體管導通，從而造成PNP晶體管和NPN晶體管在此影響下進入飽和情況，導致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電路的作用，這就是IGBT的擎住效應，當EBZ－135綜掘機的IGBT發生這種效應時，通過的過載電流在元件上產生了較高的負載，最終造成IGBT擊穿，EBZ－135綜掘機出現破壞。

3.3 過溫擊穿

在EBZ－135綜掘機中的IGBT上限作業溫度范圍在160℃～175℃內，但由于煤礦復雜的開采環境，IGBT的實際工作溫度要小于它的極限工作溫度，一般規定將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綜掘機內部元件的損壞，還會降低IGBT元件的穩定性，經研究，EBZ－135綜掘機的適宜工作溫度在10℃～70℃范圍內，可以保證IGBT的穩定性，保證EBZ－135綜掘機長時間正常運轉。

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用導電膏粘連在匯流排上，IGBT元件的穩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部的匯流排上，并通過其將所有收集的信息發送到介面卡的外部裝置中，我們將其統稱為總線設備，總線設備可以為EBZ－135綜掘機中的各個器件使用，在實際工作中，EBZ－135內部元件將信息發送出去，通過總線設備進行匯總，通過總線設備的處理，再將信息傳輸到多個不同的信息接收站，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化產生的電子信號來確定。當單相匯流排上的絕緣卡柱斷裂時，固定在卡柱上的銅質耳子就會來回擺動，擺動過程中會觸碰到附近的金屬件，碰觸會導致該電器柜內直流母線接地，進而導致IGBT擊穿。

4 驅動保護電路設計

4.1 驅動電路設計思路

4.1.1 確定門級電容及驅動電壓

用Cin＝5Ciss進行計算，根據手冊可查Ciss＝2360 pF，則Cin＝2360×5＝11.8nF，根據 Q＝∫idt＝Cin×ΔU計算驅動電壓ΔU，經查此IGBT門級電容Q＝192nC，ΔU＝Q／Cin＝16.3V，因此最小驅動電壓為16.3V。

4.1.2 確定門級正偏壓以及負偏壓

IGBT的門級正偏壓越高，根據歐姆定律，則元件的功率損耗也就越低，但是根據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的門級負偏壓的作用是開關噪音出現時對電流進行阻截，IGBT的門級負偏壓額定值為5～15V。根據IGBT電壓電流關系曲線確定IGBT門級正偏壓為11V，IGBT門級負偏壓為－9V，而且IGBT還必須對門級電壓進行限定，防止電壓過大，造成IGBT過壓過流擊穿。

4.1.3 確定驅動電流及驅動電阻

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，造成開關斷合周期越小，這就需要更復雜的門級電路。

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IGBT的開關斷合頻率來計算，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電路模塊，可在電路中加入耦合器或者變壓器來起到保護電路作用，防止通過IGBT的電壓超過額定值或者過流導致電路損壞的情況出現。

4.2 IGBT驅動電路

IGBT門級電路的開關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，對電路采用分級設計的方案，電路通過雙絞線連接，來提高電路的穩定性。

圖1 前級驅動電路

圖1 中IGBT的前級驅動電路：由光耦進行隔離，信號由光耦輸入，20V電壓輸入經整形變為＋11／－9V的驅動波形由G／E輸出。圖中電容的作用是使輸出波形更平穩，穩壓管IN4739（9.1V穩壓管）的目的是提供負偏壓，可根據實際情況進行改變。

圖2中IGBT后級驅動部分，以H橋單橋臂為例實際應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 后級驅動電路

5 結語

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、高電壓的工作狀態下，因此IGBT發生過壓過流擊穿導致EBZ－135綜掘機不能正常運行的情況經常發生，嚴重影響了礦井的正常生產，這就要求工程技術人員嚴格按照EBZ－135綜掘機手冊和IGBT電路結構，并使用合格的電子器件，在電路中設置多種過載保護措施，并保證EBZ－135正常的工作環境。有針對性的采取防護措施，完全可以避免IGBT產生擊穿，使EBZ－135綜掘機正常運轉。此外，工程技術人員也要了解EBZ－135綜掘機及IGBT特性，提高設備可靠度，保證礦井生產的穩定有序。

〔1〕朱玉琴，鄭曉東，寥曉維 .一種基于IGBT的逆變器的驅動電路設計〔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計及應用〔J〕.現代礦業，2011，03：47－50.

〔3〕徐惠勇，王 聰，王汝琳，等 .礦用電機車IGBT脈寬調速系統中的參數研究〔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用〔J〕.電器工業，2009，04：12－14.