關于WK系列電鏟IGBT擊穿原因分析

摘 要：WK系列電鏟是黑岱溝露天礦的主要采掘設備，該系列電鏟的運行狀況直接關系著集團公司煤碳產量的完成情況，更關系著集團全年的經營情況，所以WK系列電鏟的日常維護和檢修就特別重要。

關鍵詞：IGBT；電氣系統；IGBT故障；措施

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文叫做絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，IGBT模塊是6SE70系列產品中的逆變器，制動單元AFE變流器與OCP保護器所使用的主要功率器。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WK-35電鏟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。

一、IGBT發生故障的主要原因

（一）匯流排耳子接地

WK-35電鏟的逆變柜和整流柜中，IGBT用導電膏粘連在匯流排上，受匯流排電流和電壓變動影響。匯流排是在主機板上，用來匯集所有資料，并將之傳送出去的一個中繼站。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，IGBT兩端電壓過大，進而導致IGBT擊穿。

（二）母線排與IGBT之間的絕緣紙

在逆變柜中母線排與IGBT靠絕緣紙相連，使母線排和IGBT不能挨在一塊，以免引起相互放電，造成IGBT損壞擊穿，所以這張絕緣紙的可靠性對IGBT的保護起著尤為重要的作用。但事實是，絕緣紙常時間在高溫下作用，性能會隨著時間慢慢的減弱，有些時候電鏟作業時，振動加劇就會導致絕緣紙破損，使得母線排和IGBT接觸放電，IGBT擊穿。

（三）IGBT模塊因過電流損壞

1、IGBT有一定抗過電流能力，但必須注意防止過電流損壞。IGBT復合器件內有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應。IGBT的等效電路，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，當漏極電流大到一定程度時，這個正偏壓足以使NPN晶體管開通，進而使NPN 和PNP 晶體管處于飽和狀態，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制作用，便發生了擎住效應。IGBT發生擎住效應后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。

2、變頻器輸出測發生短路，接地，負載太大，加速時間太短，導致過流，損壞IGBT模塊。

3、控制電路處邏輯受干擾，導致上下橋臂元件直通，IGBT模塊損壞。

4、光纖松動，觸發不良，錯誤信息導致IGBT誤導通及運行不穩定導致IGBT誤導通，變頻器報過流故障，復位作業，導致IGBT模塊損壞。

（四）IGBT模塊因過電壓損壞

1、IGBT在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間產生尖峰電壓，尖峰電壓過壓則可造成IGBT 擊穿損壞。

2、通常是線路雜散電感在極高的di/dt作用下產生的尖峰電壓而造成IGBT模塊損壞。

3、變頻器逆變功率模塊IBGT受到較強的瞬間過電壓，造成過壓損壞。

（五）IGBT模塊因散熱不良損壞

1、變頻器在運轉中突然發出爆炸聲響，同時外接保險燒毀，拆機發現變頻器的IGBT模塊損壞。經過推斷確定為變頻器的IGBT模塊因散熱不良導致其損壞。

2、當停機幾天后，粘在電路板上的灰塵返潮，這時送電電路板容易打火而損壞，導致炸機，IGBT模塊損壞。

3、變頻器長期不維護，集滿灰塵，散熱變差引起變頻器炸IGBT模塊。

4、模塊的損耗十分巨大，熱量散不出去，導致內部溫度極高，產生氣體，沖破殼體，導致IGBT模塊爆炸。

5、IGBT不能完全導通，在有電流的情況下元件損耗增大，溫度增加導致損壞。

6、人為因素導致IGBT模塊損壞，例如：進線接在出線的端子上，變頻器接錯電源，沒按要求接負載。

（六）其他原因

1、電路中過流檢測電路反應時間跟不上。

2、工藝問題：銅排校著勁、螺絲擰不緊等。

3、電機沖擊反饋電壓過大導致IGBT爆炸。但對于充電時爆炸的情況發生的概率不是很大。

4、電機啟動時，輸入測電壓瞬間跌落，電容放電。輸入測電壓恢復后電容充電時的浪涌電流過大致使IGBT爆炸 。

5、由于變頻器濾波電容的老化，使得容量變小也會造成變頻器逆變功率模塊IBGT的損壞。

6、變頻器逆變功率模塊IBGT的觸發電路的故障引起的損壞。

7、由于變頻器逆變功率器件的自身質量及壽命的原因。

二、IGBT發生故障的主要解決措施

（一）是保證匯流排耳子不再接地

實驗發現給匯流排耳子下方墊一個絕緣塊，可以當匯流排上的卡柱因電氣柜過熱時斷裂也不會碰觸到附近的金屬件，徹底杜絕匯流排通過耳子接地。給匯流排耳子增加一個絕緣塊，縮減了單位空間內的散熱面積，影響匯流排散熱。局部范圍內匯流排不會因絕緣塊的增加而高溫。因此，增加絕緣模塊是切實可行的有效辦法。

（二）避免電容組檢測線被磨損

電容組檢測線的保護也是用類似的辦法，但也不盡相同。一方面跟電氣柜高溫，線路絕緣皮耐高溫性差有關。解決這方面的辦法就是將線路絕緣層改成更耐高溫的絕緣層。另一方面電容組檢測線連接電容和平衡電阻，線路過短，導致長期處于緊繃狀態，線路容易通過與電路板的摩擦將絕緣層磨掉，最終導致接地。

三、結論

我們在對某臺WK-55實際改造完成后，觀察該鏟的運行狀況，發現IGBT的擊穿頻率大大降低，因為上述外部原因造成的擊穿沒有發生。從結果上來看，改造是成功可行的，節省了大量的人力物力財力。建議推廣應用到其他WK-55電鏟，這對于降低WK-55的IGBT擊穿，減少電氣故障率，增加設備出動率都是極為有利的。

參考文獻：

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[2]劉曉星.《變頻挖掘機電氣維修手冊》[J].太原重型機械集團.2010.

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