IGBT在矿用大功率电铲中的应用

摘要：IGBT是近年来发展最快的一种功率电子器件，已广泛应用于工业、交通、家电等各个领域。通过对IGBT的技术特性的介绍，着重阐述IGBT在矿用大功率电铲上应用现状，希望能够为解决IGBT在使用中存在的问题提供一点帮助。

关键词：IGBT 主开关元件 功率

九十年代中期，研发出的功率场效应管（PowerMetal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，筒称PMOSFET）和绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称 IGBT），开辟了电力电子技术向高频化迈进的现实道路。

一、IGBT在矿山电铲中的应用情况

在技术全球化的背景条件下，中国太原重型机械集团生产的WK系列矿山电铲和美国BUCYRUS公司生产的全系矿山电铲和吊斗铲的电气系统都采用西门子公司配套的变频调速技术，使用IGBT作为驱动部分的主开关元件。

神华准格尔黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天煤矿大量的采购并使用国产的WK系列电铲和BUCYRUS的395BI型T 495HR型电铲。395BI型号作为八十年代末、九十年代初设计和制造的产品，它的辅助功率逆变器也不可避免地代表那个时代的特征―一使用大功率电力电子器件：GTO（ Gate turn off）即门极可关断晶闸管。应该说，作为大功率逆变用元件，GTO是可以胜任的，但由于其本身特性的限定，它不可避免地存在着对过电压吸收电路元器件要求高、保护电路庞杂、成本昂贵等等弱点。因现有的电力电子技术的高速发展，395BI型电铲配套使用的GTO（500A）生产已经停止，国内配件采购存在较大困难，加之设备运行均已超过10年，故障增加，所以现有的7台395BI电铲的辅助功率逆变器由原配的大功率电力电子器件GTO升级改造成采用IGBT作为主开关元件。

现在的问题是：作为用户，我们基本没有IGBT逆变器使用的经验可谈。这里仅结合 IGBT的基本特性展开讨论，希望为今后掌握 IGBT逆变技术，用好以IGBT为主开关元件的电铲和其它采用IGBT作为主开关元件的设备提供些许有益的借鉴。

二、关于IGBT技术

1、IGBT的输入/输出特性

IGBT输入特性相当于一种自锁型场效应管，是一种简单、高效，几乎无功控制的新型元器件；它的输出特性相当于一个二极管，尤其空穴导电的特性，使它达到相当大的载流容量而不易过电压击穿；它的开关频率可达几十到几百千赫兹。这样高的操作频率促使它向模块化方向发展，以抑制可能在高速转换过程中产生的有害的寄生容量和电感。

2、IGBT的控制特性

在稳定工作状态，IGBT不需要门极驱动电流，因为它是由电压控制的。在实际应用中，常常使用负的门极控制电压来保证其可靠关断；这是为了抵御元件快速开关过程中产生的寄生容量的作用。从理论上讲，IGBT的关断，可以认为当终止了正极控制的电压和使得门极―一发射极电压为零时已经实现。实际上IGBT在关断过程中产生的寄生电容量却常常影响元件的正常工作。使用负极控制是IGBT的优点之一，使它的关断特性得到了进一步的改进。

对于正的或负的门极控制电压，它的值一般都须严格地控制在技术规格书规定值范围之内。门极电阻RG限定IGBT导通和关断时的门极电流脉冲的大小。但对RG的选择也须注意，当IGBT工作在饱和区段时，变化的VLF和VCE可能会干扰集电极的电压。在这种情况下，常用的办法是使RG在导通和关断时分别采用不同时值，即将RG分裂成两个电阻，分别控制导通和关断的触发脉冲。

3、IGBT的智能化模块控制

尽管IGBT有着载流容量大、控制简单、开关频率高等自身的优势，但它仍需要在电路中采取一定的措施进行适当的保护。

第一，它需要对开关过程中的过电压进行防护。一般是在电路前级（或后级负载端），或桥臂上使用抑制元器件，这种电路结构在初期的IGBT电路设计中常可见到，在直流端（前级）和在桥臂上的抑制电路基本接法。另外在IGBT关断时寄生电感所产生的过电压，常用续流二极管的办法解决，为此还需要电容、电阻等一套储能、耗能电路，但由于开关管频率高，故相应的元器件容量。体积要小很多。

第二，在某些故障情况下，IGBT电路可能产生过电流。如：一对桥臂上的两个管子同时导通或负载回路出现接地。理论上，IGBT可以自行关断过电流，即在负的门极驱动回路中设置过电流检测信号的触发控制，一旦发现有过电流甚而在过电流上升的过程中，即可通过送出负脉冲使IGBT关断。

此外，还需要对元件本身工作温度的监控、保护；由接线、端子等因素引起的寄生容量的防护等等一系列的保护措施。

现在，随着电子加工技术的发展，已经可以把上述所有这些保护功能，做在 IGBT同一块模块里，称作IPM（ Intel lgent Power Module）即智能化模块。

使这些欠压、过流、温控保护等系统一体化还有一个好处是减少了控制电路阻抗，各种传感器的连接、监视信息的传输、控制动作等等都限定在一个最直接的短的路径联络中，也使寄生电感不易产生，同时减少了安装步骤和设计程序。上述种种好处是显而易见的，智能化模块正在迅速地发展，为越来越广泛的领域所采用。495BI电铲逆变器已在多处使用了IPM模块。

4、IGBTR 的控制方法

现代工业设备在许多场合下需要根据相应的指令来调节控制。譬如495HR电铲，需要以参考值来作控制指令。微处理机有下列控制功能：

・程序控制（如启动间歇停止…）

・指令控制（转速、扭矩、电压…）

・监控（直流回路电压、过电流…）

・质询（键盘、显示屏。）

所需的控制参数和功能的要求，由一个监控模块（EPROM）发出，经过电子计算机对数据进行对比处理后，通过脉宽调制对IGBT进行控制，最后将控制的结果反馈、储存。将上述一系列的操作过程，可以做成通用的脉宽调制的IGBT模块。

三、电器设备不断升级和国产化，势在必行。

由于电力电子产品市场的竞争和新技术的开发，原装的元器件已遭淘汰，找新的替代品恐怕也不容易，这就逼得我们非另僻蹊径不可。

大功率的IGBT不仅是在进出的大型采矿设备上，且在国内许多的大型电动拖动设备上都有较广泛的应用，如上海宝钢的扎钢设备、上海地铁及近几年新建成的水电站的水闸控制系统等。根据IGBT技术发展的前景，结合我国半导体工业的实际，我们应当加大在IGBT的智能化模块（IPM）作为逆变器方面的研究与开发，把握 IGBT的发展方向，尽可能早的掌握其核心技术和拥有生产能力，尤其像辅助逆变器这样大型的电力电子设备，如果不走国产化的道路，在事隔五年、十年，甚至更久以后再到原国外、生产厂家去订货，即使价格的因素不考虑，厂家也再无法用早已淘汰的原产品生产得出来。不撑其技术，没有生产能力，不国产化我们就不得不依懒别人，就没有出路。要保证395BI电铲、495HR电铲和其它采用西门子变频调速技术的设备可靠地运行下去，可以说，国产化是真正的出路。

参考文献

[1]《机电控制技术及应用》杨公源主编，出版日期： 2005-05

[2]《电气自动控制系统》作译者：张传祥,出版日期： 2003-02

[3]《变频调整技术与应用》作译者：李良仁主编,出版日期： 2004-12

[4]《IGBT和IPM及其应用电路》周志编,出版日期：2006-3

[5]《现化调速控制系统》侯崇升主编,出版日期：2004-6