IGBT在新型矿用电机车司控器中的应用

摘 要：晶闸管斩波器导通后，关断比较困难。IGBT属于全控性器件，晶体管的导通和关断很容易实现。IGBT在新型矿用电机车司控器中应用效果良好。

关键词：晶闸管；斩波器；IGBT；矿用电机车司控器

前言

矿用电机车司控器采用晶闸管斩波调速的优点是：启动平稳、无极变速、效率高、损耗小。不足之处是晶闸管一旦导通，关断比较困难，只能通过换流电容和电感振荡产生的反压来实现。当电源电压下降时还会导致换流失败，电机车承受全部电压而失去控制，给生产和人身安全带来威胁。晶闸管斩波器的工作频率低（150HZ～300HZ左右），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，滤波器件体积较大。晶闸管的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不能过低，否则在轻载时电流将出现断续，使电机附加损耗增大。同时由于这种司控器无保护功能，因而故障率高。

1 IGBT 斩波器的工作原理

1.1 IGBT元器件介绍

IGBT的等效原理如图1所示，在IGBT的栅极和发射极之间加上正向驱动电压，MOSFET管（金属-氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管）导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态，晶体管导通；如果加在IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，晶体管截止。

1.2 IGBT组成的斩波器

如图2a所示为IGBT-PWM放大器，在IGBT栅极G加上如图2b所示的脉冲信号，在0≤t≤ton时，IGBT导通，集电极电流流过电动机电枢；在ton≤t≤T期间，IGBT关断，续流二极管D续流，电枢电压和电流波形如图2c和2d所示。电枢电压的平均值为：Uav=■Us=？籽Us，其中？籽=■为占空比。如果栅极输入电压信号的频率一定，改变脉冲宽度，就改变了占空比，电枢上的平均电压就改变了，进而可以实现电机的调速。

图1 IGBT等效原理图 图2 IGBT-PWM放大器

2 IGBT矿用电机车伺控器电路原理分析

2.1 电源部分

电源部分由蓄电池组、隔离二极管D1、平波电容C1和C2。直流断路器闭合，驱动板获得直流电压，同时经过DC/DC变换得到+24V电源。

2.2 驱动电路板

驱动板采用STC12C5A系列单片机做为整机电路的核心元件，用来给换向接触器、喇叭、IPM、照明灯等负荷提供各种控制信号。STC12C5A系列单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，其内部设置有专用复位电路，2路PWM，8路10位高速A/D转换，很适合电机控制和强干扰场合使用。

驱动板中的IPM把功率开关器件和驱动电路集成在一起，有过电压、欠电压、过电流和过热保护功能，并可将检测信号送CPU进行中断处理。同时由于IPM具有自关断能力，不需强迫换流电路，从而简化了主电路，体积大大减小，它是一个电流控制元件，不存在换流失败问题；IPM工作频率超过音频（1000HZ～4000HZ），供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量，为实现256档无级调速。IPM接口电路也极其简单，更换起来十分方便，只需将5芯插头一拔，卸下固定螺丝即可取下模块进行更换。

2.3 电机控制主电路

驱动板接可接瓦斯监控器，接有七组控制开关，6个接触器，4个信号灯，一个扬声器。

电机车前进时：首先闭合直流断路器QF，按下SB2开关，接触器KM1和KM3闭合，S1-1、C2-1闭合，前后直流电动机正向转动。按下加速按钮SB4电机车加速，按下SB5减速，当接触器KM5闭合时电机车由于承受全压全速运行。同时还设有KM1和KM3的反馈监视信号，通过驱动板X7监视接触器的工作状态。电机车后退时按下SB3开关，接触器KM2和KM4闭合，S1-2、C2-2闭合，前后直流电动机反向转动。按下加速按钮SB4电机车加速，按下SB5减速，当接触器KM5闭合时电机车由于承受全压全速运行。按下SB1开关，接触器KM6闭合，电机车停止转动。SB6闭合，电子喇叭发出声音。前白灯、后白灯，由Y0、Y2输出口控制。前红灯后红灯由Y1、Y2控制。

3 结束语

IGBT属于全控性器件，晶体管的导通和关断很容易实现。它将P-MOSFET（功率场效应晶体管）和GTR（大功率晶体管）的优点集合在一体，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此发展很快，备受青睐。

参考文献

[1]段浩均，彭世生，高延民，甘行建.矿山电力拖动于控制[M].中国矿业大学出版社，2004.

[2]魏德育.电容对矿用电机车脉冲调速系统性能的影响[J].中国矿业.2007（10）.

[3]魏德育.基于MATLAB的矿用电机车调速系统研究[D].西安科技大学2007.

作者简介：魏德育，男，河南工业和信息化职业学院教师，机械工程硕士，主要从事煤矿机电一体化教学和煤矿机电设备研究。