EBZ－135综掘机IGBT驱动保护电路研究

周维新

（同煤集团 朔州朔煤小峪煤矿，山西 怀仁038300）

近年来，随着我国能源需求的增加和西部大开发的进行，煤炭资源的开采大量增加。EBZ－135综掘机就是由太原重工研究院研制开发的挖掘机械，在国内煤矿挖掘设备中技术领先，其技术条件主要应用于煤矿矿体的开采挖掘工作。为在使用过程中方便设备检修，提高检修效率，深化人们对IGBT的理解，本文不仅对哈尔乌素煤矿采用EBZ－135综掘机在生产过程中出现的问题进行了描述，也对机电检修人员在检修过程中的技术方法进行了说明，也还对IGBT元件的工作原理及相关技术背景进行了阐述。

1 IGBT特性

IGBT叫做绝缘栅双极型晶体管，采用了集成桥臂续流二极管的模块式封装，一个封装内的桥臂数目有单、双与全桥等结构。IGBT器件在G、E端已加有高电压的情况下，不允许G、E端开路，否则会损坏器件。另外，在操作过程中切忌用手触摸G端。现场条件下，用万用表可以简单地判断IGBT器件的好坏，但检查结果并不可靠。在G、E端可靠地短接后，用高阻表检查IGBT的耐压情况也是可以的。使用SE70的测试盒可以较为有效地在现场检查IGBT器件的状态，但前提是必须把模块安装到系统的结构上。

2 IGBT存在问题

由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。在EBZ－135综掘机电气线路中整流和逆变系统都运用到IGBT来控制局部线路的关断和闭合，一旦IGBT损坏，交直流无法正常转换，因此做好IGBT的保护工作对于整个电路的循环流通相当重要。在EBZ－135综掘机中，共有13个电气柜，控制整台设备的整流、逆变、提升、推压、回转、行走以及 AFE〔2〕，相当于综掘机的CPU，每个电气柜中三相线路各有一组IGBT，每组4个，累计有156个，每个IGBT都控制着三相桥型电路的关断和闭合。其中任意一个IGBT击穿都引发大范围电气元件损坏。

3 IGBT击穿原因

IGBT元件在EBZ－135综掘机中应用广泛，IGBT主要用于大功率部件以及电路断合变化多的电路中，但由于IGBT不耐高压和电流的特性，这就造成在实际生产过程中，EBZ－135综掘机中的IGBT元件容易发生击穿甚至特殊情况下发生IGBT炸管，通过对EBZ－135综掘机电路研究发现，IGBT击穿的主要原因有三个，即通过电压过高造成IGBT击穿，通过的电流过大造成IGBT击穿，湿度过高造成IGBT击穿。经测试，电源板、光电转换板、VDU、输入板、输出板和触发板，这些元件不能造成IGBT的击穿。后经过多次的试验发现，造成IGBT击穿的原因有以下几个方面：

3.1 过压击穿

在EBZ－135综掘机的运行过程中，造成IGBT上加载电压过高导致击穿的主要原因有：在电路接通的过程中，电路中的元件、线圈以及电阻中电流的突然变化，形成电感电压，特别是电路由通路转化为断路时，电流突然由很大变为零，电流梯度较大，急剧变化的电流造成EBZ－135综掘机中的IGBT元件G、E两端产生极高的感应电压，也叫做IGBT的浪涌尖峰电压〔3〕，若此感应电动势超过IGBT的额定极限电压，就会使IGBT产生过压击穿，除了这种情况，许多生产过程中常见的活动也会造成IGBT过电压击穿，比如，EBZ－135综掘机运行过程中产生的静电、矿用电网电压的波动、EBZ－135电路故障造成的断路以及相邻电气设备产生的电磁波变化都可能产生较大的感应电压，这就造成EBZ－135综掘机中IGBT的过电压击穿过程。

3.2 过流击穿

（1）在使用过程中造成IGBT元件电流过大而击穿元件的主要原因有IGBT元件的所在电路短路，或者元件接地短路造成通过IGBT的电流大，虽然在EBZ－135综掘机中有一定的措施防止IGBT电流过大，IGBT本身也有较好的防过载电流的特性，但为了生产的正常进行，仍要避免IGBT出现过流现象。IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管，所以会产生一定的擎住效应。而在IGBT元件所在的电路中，在规定的漏极电流范围内，NPN的正偏压不足以使NPN晶体管导通，当通过IGBT的电流增大到一定数值，超过NPN晶体管和PNP晶体管的额定极限电流值，这个正偏压足以使NPN晶体管导通，从而造成PNP晶体管和NPN晶体管在此影响下进入饱和情况，导致EBZ－135综掘机中的晶闸管电路开通，使EBZ－135综掘机的门极破坏，使其失去控制电流保护电路的作用，这就是IGBT的擎住效应，当EBZ－135综掘机的IGBT发生这种效应时，通过的过载电流在元件上产生了较高的负载，最终造成IGBT击穿，EBZ－135综掘机出现破坏。

3.3 过温击穿

在EBZ－135综掘机中的IGBT上限作业温度范围在160℃～175℃内，但由于煤矿复杂的开采环境，IGBT的实际工作温度要小于它的极限工作温度，一般规定将IGBT工作温度控制在130℃～150℃以下，不然，较高的工作温度不仅会造成EBZ－135综掘机内部元件的损坏，还会降低IGBT元件的稳定性，经研究，EBZ－135综掘机的适宜工作温度在10℃～70℃范围内，可以保证IGBT的稳定性，保证EBZ－135综掘机长时间正常运转。

3.4 汇流排耳子接地

在EBZ－135综掘机上的逆变柜和整流柜中，IGBT用导电膏粘连在汇流排上，IGBT元件的稳定性主要由汇流排的汇流电压的变化决定，EBZ－135综掘机的汇流排布置在内部的主机板上，通过信号变化来收集电路变化情况，并将汇集的信息通过电路传至下一部的一个信息中转站，在实际情况下，在EBZ－135综掘机中会将所有介面卡安装在内部的汇流排上，并通过其将所有收集的信息发送到介面卡的外部装置中，我们将其统称为总线设备，总线设备可以为EBZ－135综掘机中的各个器件使用，在实际工作中，EBZ－135内部元件将信息发送出去，通过总线设备进行汇总，通过总线设备的处理，再将信息传输到多个不同的信息接收站，信息接收站的确定，主要由EBZ－135综掘机的中央处理器所有信息编码转化产生的电子信号来确定。当单相汇流排上的绝缘卡柱断裂时，固定在卡柱上的铜质耳子就会来回摆动，摆动过程中会触碰到附近的金属件，碰触会导致该电器柜内直流母线接地，进而导致IGBT击穿。

4 驱动保护电路设计

4.1 驱动电路设计思路

4.1.1 确定门级电容及驱动电压

用Cin＝5Ciss进行计算，根据手册可查Ciss＝2360 pF，则Cin＝2360×5＝11.8nF，根据 Q＝∫idt＝Cin×ΔU计算驱动电压ΔU，经查此IGBT门级电容Q＝192nC，ΔU＝Q／Cin＝16.3V，因此最小驱动电压为16.3V。

4.1.2 确定门级正偏压以及负偏压

IGBT的门级正偏压越高，根据欧姆定律，则元件的功率损耗也就越低，但是根据IGBT的门级正电压的极限值为20V，正偏压超过限定值，元件电阻一定，则通过IGBT的电流就越大，会造成IGBT过电流损坏，IGBT的门级正偏压越大，损坏的可能性越大，IGBT的门级负偏压的作用是开关噪音出现时对电流进行阻截，IGBT的门级负偏压额定值为5～15V。根据IGBT电压电流关系曲线确定IGBT门级正偏压为11V，IGBT门级负偏压为－9V，而且IGBT还必须对门级电压进行限定，防止电压过大，造成IGBT过压过流击穿。

4.1.3 确定驱动电流及驱动电阻

通常来说，IGBT的额定电压和额定电流越高，对电路造成的危害越大，需要通过的电流越大，造成开关断合周期越小，这就需要更复杂的门级电路。

若IGBT的额定电压为20V，额定电流为20mA，则通过计算，IGBT的额定电阻为10kΩ，根据IGBT的开关断合频率来计算，得出IGBT的门级额定电阻为40Ω。

而且由于IGBT的敏感性和过压过流易击穿的特性，需要在IGBT的元件电路中加入保护电路模块，可在电路中加入耦合器或者变压器来起到保护电路作用，防止通过IGBT的电压超过额定值或者过流导致电路损坏的情况出现。

4.2 IGBT驱动电路

IGBT门级电路的开关频率主要影响因素有两个：一个是IGBT门级电路电感分布情况和电容布置情况，为了防止IGBT击穿损坏，对电路采用分级设计的方案，电路通过双绞线连接，来提高电路的稳定性。

图1 前级驱动电路

图1 中IGBT的前级驱动电路：由光耦进行隔离，信号由光耦输入，20V电压输入经整形变为＋11／－9V的驱动波形由G／E输出。图中电容的作用是使输出波形更平稳，稳压管IN4739（9.1V稳压管）的目的是提供负偏压，可根据实际情况进行改变。

图2中IGBT后级驱动部分，以H桥单桥臂为例实际应用中可在电源母线加装π型滤波器、增加电容组的容量以抑制浪涌电压，P6KE16CA为双向瞬态电压抑制器件，防止门级电压过高引起器件损毁。

图2 后级驱动电路

5 结语

由于煤矿开采的需要，要求EBZ－135综掘机具有大功率的特性，这就使得IGBT元件要长期处于高电流、高电压的工作状态下，因此IGBT发生过压过流击穿导致EBZ－135综掘机不能正常运行的情况经常发生，严重影响了矿井的正常生产，这就要求工程技术人员严格按照EBZ－135综掘机手册和IGBT电路结构，并使用合格的电子器件，在电路中设置多种过载保护措施，并保证EBZ－135正常的工作环境。有针对性的采取防护措施，完全可以避免IGBT产生击穿，使EBZ－135综掘机正常运转。此外，工程技术人员也要了解EBZ－135综掘机及IGBT特性，提高设备可靠度，保证矿井生产的稳定有序。

〔1〕朱玉琴，郑晓东，寥晓维 .一种基于IGBT的逆变器的驱动电路设计〔J〕.陕西煤炭，2008，06：23－26.

〔2〕巴清伟 .基于大功率IGBT的恒磁场脱磁器的设计及应用〔J〕.现代矿业，2011，03：47－50.

〔3〕徐惠勇，王 聪，王汝琳，等 .矿用电机车IGBT脉宽调速系统中的参数研究〔J〕.煤矿机电，2003，04：54－56.

〔4〕刘 柏.IGBT直流斩波器在工矿电机车的应用〔J〕.电器工业，2009，04：12－14.