IGBT斩波调速器在电机车上的应用 任正银

I G BT 斩波控制器在电机车上的应用

任正银

摘要：传统煤矿电机车调速控制器存在诸多问题，因此对现有机车进行了更新，先采用新型IGBT斩波控制器。新斩波控制器节能、高效、经济适用。本文主要阐述IGBT斩波控制器的工作原理、结构、及与其它产品比较所具有的性能特点。

关键词：IGBT ；光电给定器；PWM脉宽调制；无极调速；稳定性

1、引言

窄轨电机车机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，是煤矿的重要运输工具。具有牵引力大、维护费用小、可以改善劳动条件等优点，所以在矿山运输中得到广泛应用。目前矿用电机车都采用直流串励电动机作为牵引电动机，传统的调速方法是通过电阻实现启动、调速、停车、换向等功能。根据电机车的发展方向，电阻调速控制器功能已经不能满足使用要求。在1990年代采用可控硅司控器，但其维修费用高，技术性强，不适合需要。现在正逐步对电机车进行改造，采用I G B T斩波控制器。本文主要对矿用I G B T斩波控制器进行介绍。

2 、I GB T斩波控制器用途及结构

IGBT斩波控制器主要用于直流架线电机车和矿用防爆特殊型蓄电池电机车，控制机车的前进、后退、启动、调速、运行及制动。

IGBT斩波控制器的操作面板上安装有调速手柄、换向开关。箱体内部安装有换向触头、接触组、光电速度给定器、控制电源盒。调速手柄用于控制机车的启动、调速、全速以及停止，它与换向开关设有互锁装置。换向开关由两组接触铜片组成，完成两台电动机“0位”、“向前”、“向后”三个状态的转换。斩波器由IGBT、续流二极管、电解电容、无感电容、

霍尔电流传感器及控制驱动盒电路等组成。光电速度给定器能发出速度给定信号。

3、IGBT 简介

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由B JT(双极型

三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合、全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但

驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小，IGBT 则综

合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，它是目前世界上最优秀的电力电子

功率开关器件，广泛用于调速器和变频调速等大功率电力电子设备中。

IGBT是电压型控制器件，具有输人阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、

通断速度快、工作频率高、功率容量大等优点。关于结温的大小IGBT 模块的芯片最大额定结温是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则要发生热击穿而造成损坏，一般要留余地。在最恶劣条件下，结温限定在125℃以下，但芯片内结温监测有难度，所以都在散热器表面装有温控开关，其控制值在80～85℃之间，当达到此温度时，即因过热保护动作，从而自动停机，以确保I GBT 的安全。也有用热敏电阻进行保护的。

4、IGBT 元件符号、示意图

G（B）：栅级（控制极）C：集电极E：发射极

图1：一单元IGBT 示意图图2：两单元IGBT 示意图

5、I GB T的工作原理

IGBT即绝缘栅双极型功率管、是由B J T（双极型三极管）和M O S（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，IGBT具有控制驱动电路简单、工作效率高、容量大、驱动功率小而饱和压降低的优点。

C

G

E

图3IGBT 等效电路

IGBT的等效电路如图3示。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSTET 导通PNP晶体管的集电极与基极之间的低阻状态使得晶体管导通，若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSTET截止，切断.PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT 的安全可靠性取决于以下因素：

（1）IGBT 栅极与发射极之间的电压。驱动电压过高，IGBT不能稳定正常工作，驱动电压过低，IGBT永久损坏。

（2）IGBT 集电极与发射极之间的电压。电压超过它们之间的赖压值，I GBT 永久损坏。

（3）流过I G BT集电极-发射极的电流。电流超过最大值，IGBT 永久损坏。

(4)IGBT的结温超过允许值，永久损坏。

针对这些因素，采用I G BT栅极保护、浪涌电压保护等多种保护装置，IGBT 的栅极

-发射极驱动电压VGE 的保证值为±20V,设置栅压限幅电路，为防止过流，过热或由于振动使得栅极回路断开，损坏I G BT等现象,在I G BT的栅极与发射极之间并联一只几十KΩ的电阻起保护作用。其电路图如图4。

C

G

E

图4 栅极保护电路

6、斩波器的基本工作原理

本斩波系统采用了I GBT 高压大功率开关器件，控制方法为定频调宽（PWM 方式)当驱动脉冲为高电平（+15V）时器件导通，反之低电平（0V 或-15V）时关断。IGBT 串联在“串激式”牵引电机电路内，当IGBT VT1（VT2）导通时，电机电流线性上升，IGBT 关断时，电机电流通过续流二极管D1（D2）形成回路，电流线性下降。由于开关频率高，实际电机的电流等效为直流电流，通过改变I GBT 的导通与关断的比例（即调压比α=T ON/T 或U入/U 出）即可改变电机两端的电压平均值，从而改变电机的转速，实现机车调速的目的。斩波器的各种保护功能（软启动、欠压、过压、过流、负载短路），亦通过I GBT 导通与关断比例来实现。IGBT 导通时，压降V F＝2.5V，导通损耗为P 损＝IV F，若工作电流为100A，则导通损耗P 损＝100×2.5＝250W。

7、PWM驱动电路原理

直流电动机的PWM调速原理，为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。

脉宽调制的基本原理，脉宽调制（Pulse Width Modulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的PWM 变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。