摘 要：三菱IGBT功率模塊將功率單元, 驅(qū)動(dòng)單元, 邏輯單元, 傳感單元, 檢測(cè)單元, 保護(hù)單元等集成為一體, 這是智能型的三菱IGBT模塊, 簡(jiǎn)稱ipm模塊 (intelligent power module) 。它使用極為方便, 且十分可靠。由于礦山井下供電距離隨著巷道的不斷延伸逐漸增加, 供電電壓逐漸降低, 這就要求機(jī)電設(shè)備特別是絞車、電機(jī)車要有較好的電壓波動(dòng)適應(yīng)能力。為此三菱IGBT功率模塊不僅適應(yīng)井下電網(wǎng)的波動(dòng), 而且由于集成化設(shè)置, 與電阻調(diào)速、脈沖調(diào)速裝置相比, 大大減少了的維修工作任務(wù)。

定義:三菱IGBT (insulated gate bipolar transistor) , 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(chǎng)效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導(dǎo)通壓降2方面的優(yōu)點(diǎn)。gtr飽和壓降低, 載流密度大, 但驅(qū)動(dòng)電流較大;mos-fet驅(qū)動(dòng)功率很小, 開關(guān)速度快, 但導(dǎo)通壓降大, 載流密度小。三菱IGBT綜合了以上2種器件的優(yōu)點(diǎn), 驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600v及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。三菱IGBT模塊原理如圖1所示。

1 三菱IGBT模塊調(diào)速優(yōu)點(diǎn)

圖1 三菱IGBT模塊原理圖

目前我國煤礦井下直流架線電機(jī)車調(diào)速器采用2種結(jié)構(gòu), 即:電阻調(diào)速和可控硅脈沖調(diào)速:電阻調(diào)速的缺點(diǎn)是機(jī)車運(yùn)行時(shí)其電機(jī)串聯(lián)電阻消耗電能, 并且觸頭式控制器的維修量大?？煽毓杳}沖調(diào)速器的缺點(diǎn)是可控硅的工作頻率低 (300hz) 因而電路中的濾波電抗、濾波電容、換向電抗、換向電容的電感量很大, 因而體積太大, (一般分為3個(gè)部分:即電容箱、主電路箱、控制器) 由于可控硅需要耗能, 因而其效率也較低。

三菱IGBT直流電機(jī)調(diào)速在國外早已應(yīng)用, 現(xiàn)正向普及化發(fā)展, 因三菱IGBT具有正的溫度系數(shù), 無二次電壓擊穿, 因此可靠性很高;由于三菱IGBT是給信號(hào)就通, 停信號(hào)就斷, 因此不需要用電抗電容器組成的充放電關(guān)斷電路, 所以其工作頻率很高 (可達(dá)數(shù)萬hz) 并且效率也很高 (可達(dá)98%) 。

由于調(diào)速器采用了三菱IGBT進(jìn)行高頻斬波, 大大減小了濾波電容器的體積, 并免去了換流電容、換流電抗, 實(shí)現(xiàn)了整機(jī)調(diào)速一體化, 方便了安裝和維修。該調(diào)速器具有短路保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)等保護(hù)功能, 工作可靠。

采用三菱IGBT大功率自關(guān)斷元件組裝的電機(jī)車斬波調(diào)速裝置, 具有無級(jí)調(diào)速、閉環(huán)電制動(dòng)功能, 體積小, 安裝簡(jiǎn)便, 制動(dòng)效果好, 可顯著減少剎車系統(tǒng)的磨損, 延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)各部件的使用壽命和保養(yǎng)周期。同時(shí), 其控制電路采用單片計(jì)算機(jī), 計(jì)算精確、可靠性高, 使車輛起動(dòng)、加速平穩(wěn), 消除了換流噪音, 提高了車輛的運(yùn)行質(zhì)量。

由于該調(diào)速器免去了調(diào)速電阻箱, 所以節(jié)電率高達(dá)35%, 按10t電機(jī)車的2臺(tái)24k w電機(jī)每天運(yùn)行18h計(jì)算, 日可節(jié)電302.4k w·h。如電費(fèi)按0.5元/k w·h計(jì)算, 日節(jié)電費(fèi)151.2元, 年節(jié)電費(fèi)55188元。

2 三菱IGBT驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介 (以m57962a模塊為例)

絕緣柵雙極晶體管 (三菱IGBT) 是80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件, 它集mosfet (metallic oxide semiconductor field effect transistor, 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管) 和晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一體。其響應(yīng)速度快, 工作電流大, 耐壓高等優(yōu)點(diǎn)使得它在開關(guān)電源、變頻器、逆變器等領(lǐng)域里很受青睞。但由于三菱IGBT自身的特性, 使其工作時(shí)會(huì)發(fā)生擎住效應(yīng)而導(dǎo)致門極失控, 或者因電流電壓過大或不穩(wěn)定, 造成三菱IGBT損壞而不能正常工作。為此, 對(duì)三菱IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù) (特別是短路過流保護(hù)) 提出了很高的要求。三菱IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的形式很多, 為了提高可靠性, 采用專用驅(qū)動(dòng)模塊成了研究人員首先考慮的方案。

三菱IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊m57962al適于驅(qū)動(dòng)大功率器件, 可根據(jù)其內(nèi)部的自保護(hù)功能對(duì)其應(yīng)用電路進(jìn)行安全可靠設(shè)計(jì)。該模塊采用雙電源驅(qū)動(dòng), 有過流過壓檢測(cè)電路和保證三菱IGBT可靠通斷電路?？傊? 能夠安全地驅(qū)動(dòng)開關(guān)、變頻器中的大功率三菱IGBT。

3 m57962al內(nèi)部電路組成及其特點(diǎn)

3.1 內(nèi)部電路組成

m57962al是日本三菱公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)模塊。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。m57962al是厚模單列直插式封裝, 從左至右依次編號(hào), 其中9~12為空端。1端和2端:故障檢測(cè)輸入端;4端:接正電源vcc;5端:驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端;6端:接負(fù)電源vee;8端:故障信號(hào)輸出;13端和14端:驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。

圖2 m57962al內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

3.2 m57962al主要特點(diǎn)

m57962al的主要特點(diǎn)有: (1) 高速輸入輸出隔離, 絕緣強(qiáng)度高2500vac/min; (2) 適于單片機(jī)控制; (3) 內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路, 同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性; (4) 具有可靠通斷措施 (采用雙電源) ; (5) 驅(qū)動(dòng)功率大, 可以驅(qū)動(dòng)600a/600v或400a/1200v的三菱IGBT模塊。

4 主要性能參數(shù)

模塊主要性能見表1。

表1 搖m57962al的技術(shù)參數(shù)

5 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路工作原理分析

圖2所示實(shí)際應(yīng)用電路具有三菱IGBT過流過壓保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)到輸入1端的電壓為7v時(shí), 模塊判定為電路短路, 立即通過光耦輸出關(guān)斷信號(hào)關(guān)斷, 從而使其5端輸出低電平將三菱IGBT的ge兩端置于負(fù)向偏置, 可靠關(guān)斷。同時(shí)輸出誤差信號(hào)使故障輸出端8端為低電平, 從而驅(qū)動(dòng)外接的保護(hù)電路工作。延時(shí)2~3s后, 若檢測(cè)到13端為高電平, 則m57962al恢復(fù)工作。穩(wěn)壓管z1用于防止d1擊穿而損壞m57962al;rg為限流電阻, dz2和dz3起限幅作用, 以確保三菱IGBT可靠開通與關(guān)斷, 而不被誤導(dǎo)通或擊穿。

6 結(jié)束語

三菱IGBT功率模塊自身工作頻率高, 響應(yīng)速度極快, 工作于開關(guān)狀態(tài)下其開關(guān)損耗大, 這就對(duì)其驅(qū)動(dòng)可靠安全性提出了更高的要求。采用專用智能驅(qū)動(dòng)模塊能夠驅(qū)動(dòng)大電流大功率的設(shè)備, 能實(shí)現(xiàn)對(duì)三菱IGBT的過流過壓保護(hù), 同時(shí)所設(shè)計(jì)的外圍應(yīng)用電路采用限制基極限流電阻和基射極限幅器, 確保了三菱IGBT功率模塊基極不被燒壞和擊穿。