摘 要：三菱IGBT功率模塊将功率單元, 驅動單元, 邏輯單元, 傳感單元, 檢測單元, 保護單元等集成爲一體, 這(zhè)是智能型的(de)三菱IGBT模塊, 簡稱ipm模塊 (intelligent power module) 。它使用(yòng)極爲方便, 且十分(fēn)可(kě)靠。由于礦山井下(xià)供電距離随著(zhe)巷道的(de)不斷延伸逐漸增加, 供電電壓逐漸降低, 這(zhè)就要求機電設備特别是絞車、電機車要有較好的(de)電壓波動适應能力。爲此三菱IGBT功率模塊不僅适應井下(xià)電網的(de)波動, 而且由于集成化(huà)設置, 與電阻調速、脈沖調速裝置相比, 大(dà)大(dà)減少了(le)的(de)維修工作任務。
定義:三菱IGBT (insulated gate bipolar transistor) , 絕緣栅雙極型晶體管, 是由bjt (雙極型三極管) 和(hé)mos (絕緣栅型場(chǎng)效應管) 組成的(de)複合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有mosfet的(de)高(gāo)輸入阻抗和(hé)gtr的(de)低導通(tōng)壓降2方面的(de)優點。gtr飽和(hé)壓降低, 載流密度大(dà), 但驅動電流較大(dà);mos-fet驅動功率很小, 開關速度快(kuài), 但導通(tōng)壓降大(dà), 載流密度小。三菱IGBT綜合了(le)以上2種器件的(de)優點, 驅動功率小而飽和(hé)壓降低。非常适合應用(yòng)于直流電壓爲600v及以上的(de)變流系統如交流電機、變頻(pín)器、開關電源、照(zhào)明(míng)電路、牽引傳動等領域。三菱IGBT模塊原理(lǐ)如圖1所示。
1 三菱IGBT模塊調速優點
圖1 三菱IGBT模塊原理(lǐ)圖
目前我國煤礦井下(xià)直流架線電機車調速器采用(yòng)2種結構, 即:電阻調速和(hé)可(kě)控矽脈沖調速:電阻調速的(de)缺點是機車運行時(shí)其電機串聯電阻消耗電能, 并且觸頭式控制器的(de)維修量大(dà)。可(kě)控矽脈沖調速器的(de)缺點是可(kě)控矽的(de)工作頻(pín)率低 (300hz) 因而電路中的(de)濾波電抗、濾波電容、換向電抗、換向電容的(de)電感量很大(dà), 因而體積太大(dà), (一般分(fēn)爲3個(gè)部分(fēn):即電容箱、主電路箱、控制器) 由于可(kě)控矽需要耗能, 因而其效率也(yě)較低。
三菱IGBT直流電機調速在國外早已應用(yòng), 現正向普及化(huà)發展, 因三菱IGBT具有正的(de)溫度系數, 無二次電壓擊穿, 因此可(kě)靠性很高(gāo);由于三菱IGBT是給信号就通(tōng), 停信号就斷, 因此不需要用(yòng)電抗電容器組成的(de)充放電關斷電路, 所以其工作頻(pín)率很高(gāo) (可(kě)達數萬hz) 并且效率也(yě)很高(gāo) (可(kě)達98%) 。
由于調速器采用(yòng)了(le)三菱IGBT進行高(gāo)頻(pín)斬波, 大(dà)大(dà)減小了(le)濾波電容器的(de)體積, 并免去了(le)換流電容、換流電抗, 實現了(le)整機調速一體化(huà), 方便了(le)安裝和(hé)維修。該調速器具有短路保護、過流保護、過熱(rè)保護、欠壓保護等保護功能, 工作可(kě)靠。
采用(yòng)三菱IGBT大(dà)功率自關斷元件組裝的(de)電機車斬波調速裝置, 具有無級調速、閉環電制動功能, 體積小, 安裝簡便, 制動效果好, 可(kě)顯著減少刹車系統的(de)磨損, 延長(cháng)制動系統各部件的(de)使用(yòng)壽命和(hé)保養周期。同時(shí), 其控制電路采用(yòng)單片計算(suàn)機, 計算(suàn)精确、可(kě)靠性高(gāo), 使車輛起動、加速平穩, 消除了(le)換流噪音(yīn), 提高(gāo)了(le)車輛的(de)運行質量。
由于該調速器免去了(le)調速電阻箱, 所以節電率高(gāo)達35%, 按10t電機車的(de)2台24k w電機每天運行18h計算(suàn), 日可(kě)節電302.4k w·h。如電費按0.5元/k w·h計算(suàn), 日節電費151.2元, 年節電費55188元。
2 三菱IGBT驅動簡介 (以m57962a模塊爲例)
絕緣栅雙極晶體管 (三菱IGBT) 是80年代出現的(de)新型複合器件, 它集mosfet (metallic oxide semiconductor field effect transistor, 金屬氧化(huà)物(wù)半導體場(chǎng)效應晶體管) 和(hé)晶體管的(de)優點于一體。其響應速度快(kuài), 工作電流大(dà), 耐壓高(gāo)等優點使得(de)它在開關電源、變頻(pín)器、逆變器等領域裏很受青睐。但由于三菱IGBT自身的(de)特性, 使其工作時(shí)會發生擎住效應而導緻門極失控, 或者因電流電壓過大(dà)或不穩定, 造成三菱IGBT損壞而不能正常工作。爲此, 對(duì)三菱IGBT的(de)驅動和(hé)保護 (特别是短路過流保護) 提出了(le)很高(gāo)的(de)要求。三菱IGBT的(de)驅動電路的(de)形式很多(duō), 爲了(le)提高(gāo)可(kě)靠性, 采用(yòng)專用(yòng)驅動模塊成了(le)研究人(rén)員(yuán)首先考慮的(de)方案。
三菱IGBT專用(yòng)驅動模塊m57962al适于驅動大(dà)功率器件, 可(kě)根據其内部的(de)自保護功能對(duì)其應用(yòng)電路進行安全可(kě)靠設計。該模塊采用(yòng)雙電源驅動, 有過流過壓檢測電路和(hé)保證三菱IGBT可(kě)靠通(tōng)斷電路。總之, 能夠安全地驅動開關、變頻(pín)器中的(de)大(dà)功率三菱IGBT。
3 m57962al内部電路組成及其特點
3.1 内部電路組成
m57962al是日本三菱公司生産的(de)專用(yòng)驅動模塊。其内部結構方框圖如圖2所示。m57962al是厚模單列直插式封裝, 從左至右依次編号, 其中9~12爲空端。1端和(hé)2端:故障檢測輸入端;4端:接正電源vcc;5端:驅動信号輸出端;6端:接負電源vee;8端:故障信号輸出;13端和(hé)14端:驅動信号輸入端。
圖2 m57962al内部結構方框圖
3.2 m57962al主要特點
m57962al的(de)主要特點有: (1) 高(gāo)速輸入輸出隔離, 絕緣強度高(gāo)2500vac/min; (2) 适于單片機控制; (3) 内部有定時(shí)邏輯短路保護電路, 同時(shí)具有延時(shí)保護特性; (4) 具有可(kě)靠通(tōng)斷措施 (采用(yòng)雙電源) ; (5) 驅動功率大(dà), 可(kě)以驅動600a/600v或400a/1200v的(de)三菱IGBT模塊。
4 主要性能參數
模塊主要性能見表1。
表1 搖m57962al的(de)技術參數
5 驅動保護電路工作原理(lǐ)分(fēn)析
圖2所示實際應用(yòng)電路具有三菱IGBT過流過壓保護功能。當檢測到輸入1端的(de)電壓爲7v時(shí), 模塊判定爲電路短路, 立即通(tōng)過光(guāng)耦輸出關斷信号關斷, 從而使其5端輸出低電平将三菱IGBT的(de)ge兩端置于負向偏置, 可(kě)靠關斷。同時(shí)輸出誤差信号使故障輸出端8端爲低電平, 從而驅動外接的(de)保護電路工作。延時(shí)2~3s後, 若檢測到13端爲高(gāo)電平, 則m57962al恢複工作。穩壓管z1用(yòng)于防止d1擊穿而損壞m57962al;rg爲限流電阻, dz2和(hé)dz3起限幅作用(yòng), 以确保三菱IGBT可(kě)靠開通(tōng)與關斷, 而不被誤導通(tōng)或擊穿。
6 結束語
三菱IGBT功率模塊自身工作頻(pín)率高(gāo), 響應速度極快(kuài), 工作于開關狀态下(xià)其開關損耗大(dà), 這(zhè)就對(duì)其驅動可(kě)靠安全性提出了(le)更高(gāo)的(de)要求。采用(yòng)專用(yòng)智能驅動模塊能夠驅動大(dà)電流大(dà)功率的(de)設備, 能實現對(duì)三菱IGBT的(de)過流過壓保護, 同時(shí)所設計的(de)外圍應用(yòng)電路采用(yòng)限制基極限流電阻和(hé)基射極限幅器, 确保了(le)三菱IGBT功率模塊基極不被燒壞和(hé)擊穿。
