摘 要：三菱IGBT功率模塊將功率單元, 驅動單元, 邏輯單元, 傳感單元, 檢測單元, 保護單元等集成為一體, 這是智能型的三菱IGBT模塊, 簡稱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, 這就要求機電設備特別是絞車、電機車要有較好的電壓波動適應能力。為此三菱IGBT功率模塊不僅適應井下電網的波動, 而且由于集成化設置, 與電阻調速、脈沖調速裝置相比, 大大減少了的維修工作任務。

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 (絕緣柵型場效應管) 組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導通壓降2方面的優點。gtr飽和壓降低, 載流密度大, 但驅動電流較大;mos-fet驅動功率很小, 開關速度快, 但導通壓降大, 載流密度小。三菱IGBT綜合了以上2種器件的優點, 驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600v及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。三菱IGBT模塊原理如圖1所示。

1 三菱IGBT模塊調速優點

圖1 三菱IGBT模塊原理圖

目前我國煤礦井下直流架線電機車調速器采用2種結構, 即:電阻調速和可控硅脈沖調速:電阻調速的缺點是機車運行時其電機串聯電阻消耗電能, 并且觸頭式控制器的維修量大。可控硅脈沖調速器的缺點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直流電機調速在國外早已應用, 現正向普及化發展, 因三菱IGBT具有正的溫度系數, 無二次電壓擊穿, 因此可靠性很高;由于三菱IGBT是給信號就通, 停信號就斷, 因此不需要用電抗電容器組成的充放電關斷電路, 所以其工作頻率很高 (可達數萬hz) 并且效率也很高 (可達98%) 。

由于調速器采用了三菱IGBT進行高頻斬波, 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, 實現了整機調速一體化, 方便了安裝和維修。該調速器具有短路保護、過流保護、過熱保護、欠壓保護等保護功能, 工作可靠。

采用三菱IGBT大功率自關斷元件組裝的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, 可顯著減少剎車系統的磨損, 延長制動系統各部件的使用壽命和保養周期。同時, 其控制電路采用單片計算機, 計算精確、可靠性高, 使車輛起動、加速平穩, 消除了換流噪音, 提高了車輛的運行質量。

由于該調速器免去了調速電阻箱, 所以節電率高達35%, 按10t電機車的2臺24k w電機每天運行18h計算, 日可節電302.4k w·h。如電費按0.5元/k w·h計算, 日節電費151.2元, 年節電費55188元。

2 三菱IGBT驅動簡介 (以m57962a模塊為例)

絕緣柵雙極晶體管 (三菱IGBT) 是80年代出現的新型復合器件, 它集mosfet (metallic oxide semiconductor field effect transistor, 金屬氧化物半導體場效應晶體管) 和晶體管的優點于一體。其響應速度快, 工作電流大, 耐壓高等優點使得它在開關電源、變頻器、逆變器等領域里很受青睞。但由于三菱IGBT自身的特性, 使其工作時會發生擎住效應而導致門極失控, 或者因電流電壓過大或不穩定, 造成三菱IGBT損壞而不能正常工作。為此, 對三菱IGBT的驅動和保護 (特別是短路過流保護) 提出了很高的要求。三菱IGBT的驅動電路的形式很多, 為了提高可靠性, 采用專用驅動模塊成了研究人員首先考慮的方案。

三菱IGBT專用驅動模塊m57962al適于驅動大功率器件, 可根據其內部的自保護功能對其應用電路進行安全可靠設計。該模塊采用雙電源驅動, 有過流過壓檢測電路和保證三菱IGBT可靠通斷電路。總之, 能夠安全地驅動開關、變頻器中的大功率三菱IGBT。

3 m57962al內部電路組成及其特點

3.1 內部電路組成

m57962al是日本三菱公司生產的專用驅動模塊。其內部結構方框圖如圖2所示。m57962al是厚模單列直插式封裝, 從左至右依次編號, 其中9~12為空端。1端和2端:故障檢測輸入端;4端:接正電源vcc;5端:驅動信號輸出端;6端:接負電源vee;8端:故障信號輸出;13端和14端:驅動信號輸入端。

圖2 m57962al內部結構方框圖

3.2 m57962al主要特點

m57962al的主要特點有: (1) 高速輸入輸出隔離, 絕緣強度高2500vac/min; (2) 適于單片機控制; (3) 內部有定時邏輯短路保護電路, 同時具有延時保護特性; (4) 具有可靠通斷措施 (采用雙電源) ; (5) 驅動功率大, 可以驅動600a/600v或400a/1200v的三菱IGBT模塊。

4 主要性能參數

模塊主要性能見表1。

表1 搖m57962al的技術參數

5 驅動保護電路工作原理分析

圖2所示實際應用電路具有三菱IGBT過流過壓保護功能。當檢測到輸入1端的電壓為7v時, 模塊判定為電路短路, 立即通過光耦輸出關斷信號關斷, 從而使其5端輸出低電平將三菱IGBT的ge兩端置于負向偏置, 可靠關斷。同時輸出誤差信號使故障輸出端8端為低電平, 從而驅動外接的保護電路工作。延時2~3s后, 若檢測到13端為高電平, 則m57962al恢復工作。穩壓管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可靠開通與關斷, 而不被誤導通或擊穿。

6 結束語

三菱IGBT功率模塊自身工作頻率高, 響應速度極快, 工作于開關狀態下其開關損耗大, 這就對其驅動可靠安全性提出了更高的要求。采用專用智能驅動模塊能夠驅動大電流大功率的設備, 能實現對三菱IGBT的過流過壓保護, 同時所設計的外圍應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。