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[摘 要]传统煤矿电机车控制器存在诸多问题，为此进行了产品更新，对现有机车采用了新型的IGBT斩波控制器。新型斩波控制器具有节能、高效、经济实用的特点。文中主要阐述了IGBT斩波控制器的原理、结构。
[关键词]IGBT；节能；原理；
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0366-01
1 引言
目前大部分矿用电机车都是直流串励电动机作为牵引电动机，调速是通过改变电机车后部的六个电阻管连接方式来实现。该方法虽然比较成熟，但是有大量的能源消耗在电阻上，造成能源的极大浪费。如今低迷的煤炭市场，使成本控制上升到了首要位置，寻找一种安全、可靠、节能的设备成了首要任务。直流斩波器的出现恰好满足了这些要求，用直流斩波器代替电阻调速可节约电能20%-30%。直流斩波器不仅能起调节电压的作用，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪音的作用。本文将从斩波器的结构、原理方面进行介绍。
2 斩波器基本原理
斩波器是一种能进行微弱信号变换的高精密元件，所谓斩波是使电流、光束或红外辐射束在均匀时间间隔里中断。斩波器能将微弱的直流电压或电流变换成交流输出放大，通常是将缓变信号转换成快变信号，便于放大。
斩波器主要是利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载端电压改变之目的。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式（Buck ）直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式（Boost）直流斩波器。当直流斩波器导通（Ton）时，负载端之电压Vo等于电源电压Vs，当直流斩波器截止（Toff）时，负载端之电压Vo为0，如此适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载测，只要控制直流斩波器的导通时间，即可改变负载的平均电压。
然而，最常见之改变方式为
（1）周期T固定，导通时间Ton改变，称脉波宽度调变（Pulse-width Modulation PWM）。
（2）导通时间Ton固定，周期T改变，称频率调变（Frequency Modulation FM）。
（3）.周期T及导通时间Ton 同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此多数采用脉波宽度调变。
3 直流斩波器的用途及结构
直流斩波器主要应用于井下ZKT-10/550和防爆特殊型蓄电池电机车。以井下ZKT-10/550型电机车说明，直流斩波器主要分为两个部分：斩波器控制箱和斩波箱。斩波控制箱主要用于控制机车的换向、启动、调速、制动；斩波箱主要用于功能实现。
斩波器的控制面板上安装有高、低压指示灯，换向手柄，调速手柄。箱体内部安装有两个24V电源模块、三角触头、换向轴、光电给定器、装配。斩波箱由电解电容、IGBT、电流互感器、温控器、调速驱动盒构成。
4 IGBT的工作原理
IGBT是Insulated？Gate？Bipolar？Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件（如图1所示），其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。IGBT的等效电路如图2所示。由图2可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS？截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压； ——IGBT集电极与发射极之间的电压；
——流过IGBT集电极-发射极的电流；——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压； ——IGBT集电极与发射极之间的电压；
——流过IGBT集电极-发射极的电流； ——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。
在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。
4 结语
通过以上论述，可以看到斩波器的节能、安全、保护齐全等优点。现在国家正在提倡节约型社会，企业正在提倡集约型企业。斩波器在电机车上的应用，使得运输成本进一步降低，经济效益明显，达到了企业所期望的成本管控目的。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2] 杨拴科，模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.
[关键词]IGBT；节能；原理；
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0366-01
1 引言
目前大部分矿用电机车都是直流串励电动机作为牵引电动机，调速是通过改变电机车后部的六个电阻管连接方式来实现。该方法虽然比较成熟，但是有大量的能源消耗在电阻上，造成能源的极大浪费。如今低迷的煤炭市场，使成本控制上升到了首要位置，寻找一种安全、可靠、节能的设备成了首要任务。直流斩波器的出现恰好满足了这些要求，用直流斩波器代替电阻调速可节约电能20%-30%。直流斩波器不仅能起调节电压的作用，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪音的作用。本文将从斩波器的结构、原理方面进行介绍。
2 斩波器基本原理
斩波器是一种能进行微弱信号变换的高精密元件，所谓斩波是使电流、光束或红外辐射束在均匀时间间隔里中断。斩波器能将微弱的直流电压或电流变换成交流输出放大，通常是将缓变信号转换成快变信号，便于放大。
斩波器主要是利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载端电压改变之目的。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式（Buck ）直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式（Boost）直流斩波器。当直流斩波器导通（Ton）时，负载端之电压Vo等于电源电压Vs，当直流斩波器截止（Toff）时，负载端之电压Vo为0，如此适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载测，只要控制直流斩波器的导通时间，即可改变负载的平均电压。
然而，最常见之改变方式为
（1）周期T固定，导通时间Ton改变，称脉波宽度调变（Pulse-width Modulation PWM）。
（2）导通时间Ton固定，周期T改变，称频率调变（Frequency Modulation FM）。
（3）.周期T及导通时间Ton 同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此多数采用脉波宽度调变。
3 直流斩波器的用途及结构
直流斩波器主要应用于井下ZKT-10/550和防爆特殊型蓄电池电机车。以井下ZKT-10/550型电机车说明，直流斩波器主要分为两个部分：斩波器控制箱和斩波箱。斩波控制箱主要用于控制机车的换向、启动、调速、制动；斩波箱主要用于功能实现。
斩波器的控制面板上安装有高、低压指示灯，换向手柄，调速手柄。箱体内部安装有两个24V电源模块、三角触头、换向轴、光电给定器、装配。斩波箱由电解电容、IGBT、电流互感器、温控器、调速驱动盒构成。
4 IGBT的工作原理
IGBT是Insulated？Gate？Bipolar？Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件（如图1所示），其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。IGBT的等效电路如图2所示。由图2可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS？截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压； ——IGBT集电极与发射极之间的电压；
——流过IGBT集电极-发射极的电流；——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压； ——IGBT集电极与发射极之间的电压；
——流过IGBT集电极-发射极的电流； ——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。
在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。
4 结语
通过以上论述，可以看到斩波器的节能、安全、保护齐全等优点。现在国家正在提倡节约型社会，企业正在提倡集约型企业。斩波器在电机车上的应用，使得运输成本进一步降低，经济效益明显，达到了企业所期望的成本管控目的。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2] 杨拴科，模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.