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650V系列IGBT在家用焊机电源应用

2014-8-13 09:25:59 4281

0 0 前言家用逆变焊机因其体较小，操作方便，市场接受度逐步提高。因市电220V输入的特点，一般采用600V/650V规格的IGBT作为逆变主功率器件。 IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor)全称为绝缘栅双极晶体管，作为逆变焊机中高频逆变的主要开关器件，其性能的优劣将直接影响焊机整体表现。随着国内工艺水平和设计能力的提升，国产IGBT开始进入焊机领域。本文针对国内家用焊机应用威廉希尔官方网站特点，实际应用工况，分析对IGBT的参数要求，并在实际焊机上进行带载和冲击测试，比较不同IGBT的性能优劣。 1 威廉希尔官方网站特点家用焊机相对工业焊机而言输出焊接电流较小(一般<315A)，国内以半桥威廉希尔官方网站拓扑为主，且多以每桥臂2颗并联方式实现。输入220V市电经输入整流桥整流和滤波电感滤波形成311V左右的直流电，考虑IGBT关断过程中回路寄生电感和安全余量需要IGBT耐压为560V(1.8倍)左右，因此选用600V/650V耐压等级IGBT可满足需求。考虑散热和安全性，选取IGBT电流一般按照2倍安全余量进行选取，威廉希尔官方网站拓扑见图1。图1 单相输入半桥拓扑 2 IGBT芯片技术高频化是逆变焊机的一个趋势，因650V器件的芯片厚度较1200V器件更薄，因此同等规格电流输出其损耗更低，因此在家用焊机上更易实现高频化。在焊机杂志前一期中有过介绍，沟槽栅场截止设计是目前IGBT最新一代技术，国外主流厂家针对小焊机开发的IGBT产品均采用这一技术，中科君芯科技有限公司(下称中科君芯)是最先在国内实现该技术的IGBT芯片设计公司，同时针对超薄芯片(65um)封装中碎片率高的特点进行封装优化，实现从设计、流片、封装和测试的国产化。图2 沟槽栅场截止IGBT截面图 3 家用焊机IGBT设计要求家用焊机频率普遍较高(目前国内主流频率为28KHz和35KHz)，设计中针对高频需求进一步优化IGBT开关参数(关断损耗低至0.87mJ@25℃)，而使饱和压降略有升高(较前期产品Vce(sat)增加0.15V)。因变压器漏感及引线电感的存在，当IGBT关断时，在杂散电感上形成电压尖峰，针对这一特点，在设计IGBT耐压时进行优化处理(标称650V器件的实际耐压值800V左右)。因焊机经常处于空载-短路-带载的工作状态，同时焊接中的电弧为动态负载，电流处于不断变化中。针对负载短路这一情况，设计IGBT时使其短路承受时间达到10us及以上，这样即使保护威廉希尔官方网站在精度和响应时间上有时延，在短路期间，IGBT本身能承受过电流(一般保护威廉希尔官方网站在3~5us就能进行动作)；针对实际焊接过程中电弧电流波动通过变压器耦合到IGBT输入端的情况，在IGBT设计时通过提高器件的峰值电流ICM，提高IGBT的正向安全工作区(FBSOA)这两种方式提高器件的抗干扰性能。除优化上述两个参数，该系列IGBT设计成正温度系数适合并联条件下使用，提高整体性能。 4 参数比对对家用焊机领域国外主流IGBT及中科君芯器件在同一设备下参数对比如下：表一主要参数对比(常温25℃所测) 通过表一，除漏电流ICES稍大外，中科君芯IGBT在耐压，饱和压降及关断损耗(更适合软开关应用)方面都具竞争优势。 5 焊机实测仅有参数比对不能完全突出IGBT性能优劣，还需看器件在焊机上的实测表现。测试所用焊机型号及工况如下：机型ZX7-200G。该机型输入220V，50Hz；输出电压25V，电流200A；焊机频率28KHz，占空比为20%，IGBT驱动栅极电阻10Ω。半桥威廉希尔官方网站每桥臂采用两颗50A器件并联。考核主要从IGBT壳温度、带载测试中的波形表现以及点焊瞬间冲击电流三方面进行。测试系统与上期1200V器件测试系统基本类似，不再重复。 5.1 壳温比测测试按照满载下负载持续率60%进行测试，每颗器件测试3个周期取平均值。表二满载下器件壳温对比从壳温测试结果看，中科君芯器件温升表现稍优于国外两款器件。 5.2 栅极波形对比图3君芯栅极v-pp=25.6V 图4国外产品I栅极v-pp=23.6V 图5 国外产品F栅极v-pp=32.2V 因栅极驱动信号直接通过变压器变压后获取，未经过稳压和滤波威廉希尔官方网站因此栅极都会有部分振荡，但是该振荡越小，IGBT抗干扰能力越强。从栅极振荡来看，君芯和I公司相当，优于F公司。 5.3 冲击实验该实验主要考核焊机在点焊瞬间IGBT和FRD承受冲击电流的能力。该实验连续点焊1h，要求测试中焊机无异常，点焊后焊机工作正常，三款器件均通过冲击实验。 6 总结从IGBT的参数特性，以及在焊机上的实测壳温、波形和冲击实验来看，君芯国产器件和国外器件性能相当，均满足焊机需求。 0
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