英飛凌第四代IGBT_T4在軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)中的應(yīng)用_圖文

1、摘要：逆變焊機(jī)由于其自身多種優(yōu)點(diǎn)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種焊接場(chǎng)合，而由于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能夠顯著降低功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)損耗和EMI ，被廣泛運(yùn)用于逆變焊機(jī)中。為了得到更低的整體損耗，軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)需要一種低飽和壓降并且開(kāi)關(guān)速度快的IGBT ，英飛凌公司開(kāi)發(fā)的第四代IGBT T4能夠滿(mǎn)足這一要求。介紹了T4芯片及其在軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：IGBT ；T4；軟開(kāi)關(guān)；逆變焊機(jī)中圖分類(lèi)號(hào)：TG434；TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：10012303(200902007705第39卷第2期2009年2月Vol39No2Feb2009Electric Welding Machine溫永平，周益錚(英飛

2、凌科技(中國(guó) 有限公司，上海201203Infineon 4thgeneration IGBT T4's application in soft-switching inverter welding machineWEN Yong-ping ，ZHOU Yi-zheng(InfineonTechnologies China Co，Ltd，Shanghai 201203，ChinaAbstract ：Inverter welding machines are more and more widely used in different kinds of welding area beca

3、use of their ownadvantages ，while soft-switching technology is widely accepted in inverter welding machine because it can reduce switching loss and EMIInorder to reduce much more total loss ，soft-switching inverter welding machine need an IGBT with lower saturation voltage and high switching speedIn

4、fineon'snewly developed IGBT4T4can satisfy this need very well ，T4chip and its application in soft-switching inverter welding machine will be introduced in this paperKey words ：IGBT ；T4；soft-switching ；inverter welding machine收稿日期：20090110作者簡(jiǎn)介：溫永平(1981 ，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，主要從事IGBT 應(yīng)用及高頻開(kāi)關(guān)電源的研究。0前言逆變焊機(jī)具有

5、電氣性能和焊接工藝性能優(yōu)良、節(jié)能節(jié)材、體積小、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此這種“革命化”的焊機(jī)在國(guó)內(nèi)外受到了焊接行業(yè)各方面的高度重視。在國(guó)際上逆變焊機(jī)已成為焊接設(shè)備的主流產(chǎn)品之一，而國(guó)內(nèi)對(duì)它的研究、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用也迅猛發(fā)展，近幾年逆變焊機(jī)的產(chǎn)量年增長(zhǎng)率都在50以上，已引起了逆變焊機(jī)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的高度重視。對(duì)逆變焊機(jī)可靠性影響最大的就是功率半導(dǎo)體器件(如IGBT ，由于逆變焊機(jī)等高頻應(yīng)用產(chǎn)品的迅速增長(zhǎng)，IGBT 芯片制造廠商開(kāi)始重視這些高頻應(yīng)用領(lǐng)域，并根據(jù)這些高頻應(yīng)用的特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一些IGBT 芯片。英飛凌公司根據(jù)軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)開(kāi)關(guān)特性開(kāi)發(fā)的T4芯片就是一款適合于高頻軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用的IGBT 芯片。1逆變

6、焊機(jī)逆變技術(shù)在功率器件發(fā)展領(lǐng)域，IGBT 以其優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，在中大功率的應(yīng)用場(chǎng)合已普遍使用。除了少數(shù)便攜式小功率逆變焊機(jī)外，目前絕大多數(shù)逆變焊機(jī)都使用IGBT 模塊，主電路拓?fù)渲饕獮槿珮蛴查_(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制、全橋零電壓脈寬調(diào)制和全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制三種。11全橋硬開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制(FB-Hard-Switching-PWMFBHardswitchingPWM電路拓?fù)淙鐖D1所示。FBHardswitchingPWM控制使功率開(kāi)關(guān)器件在高電壓下開(kāi)通，大電流時(shí)關(guān)斷，是一種強(qiáng)迫開(kāi)關(guān)過(guò)程，即所謂的硬開(kāi)關(guān)，主要存在以下缺點(diǎn)：(1 功率器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，產(chǎn)生較大開(kāi)專(zhuān)題討論逆變與數(shù)字化焊接電源技術(shù)英飛凌第四代

7、IGBT T4在軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)中的應(yīng)用關(guān)損耗，而且隨著頻率的提高而增加，散熱相對(duì)比較困難。(2由于換相回路中存在雜散電感(如引線(xiàn)電感、變壓器漏感等寄生電感或?qū)嶓w電感 ，當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，器件關(guān)斷時(shí)的d i d t 會(huì)在雜散電感上形成電壓尖峰，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)有很高的尖峰電壓，并伴隨振蕩，容易造成開(kāi)關(guān)器件因過(guò)電壓而擊穿，一般電路中需要加很大的RC 吸收電路。(3由于吸收電容的使用，當(dāng)開(kāi)關(guān)管突然開(kāi)通時(shí)，這些能量將瞬間全部耗散在開(kāi)關(guān)器件內(nèi)，從而增加開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通損耗，而且d u d t 很大，將產(chǎn)生嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)噪聲，影響開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，使電路工作不穩(wěn)定。但是由于其控制簡(jiǎn)單，電路成熟，目前這種控制方

8、式仍然被廣泛應(yīng)用。由于功率器件開(kāi)關(guān)損耗比較大，這種控制方式在一定程度上制約了逆變焊機(jī)的高頻化。12全橋零電壓脈寬調(diào)制(FBZVSPWMFBZVSPWM電路拓樸如圖2所示。FBZVSPWM變換器超前臂和滯后臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的機(jī)理是不同的。超前臂換相過(guò)程中，輸出濾波電感L f 與諧振電感L r 串聯(lián)，一次電流類(lèi)似于一個(gè)恒電流源，因此超前臂很容易實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，即E on 0；而滯后臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通只能依賴(lài)諧振電感L r ，故特別是在輕載和空載狀態(tài)下較難實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，而且FBZVSPWM還存在變壓器二次側(cè)占空比丟失等問(wèn)題。但是由于這種控制在一定程度上實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)方式減小了開(kāi)關(guān)損耗。1

9、3全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制(FB-ZVZCS-PWM針對(duì)FBZVSPWM存在的問(wèn)題，各種FBZVZCSPWM軟開(kāi)關(guān)的方案應(yīng)運(yùn)而生。目前在逆變焊機(jī)中研究并已產(chǎn)品化的FBZVZCSPWM拓?fù)渲饕獮樽儔浩饕淮蝹?cè)串飽和電感和阻斷電容的FBZVZCSPWM 拓?fù)洌鐖D3所示。超前橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(E on 和E off 接近于零 ，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷(E off 0。圖3FBZVZCSPWM拓?fù)渖鲜龇桨改軌蚪鉀QFBZVSPWM的固有缺陷，如減少變壓器二次側(cè)的占空比丟失，提高最大占空比的利用率；軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)范圍基本不受電源電壓和負(fù)載變化的影響，實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的高變換效率。為提高電路的開(kāi)關(guān)頻率準(zhǔn)備了條

10、件，使整機(jī)的輕量化、小型化成為可能，可進(jìn)一步提高整機(jī)的功率變換密度，符合電力電子行業(yè)的發(fā)展方向。目前軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已逐漸運(yùn)用于逆變焊機(jī)中，并逐漸成為市場(chǎng)主流和未來(lái)逆變焊機(jī)的發(fā)展方向，因此尋找一款適合軟開(kāi)關(guān)IGBT 開(kāi)關(guān)特性的低飽和壓降的IGBT 芯片顯得尤為迫切。2IGBT 芯片的發(fā)展英飛凌IGBT 芯片發(fā)展如圖4所示。英飛凌公司是最先采用NPT(非穿通 技術(shù)的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商，這種NPT 技術(shù)能明顯降低IGBT 的關(guān)斷損耗，并且使IGBT 具有正溫度系數(shù)特性，更適合于并聯(lián)。在逆變焊機(jī)中廣泛應(yīng)用的DN2芯片和KS4芯片就屬于這種第二代芯片。第三代IGBT 芯片技術(shù)Trench Fieldstop (

11、溝槽柵場(chǎng)終止 技術(shù)是兩種技術(shù)的總稱(chēng)：溝槽柵技術(shù)是指采用垂直溝道的門(mén)極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以圖1FBHardswitchingPWM拓?fù)鋱D2FBZVSPWM拓?fù)鋵?zhuān)題討論逆變與數(shù)字化焊接電源技 術(shù)專(zhuān)題討論第39卷大大減小IGBT 的飽和壓降；場(chǎng)終止技術(shù)是指在集電極的P 層上集成了一層較高濃度摻雜的n 層，由于這層n 層，使得器件在承受相同耐壓的情況下，芯片能做得更薄，從而減小了飽和壓降和開(kāi)關(guān)能耗。第四代IGBT 芯片技術(shù)是基于第三代IGBT 芯片的溝槽柵場(chǎng)終止結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使芯片在開(kāi)關(guān)損耗和軟特性上得到進(jìn)一步優(yōu)化。另外它的最高允許工作結(jié)溫達(dá)到了150，較前幾代的IGBT 提高了25，這使得模塊的

12、功率密度可以做得更高。眾所周知，功率半導(dǎo)體的總損耗主要由通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成，但是IGBT 芯片的飽和壓降和關(guān)斷損耗始終存在著相互矛盾的關(guān)系，一般IGBT 芯片制造商根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如針對(duì)低頻應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)關(guān)損耗占的比重小的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出低飽和壓降高關(guān)斷損耗的IGBT 芯片；如根據(jù)高頻應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)關(guān)損耗占的比重大的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出低關(guān)斷損耗高飽和壓降的IGBT 芯片。英飛凌IGBT 在焊機(jī)中應(yīng)用的DN2、KS4和T4芯片的飽和壓降和開(kāi)關(guān)損耗分布如圖5所示?？v軸代表的是芯片的開(kāi)關(guān)損耗，而橫軸是芯片飽和壓降，體現(xiàn)了芯片的通態(tài)損耗。理想的功率器件就是要求達(dá)到零開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗，即圖中

13、的原點(diǎn)。從圖中可以看出，第四代IGBT(T4芯片明顯比第二代IGBT(DN2，KS4 更靠近原點(diǎn)，這主要得益于芯片結(jié)構(gòu)、芯片技術(shù)的改進(jìn)。圖5DN2、KS4、T4芯片參數(shù)特性分布T4芯片是英飛凌第四代IGBT 芯片，它是針對(duì)中小功率高頻應(yīng)用場(chǎng)合而優(yōu)化的。相對(duì)于其他芯片，它具有極低的飽和壓降，開(kāi)關(guān)損耗也相對(duì)較小，開(kāi)關(guān)速度也比較快，適合高頻軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用，在軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)20kHz 開(kāi)關(guān)頻率下具有最小的總損耗。另外它最高允許工作結(jié)溫達(dá)到150，比DN2和KS4提高了25，可以大幅提高溫度安全裕量，是目前最適合軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)應(yīng)用的IGBT 芯片，可在軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)中應(yīng)用的采用T4芯片的IGBT 模塊圖4I

14、GBT 芯片發(fā)展專(zhuān)題討論溫永平等：英飛凌第四代IGBT T4在軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)中的應(yīng)用第2期專(zhuān)題討論逆變與數(shù)字化焊接電源技術(shù)型號(hào)有FF100R12MT4，F(xiàn)F150R12MT4，F(xiàn)F200R12MT4，F(xiàn)F200R12KT4和FF300R12KT4等。DN2芯片是在逆變焊機(jī)中使用比較廣泛的一款I(lǐng)GBT 芯片，具有較高的開(kāi)關(guān)損耗和飽和壓降，在20kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下，它的總損耗相對(duì)較大。KS4芯片是一款速度很快的IGBT 芯片，飽和壓降高，開(kāi)關(guān)損耗小，非常適合高頻應(yīng)用在20kHz 以上的高頻應(yīng)用領(lǐng)域，具有較大的優(yōu)勢(shì)。3用于逆變焊機(jī)的采用KS4和T4芯片的封裝模塊逆變焊機(jī)的污染等級(jí)比較高，目前用于逆

15、變焊機(jī)的采用KS4和T4芯片的封裝模塊只有EconoDUAL2和62mm 兩種，如圖6所示。62mm 封裝主要用于大功率焊機(jī)，其特點(diǎn)是：殼到結(jié)的熱阻R thJC 比較小，散熱較好。EconoDUAL2封裝主要用于中小功率焊機(jī)，其特點(diǎn)是：寄生電感較小，便于緊湊化設(shè)計(jì)，但殼到結(jié)的熱阻R thJC 相對(duì)較大。4KS4及T4芯片在焊機(jī)中的開(kāi)關(guān)特性和損耗對(duì)比41開(kāi)關(guān)特性對(duì)比100A KS4芯片和100A T4芯片的開(kāi)通實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖7所示，由圖可知，T4芯片開(kāi)通速度快，電流I c 很快上升，所以T4開(kāi)通損耗略小。100A KS4芯片和100A T4芯片的關(guān)斷實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖8所示。由圖可知，KS4芯片關(guān)斷速度

16、快，關(guān)斷損耗小，但關(guān)斷時(shí)的d i d t 較大，造成較大的電圖7100A KS4和T4芯片開(kāi)通實(shí)驗(yàn)對(duì)比a KS4開(kāi)通(R g 10 b T4開(kāi)通(R g 10壓尖峰；T4芯片關(guān)斷相對(duì)于KS4芯片要軟很多，沒(méi)有明顯的電流振蕩而且電壓尖峰也比較低，但其關(guān)斷損耗略微大一些。42損耗及溫升對(duì)比IGBT 模塊的溫升不僅取決于IGBT 模塊的總損耗，而且與IGBT 模塊的封裝有關(guān)，封裝大小直接決定熱阻大小，從而影響溫升。為了便于對(duì)比，取同樣62mm 封裝的FF300R12KS4和FF300R12KT4進(jìn)行對(duì)比。以國(guó)內(nèi)某品牌焊機(jī)廠家的1250A 軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)為例(零電壓開(kāi)通，軟關(guān)斷，計(jì)入13的關(guān)斷損耗 ，

17、一次電流有效值I rms 170A ，開(kāi)關(guān)頻率f sw 20kHz ，單個(gè)IGBT 最大占空比D 40，分別選取FF300R12KS4和FF300R12KT4做對(duì)比，根據(jù)已知條件對(duì)照這兩種圖662mm 和EconoDUAL2封裝a 62mm 封裝b EconoDUAL2封裝專(zhuān)題討論逆變與數(shù)字化焊接電源技 術(shù)專(zhuān)題討論第39卷a KS4關(guān)斷(R g 10 b T4關(guān)斷(R g 10圖8100A KS4和T4芯片關(guān)斷實(shí)驗(yàn)對(duì)比模塊的datasheet 分別獲取參數(shù)并計(jì)算損耗和溫升情況，如表1所示。模塊飽和壓降U cesat 開(kāi)通損耗E on mJ 關(guān)斷損耗E off mJ 通態(tài)損耗P cond W 開(kāi)

18、關(guān)損耗P sw W 總損耗P tot W 結(jié)到殼的熱阻R thJC K ·W 1殼到散熱器的熱阻R thCH K ·W 1結(jié)到散熱器的溫度差T JH K FF300R12KS4FF300R12KT4300150002605002040010200468090002508019200006400930030003223582400表1FF300R12KS4和FF300R12KT4在1250A 焊機(jī)中的損耗及溫升計(jì)算說(shuō)明：P cond U cesat ·I rms ·D ，即通態(tài)損耗為飽和壓降、電流、占空比的乘積；P sw (E on E off ·f sw ，即開(kāi)關(guān)損耗等于開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗之和乘以開(kāi)關(guān)頻率；P tot P cond P sw ，即總損耗等于通態(tài)損耗與開(kāi)關(guān)損耗之和；T JH P tot ·(R thJC R thCH ，即結(jié)到散熱器的溫差等于總損耗乘以結(jié)到散熱器的熱阻。由表1可知，由于FF300R12KT4飽和壓降非常低，導(dǎo)通損耗很小，盡管開(kāi)關(guān)損耗比較大，但在20kHz 開(kāi)關(guān)頻率下，軟開(kāi)關(guān)模式中通態(tài)損耗占的比例更大，F(xiàn)F300R12KT4總損耗比FF300R12KS4小234，所以用同樣的散熱器，會(huì)使散熱器溫度降低，由于FF