英飞凌第四代IGBT_T4在软开关逆变焊机中的应用_图文

1、摘要：逆变焊机由于其自身多种优点已越来越广泛地应用于各种焊接场合，而由于软开关技术能够显著降低功率开关管开关损耗和EMI ，被广泛运用于逆变焊机中。为了得到更低的整体损耗，软开关逆变焊机需要一种低饱和压降并且开关速度快的IGBT ，英飞凌公司开发的第四代IGBT T4能够满足这一要求。介绍了T4芯片及其在软开关逆变焊机中的应用。关键词：IGBT ；T4；软开关；逆变焊机中图分类号：TG434；TP21 文献标识码：B 文章编号：10012303(200902007705第39卷第2期2009年2月Vol39No2Feb2009Electric Welding Machine温永平，周益铮(英飞

2、凌科技(中国 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作者简介：温永平(1981 ，男，江苏扬州人，硕士，主要从事IGBT 应用及高频开关电源的研究。0前言逆变焊机具有

5、电气性能和焊接工艺性能优良、节能节材、体积小、质量轻等一系列优点，因此这种“革命化”的焊机在国内外受到了焊接行业各方面的高度重视。在国际上逆变焊机已成为焊接设备的主流产品之一，而国内对它的研究、生产和推广应用也迅猛发展，近几年逆变焊机的产量年增长率都在50以上，已引起了逆变焊机关联产业的高度重视。对逆变焊机可靠性影响最大的就是功率半导体器件(如IGBT ，由于逆变焊机等高频应用产品的迅速增长，IGBT 芯片制造厂商开始重视这些高频应用领域，并根据这些高频应用的特点专门开发了一些IGBT 芯片。英飞凌公司根据软开关逆变焊机开关特性开发的T4芯片就是一款适合于高频软开关应用的IGBT 芯片。1逆变

6、焊机逆变技术在功率器件发展领域，IGBT 以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍使用。除了少数便携式小功率逆变焊机外，目前绝大多数逆变焊机都使用IGBT 模块，主电路拓扑主要为全桥硬开关脉宽调制、全桥零电压脉宽调制和全桥零电压零电流脉宽调制三种。11全桥硬开关脉宽调制(FB-Hard-Switching-PWMFBHardswitchingPWM电路拓扑如图1所示。FBHardswitchingPWM控制使功率开关器件在高电压下开通，大电流时关断，是一种强迫开关过程，即所谓的硬开关，主要存在以下缺点：(1 功率器件在开通和关断过程中，产生较大开专题讨论逆变与数字化焊接电源技术英飞凌第四代

7、IGBT T4在软开关逆变焊机中的应用关损耗，而且随着频率的提高而增加，散热相对比较困难。(2由于换相回路中存在杂散电感(如引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感 ，当开关器件关断时，器件关断时的d i d t 会在杂散电感上形成电压尖峰，导致开关器件关断时有很高的尖峰电压，并伴随振荡，容易造成开关器件因过电压而击穿，一般电路中需要加很大的RC 吸收电路。(3由于吸收电容的使用，当开关管突然开通时，这些能量将瞬间全部耗散在开关器件内，从而增加开关器件的开通损耗，而且d u d t 很大，将产生严重的开关噪声，影响开关器件驱动电路，使电路工作不稳定。但是由于其控制简单，电路成熟，目前这种控制方

8、式仍然被广泛应用。由于功率器件开关损耗比较大，这种控制方式在一定程度上制约了逆变焊机的高频化。12全桥零电压脉宽调制(FBZVSPWMFBZVSPWM电路拓朴如图2所示。FBZVSPWM变换器超前臂和滞后臂实现零电压开通的机理是不同的。超前臂换相过程中，输出滤波电感L f 与谐振电感L r 串联，一次电流类似于一个恒电流源，因此超前臂很容易实现零电压开通，即E on 0；而滞后臂实现零电压开通只能依赖谐振电感L r ，故特别是在轻载和空载状态下较难实现零电压开通，而且FBZVSPWM还存在变压器二次侧占空比丢失等问题。但是由于这种控制在一定程度上实现了软开关，相对于硬开关方式减小了开关损耗。1

9、3全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS-PWM针对FBZVSPWM存在的问题，各种FBZVZCSPWM软开关的方案应运而生。目前在逆变焊机中研究并已产品化的FBZVZCSPWM拓扑主要为变压器一次侧串饱和电感和阻断电容的FBZVZCSPWM 拓扑，如图3所示。超前桥臂实现零电压开关(E on 和E off 接近于零 ，滞后桥臂实现零电流关断(E off 0。图3FBZVZCSPWM拓扑上述方案能够解决FBZVSPWM的固有缺陷，如减少变压器二次侧的占空比丢失，提高最大占空比的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。为提高电路的开关频率准备了条

10、件，使整机的轻量化、小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。目前软开关技术已逐渐运用于逆变焊机中，并逐渐成为市场主流和未来逆变焊机的发展方向，因此寻找一款适合软开关IGBT 开关特性的低饱和压降的IGBT 芯片显得尤为迫切。2IGBT 芯片的发展英飞凌IGBT 芯片发展如图4所示。英飞凌公司是最先采用NPT(非穿通 技术的半导体生产厂商，这种NPT 技术能明显降低IGBT 的关断损耗，并且使IGBT 具有正温度系数特性，更适合于并联。在逆变焊机中广泛应用的DN2芯片和KS4芯片就属于这种第二代芯片。第三代IGBT 芯片技术Trench Fieldstop (

11、沟槽栅场终止 技术是两种技术的总称：沟槽栅技术是指采用垂直沟道的门极结构，这种结构可以图1FBHardswitchingPWM拓扑图2FBZVSPWM拓扑专题讨论逆变与数字化焊接电源技 术专题讨论第39卷大大减小IGBT 的饱和压降；场终止技术是指在集电极的P 层上集成了一层较高浓度掺杂的n 层，由于这层n 层，使得器件在承受相同耐压的情况下，芯片能做得更薄，从而减小了饱和压降和开关能耗。第四代IGBT 芯片技术是基于第三代IGBT 芯片的沟槽栅场终止结构进行进一步优化，使芯片在开关损耗和软特性上得到进一步优化。另外它的最高允许工作结温达到了150，较前几代的IGBT 提高了25，这使得模块的

12、功率密度可以做得更高。众所周知，功率半导体的总损耗主要由通态损耗和开关损耗组成，但是IGBT 芯片的饱和压降和关断损耗始终存在着相互矛盾的关系，一般IGBT 芯片制造商根据不同的应用场合对这两个参数进行优化，如针对低频应用场合开关损耗占的比重小的特点，开发出低饱和压降高关断损耗的IGBT 芯片；如根据高频应用场合开关损耗占的比重大的特点，开发出低关断损耗高饱和压降的IGBT 芯片。英飞凌IGBT 在焊机中应用的DN2、KS4和T4芯片的饱和压降和开关损耗分布如图5所示。纵轴代表的是芯片的开关损耗，而横轴是芯片饱和压降，体现了芯片的通态损耗。理想的功率器件就是要求达到零开关损耗和通态损耗，即图中

13、的原点。从图中可以看出，第四代IGBT(T4芯片明显比第二代IGBT(DN2，KS4 更靠近原点，这主要得益于芯片结构、芯片技术的改进。图5DN2、KS4、T4芯片参数特性分布T4芯片是英飞凌第四代IGBT 芯片，它是针对中小功率高频应用场合而优化的。相对于其他芯片，它具有极低的饱和压降，开关损耗也相对较小，开关速度也比较快，适合高频软开关应用，在软开关逆变焊机20kHz 开关频率下具有最小的总损耗。另外它最高允许工作结温达到150，比DN2和KS4提高了25，可以大幅提高温度安全裕量，是目前最适合软开关逆变焊机应用的IGBT 芯片，可在软开关逆变焊机中应用的采用T4芯片的IGBT 模块图4I

14、GBT 芯片发展专题讨论温永平等：英飞凌第四代IGBT T4在软开关逆变焊机中的应用第2期专题讨论逆变与数字化焊接电源技术型号有FF100R12MT4，FF150R12MT4，FF200R12MT4，FF200R12KT4和FF300R12KT4等。DN2芯片是在逆变焊机中使用比较广泛的一款IGBT 芯片，具有较高的开关损耗和饱和压降，在20kHz 的开关频率下，它的总损耗相对较大。KS4芯片是一款速度很快的IGBT 芯片，饱和压降高，开关损耗小，非常适合高频应用在20kHz 以上的高频应用领域，具有较大的优势。3用于逆变焊机的采用KS4和T4芯片的封装模块逆变焊机的污染等级比较高，目前用于逆

15、变焊机的采用KS4和T4芯片的封装模块只有EconoDUAL2和62mm 两种，如图6所示。62mm 封装主要用于大功率焊机，其特点是：壳到结的热阻R thJC 比较小，散热较好。EconoDUAL2封装主要用于中小功率焊机，其特点是：寄生电感较小，便于紧凑化设计，但壳到结的热阻R thJC 相对较大。4KS4及T4芯片在焊机中的开关特性和损耗对比41开关特性对比100A KS4芯片和100A T4芯片的开通实验对比如图7所示，由图可知，T4芯片开通速度快，电流I c 很快上升，所以T4开通损耗略小。100A KS4芯片和100A T4芯片的关断实验对比如图8所示。由图可知，KS4芯片关断速度

16、快，关断损耗小，但关断时的d i d t 较大，造成较大的电图7100A KS4和T4芯片开通实验对比a KS4开通(R g 10 b T4开通(R g 10压尖峰；T4芯片关断相对于KS4芯片要软很多，没有明显的电流振荡而且电压尖峰也比较低，但其关断损耗略微大一些。42损耗及温升对比IGBT 模块的温升不仅取决于IGBT 模块的总损耗，而且与IGBT 模块的封装有关，封装大小直接决定热阻大小，从而影响温升。为了便于对比，取同样62mm 封装的FF300R12KS4和FF300R12KT4进行对比。以国内某品牌焊机厂家的1250A 软开关逆变焊机为例(零电压开通，软关断，计入13的关断损耗 ，

17、一次电流有效值I rms 170A ，开关频率f sw 20kHz ，单个IGBT 最大占空比D 40，分别选取FF300R12KS4和FF300R12KT4做对比，根据已知条件对照这两种图662mm 和EconoDUAL2封装a 62mm 封装b EconoDUAL2封装专题讨论逆变与数字化焊接电源技 术专题讨论第39卷a KS4关断(R g 10 b T4关断(R g 10图8100A KS4和T4芯片关断实验对比模块的datasheet 分别获取参数并计算损耗和温升情况，如表1所示。模块饱和压降U cesat 开通损耗E on mJ 关断损耗E off mJ 通态损耗P cond W 开

18、关损耗P sw W 总损耗P tot W 结到壳的热阻R thJC K ·W 1壳到散热器的热阻R thCH K ·W 1结到散热器的温度差T JH K FF300R12KS4FF300R12KT4300150002605002040010200468090002508019200006400930030003223582400表1FF300R12KS4和FF300R12KT4在1250A 焊机中的损耗及温升计算说明：P cond U cesat ·I rms ·D ，即通态损耗为饱和压降、电流、占空比的乘积；P sw (E on E off ·f sw ，即开关损耗等于开通损耗和关断损耗之和乘以开关频率；P tot P cond P sw ，即总损耗等于通态损耗与开关损耗之和；T JH P tot ·(R thJC R thCH ，即结到散热器的温差等于总损耗乘以结到散热器的热阻。由表1可知，由于FF300R12KT4饱和压降非常低，导通损耗很小，尽管开关损耗比较大，但在20kHz 开关频率下，软开关模式中通态损耗占的比例更大，FF300R12KT4总损耗比FF300R12KS4小234，所以用同样的散热器，会使散热器温度降低，由于FF