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0 前言
家用逆變焊機(jī)因其體較小，操作方便，市場(chǎng)接受度逐步提高。因市電220V輸入的特點(diǎn)，一般采用600V/650V規(guī)格的IGBT作為逆變主功率器件。
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱為絕緣柵雙極晶體管，作為逆變焊機(jī)中高頻逆變的主要開(kāi)關(guān)器件，其性能的優(yōu)劣將直接影響焊機(jī)整體表現(xiàn)。隨著國(guó)內(nèi)工藝水平和設(shè)計(jì)能力的提升，國(guó)產(chǎn)IGBT開(kāi)始進(jìn)入焊機(jī)領(lǐng)域。
本文針對(duì)國(guó)內(nèi)家用焊機(jī)應(yīng)用電路特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用工況，分析對(duì)IGBT的參數(shù)要求，并在實(shí)際焊機(jī)上進(jìn)行帶載和沖擊測(cè)試，比較不同IGBT的性能優(yōu)劣。
1 電路特點(diǎn)
家用焊機(jī)相對(duì)工業(yè)焊機(jī)而言輸出焊接電流較小(一般<315A)，國(guó)內(nèi)以半橋電路拓?fù)錇橹鳎叶嘁悦繕虮?顆并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)。
輸入220V市電經(jīng)輸入整流橋整流和濾波電感濾波形成311V左右的直流電，考慮IGBT關(guān)斷過(guò)程中回路寄生電感和安全余量需要IGBT耐壓為560V(1.8倍)左右，因此選用600V/650V耐壓等級(jí)IGBT可滿足需求。考慮散熱和安全性，選取IGBT電流一般按照2倍安全余量進(jìn)行選取，電路拓?fù)湟?jiàn)圖1。
2 IGBT芯片技術(shù)
高頻化是逆變焊機(jī)的一個(gè)趨勢(shì)，因650V器件的芯片厚度較1200V器件更薄，因此同等規(guī)格電流輸出其損耗更低，因此在家用焊機(jī)上更易實(shí)現(xiàn)高頻化。
在焊機(jī)雜志前一期中有過(guò)介紹，溝槽柵場(chǎng)截止設(shè)計(jì)是目前IGBT最新一代技術(shù)，國(guó)外主流廠家針對(duì)小焊機(jī)開(kāi)發(fā)的IGBT產(chǎn)品均采用這一技術(shù)，中科君芯科技有限公司(下稱中科君芯)是最先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的IGBT芯片設(shè)計(jì)公司，同時(shí)針對(duì)超薄芯片(65um)封裝中碎片率高的特點(diǎn)進(jìn)行封裝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、流片、封裝和測(cè)試的國(guó)產(chǎn)化。
3 家用焊機(jī)IGBT設(shè)計(jì)要求
家用焊機(jī)頻率普遍較高(目前國(guó)內(nèi)主流頻率為28KHz和35KHz)，設(shè)計(jì)中針對(duì)高頻需求進(jìn)一步優(yōu)化IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)(關(guān)斷損耗低至0.87mJ@25℃)，而使飽和壓降略有升高(較前期產(chǎn)品Vce(sat)增加0.15V)。
因變壓器漏感及引線電感的存在，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)， 在雜散電感上形成電壓尖峰，針對(duì)這一特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)IGBT耐壓時(shí)進(jìn)行優(yōu)化處理(標(biāo)稱650V器件的實(shí)際耐壓值800V左右)。
因焊機(jī)經(jīng)常處于空載-短路-帶載的工作狀態(tài)，同時(shí)焊接中的電弧為動(dòng)態(tài)負(fù)載，電流處于不斷變化中。針對(duì)負(fù)載短路這一情況，設(shè)計(jì)IGBT時(shí)使其短路承受時(shí)間達(dá)到10us及以上，這樣即使保護(hù)電路在精度和響應(yīng)時(shí)間上有時(shí)延，在短路期間，IGBT本身能承受過(guò)電流(一般保護(hù)電路在3~5us就能進(jìn)行動(dòng)作)；針對(duì)實(shí)際焊接過(guò)程中電弧電流波動(dòng)通過(guò)變壓器耦合到IGBT輸入端的情況，在IGBT設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)提高器件的峰值電流ICM，提高IGBT的正向安全工作區(qū)(FBSOA)這兩種方式提高器件的抗干擾性能。
除優(yōu)化上述兩個(gè)參數(shù)，該系列IGBT設(shè)計(jì)成正溫度系數(shù)適合并聯(lián)條件下使用，提高整體性能。
4 參數(shù)比對(duì)
對(duì)家用焊機(jī)領(lǐng)域國(guó)外主流IGBT及中科君芯器件在同一設(shè)備下參數(shù)對(duì)比如下：
通過(guò)表一，除漏電流ICES稍大外，中科君芯IGBT在耐壓，飽和壓降及關(guān)斷損耗(更適合軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用)方面都具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
5 焊機(jī)實(shí)測(cè)
僅有參數(shù)比對(duì)不能完全突出IGBT性能優(yōu)劣，還需看器件在焊機(jī)上的實(shí)測(cè)表現(xiàn)。
測(cè)試所用焊機(jī)型號(hào)及工況如下：機(jī)型ZX7-200G。該機(jī)型輸入220V，50Hz；輸出電壓25V，電流200A；焊機(jī)頻率28KHz，占空比為20%，IGBT驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電阻10Ω。半橋電路每橋臂采用兩顆50A器件并聯(lián)。
考核主要從IGBT殼溫度、帶載測(cè)試中的波形表現(xiàn)以及點(diǎn)焊瞬間沖擊電流三方面進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)與上期1200V器件測(cè)試系統(tǒng)基本類似，不再重復(fù)。
5.1 殼溫比測(cè)
測(cè)試按照滿載下負(fù)載持續(xù)率60%進(jìn)行測(cè)試，每顆器件測(cè)試3個(gè)周期取平均值。
從殼溫測(cè)試結(jié)果看，中科君芯器件溫升表現(xiàn)稍優(yōu)于國(guó)外兩款器件。
5.2 柵極波形對(duì)比
因柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接通過(guò)變壓器變壓后獲取，未經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓和濾波電路因此柵極都會(huì)有部分振蕩，但是該振蕩越小，IGBT抗干擾能力越強(qiáng)。從柵極振蕩來(lái)看，君芯和I公司相當(dāng)，優(yōu)于F公司。
5.3 沖擊實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)主要考核焊機(jī)在點(diǎn)焊瞬間IGBT和FRD承受沖擊電流的能力。該實(shí)驗(yàn)連續(xù)點(diǎn)焊1h，要求測(cè)試中焊機(jī)無(wú)異常，點(diǎn)焊后焊機(jī)工作正常，三款器件均通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)。
6 總結(jié)
從IGBT的參數(shù)特性，以及在焊機(jī)上的實(shí)測(cè)殼溫、波形和沖擊實(shí)驗(yàn)來(lái)看，君芯國(guó)產(chǎn)器件和國(guó)外器件性能相當(dāng)，均滿足焊機(jī)需求。
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